0.   引言

煤炭行业尤其是井工煤矿由于工作环境的特殊性，面临着危险高、事故多、从业人员断层严重等问题，因此，以少人化、无人化为特色的新型智能化生产方式成为当今煤矿发展的重要着力点^[1-2]。在该过程中，新一代5G移动通信技术凭借其大带宽、低时延、高可靠等优势，成为矿山智能化技术演进过程中的重要支撑，得到了众多学者、科研单位和高校的研究^[3-4]。在标准制定方面：中国矿业大学（北京）从能源行业的角度牵头研究制定了煤矿用5G通信系统标准，涵盖功能特性、技术要求、试验方法等^[5]；中国通信标准化协会从通信行业的角度制定了5G矿山行业专网通信标准体系，为矿用5G专网系列标准的制定明确了工作规划^[6]。在系统架构方面：王国法等^[7]研究了智慧矿山系统架构，探讨了现行标准对矿用5G基站性能的约束，并对应给出了提升发射功率阈值的方案；郝俊信^[8]研究了矿用5G装备远程控制技术，构建了感知技术和控制技术融合的5G智能综采远控系统。在技术特性方面：孙继平^[9]研究了矿用5G网络切面技术，针对矿用综合承载网技术要求，提出了适配的网络切片划分方案；李晨鑫^[10]研究了矿用无线覆盖增强关键技术，提出了基于多载波补充上行链路的传输速率提升方案和基于可重构智能超表面的覆盖距离增强方案。在技术应用方面：李晨鑫等^[11]研究了基于5G直连通信的矿井应急通信技术，提出了基于设备标志的直连通信时频资源映射方案；侯刚等^[12]研究了煤矿井下自动驾驶系统，提出了基于多传感器融合感知的车辆路径规划和智能调度方案。在装备与系统研发方面：康守信^[13]研究了矿用应急通信基站，提出了天线发射功率分配机制及本安化设计方案；柴尚东^[14]研究了带式输送机巡检系统，依托5G低时延大带宽传输能力实现了视频图像采集和智能分析。

当前矿用5G专网相关研究众多，但主要面向系统架构和上层应用，结合井下实际环境对矿用5G底层技术特性的研究成果相对较少。为实现矿用5G技术的高适配性发展和高可靠性应用，需重点研究井下矿用5G信号的基本传输特性。本文系统梳理了井下矿用5G覆盖性能的影响因素，对比分析了井工煤矿重点场所的矿用5G传输性能，结合现场测试进一步验证了理论分析结果，为后续矿用5G大规模应用落地提供了参考。

1.   矿用5G覆盖性能影响因素

通信信号作为信息的载体，以电磁波形式在空间传播，在该过程中因波速扩散效应会存在一定的能量损失^[15]。此外，非理想条件下散射和折射等会进一步导致能量损耗，且具有较大的随机性，进而影响通信信号的覆盖范围。相比于地面和露天煤矿等较为空旷的环境，井工煤矿存在空间受限、大型金属设备多等特点，导致井下矿用5G信号的覆盖性能进一步恶化^[16]，需针对井工煤矿的环境特点和影响因素对矿用5G的覆盖性能进行差异化分析。

1.1   工作频段

频谱作为无线通信的基础，所使用的工作频段会直接影响通信性能。自由空间的路径损耗为

式中：$ F $为信号频率；$ D $为信号传输距离。

从式（1）可看出，信号的路