0.   引言

基于UWB，5G，WiFi6的矿井人员和车辆精确定位、矿井无线通信和矿用移动通信技术是煤矿智能化关键技术，在煤矿安全高效生产和应急救援中发挥着重要作用^[1-3]。UWB技术具有厘米级高精度定位、抗多径能力强、系统复杂性低等优点。UWB技术不使用传统通信体制中的载波，通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，带宽大^[4-6]。矿用UWB主要用于矿井人员和车辆精确定位。5G具有传输速率高、时延低和可靠性高等优点^[7]。矿用5G可用于矿井移动通信、视频、音频和数据无线传输等，特别适用于要求大带宽、低时延、高可靠传输的采掘工作面地面远程控制、车辆无人驾驶等^[8-10]。WiFi6即第六代无线网络技术，是WiFi联盟创建于IEEE 802.11系列标准下的无线局域网技术^[11]。相比于上一代标准IEEE 802.11ac的WiFi5，WiFi6最大传输速率由前者的3.5 Gibit/s，提升到了9.6 Gibit/s，理论传输速率提升了近3倍，具有系统简单、成本低等优点^[12]。矿用WiFi6主要用于煤矿井下视频、音频和数据无线传输。

为满足煤矿井下人员和车辆定位、无线视频、移动通信、无线监控和采掘工作面地面远程控制等需求，UWB，5G，WiFi6均在煤矿井下获得了广泛应用^[13-15]。煤矿井下分别部署UWB，5G，WiFi6等系统，存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB，5G，WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站（以下统称基站）内，可有效解决上述问题，但一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间距离近，相互干扰大^[16-18]。

选择不同的工作频段，是解决一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。目前我国UWB工作频段为3.1～10.6 GHz。5G工作频段主要有700 MHz，900 MHz，2.5 GHz，3.5 GHz，4.8 GHz等。WiFi6工作在2.4 GHz和5 GHz频段。为与地面设备兼容，矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小，UWB工作频段选择范围较大（中心频率为400 MHz，3.5 GHz，4.0 GHz，4.5 GHz，6.5 GHz，7.0 GHz，7.5 GHz，8.0 GHz，8.5 GHz，9.0 GHz，9.5 GHz，10.0 GHz的多个频段）。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000，其中心频率为3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近，不宜选用。中心频率为4.0，4.5，6.5 GHz的3个频段的UWB，均与5G和WiFi6频段不相近，可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率^[19-21]。然而，目前未见有煤矿井下相关测试。本文在国能神东煤炭集团大柳塔煤矿副一大巷、副二大巷和辅运大巷进行测试，受实验设备最高频率为6 GHz的限制，对4.0，4.5，5.5，6.0 GHz 4个频段的路径损耗分别进行测试分析，提出了矿用UWB中心频率。

1.   测试环境

1.1   副一大巷

副一大巷如图1所示。巷道横截面近似为矩形、顶部略呈拱形，巷道内基本无杂物，管道架设在巷帮之上；横截面水平平均宽度为4.55 m，垂直高度为3.9 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。

图  1  副一大巷

Figure  1.  First sub-main roadway

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1.2   副二大巷

副二大巷如图2所示。巷道横截面为半弧形拱顶，巷道地面敷设有轨机车轨道，管道架设在巷道顶部；横截面水平平均宽度为4.7 m，中心附近垂直高度为4.1 m，距侧壁水平距离1/4处垂直方向平均高度为3.3 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。

图  2  副二大巷

Figure  2.  Second sub-main roadway

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1.3   辅运大巷

辅运大巷如图3所示。巷道横截面为矩形，部分空间有金属架等金属物体存在，巷道内管道较多，在巷帮和顶部均有架设；横截面水平平均宽度为5.6 m，垂直高度为4 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。

图  3  辅运大巷

Figure  3.  Auxiliary transportation roadway

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2.   测试方法

测试设备主要包括SMB100A信号发生器、N9918A手持式频谱仪、WB002天线+电缆、H−D100激光测距仪、天线支架等。测试设备布置如图4所示。将发射天线T固定在三脚架上，三脚架位于巷道径向水平方向中心位置，发射天线中心距地面高度H_t固定为2 m。发射天线通过4 m电缆与信号发生器连接，信号发生器在不同频段为天线提供25 dBm的发射功率。将接收天线R设置在距发射天线距离为D处，然后移动接收天线，使接收天线距发射天线距离D依次取1，3，5，7.5，10，12.5，15，20，25，30，60，90，120，150，180，210，240，270，300 m。接收天线通过6 m电缆和频谱仪连接，频谱仪读取的数据作为测试结果进行保存。

图  4  测试设备布置

Figure  4.  Test equipment layout

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在不同距离D的每个横截面上，接收天线中心分别位于A，B，C，F，E共5个空间点位上，如图5所示。在E，B（A，C），F空间点位的接收天线中心距地面高度分别为H₁，H₂，H₃，在E，B，F空间点位的接收天线距巷道壁两侧水平距离分别为L₁，L₂。在每个空间点位上分别对不同频段的接收功率进行测试，并保存测试数据。

图  5  巷道横截面测试点位

Figure  5.  Test points in roadway cross section

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每一个横截面上的5个空间点位均测试完毕后，增加收发天线之间的距离D，重复上述测试步骤，直至不同收发天线距离的横截面均测试完毕为止。副一大巷、副二大巷、辅运大巷横截面空间点位距离参数见表1。

表  1  巷道横截面空间点位距离参数

Table  1.  Spatial point distance parameter of roadway cross section m

巷道	L1	L2	H1	H2	H3
副一大巷	2.2	2.2	1	2	3
副二大巷	2.4	2.4	1	2	3
辅运大巷	2.8	2.8	1	2	3

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3.   测试结果及分析

在每种测试场景下，记录各空间点位的接收信号功率。由于发射天线和信号发生器之间有4 m长电缆、接收天线和频谱仪之间有6 m长电缆，所以在计算空间点位上实际接收功率时，需要在频谱仪读取的数据基础上，补偿总长10 m电缆的损耗。10 m电缆在各个频段上的实测损耗见表2。

表  2  10 m电缆损耗实测结果

Table  2.  Measured loss results of 10 m cable

中心频率/GHz	4.0	4.5	5.5	6.0
损耗/dB	9.0	9.6	10.8	11.4

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3.1   全路径损耗及分析

中心频率为4.0，4.5，5.5，6.0 GHz信号在副一大巷、副二大巷、辅运大巷各空间点位路径损耗测试结果分别如图6−图9所示。

图  6  4.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗

Figure  6.  Path loss at each spatial points of 4.0 GHz signal in different roadways

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图  7  4.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗

Figure  7.  Path loss at each spatial points of 4.5 GHz signal in different roadways

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图  8  5.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗

Figure  8.  Path loss at each spatial points of 5.5 GHz signal in different roadways

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图  9  6.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗

Figure  9.  Path loss at each spatial points of 6.0 GHz signal in different roadways

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由图6−图9可知：在副一大巷、副二大巷、辅运大巷3条巷道内，不同路径的信号传播情况总体趋势较为一致；在相同距离的截面上，不同路径传播信号的接收功率存在一定差别；各频段的路径损耗情况也不相同，随着信号中心频率增加，路径损耗有逐渐增大的趋势。

3.2   平均路径损耗及分析

将各截面5个空间点位的接收信号功率求取平均值，得到副一大巷、副二大巷和辅运大巷平均路径损耗，如图10所示。可看出信号频率越高，路径损耗越大。其中，中心频率为4.0，4.5，5.5 GHz的信号随频率增大，路径损耗增加明显；而中心频率为5.5，6.0 GHz的信号随频率增大，路径损耗增加不明显，这在副一大巷的测试结果中尤为明显。4.0 GHz信号的路径损耗最小，在其他条件相同的情况下，传输距离最远，既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题，又减少了基站数量和系统成本，便于使用与维护。因此，UWB中心频率应优选4.0 GHz。

图  10  不同巷道平均路径损耗

Figure  10.  Average path loss in different roadways

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4.   结语

目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000，其中心频率为3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近，不宜选用。中心频率为4.0，4.5，6.5 GHz的3个频段的UWB，均与5G和WiFi6频段不相近，可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明，4.0 GHz信号的路径损耗最小，在其他条件相同的情况下，传输距离最远，既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题，又减少了基站数量和系统成本，便于使用与维护。因此，UWB中心频率应优选4.0 GHz。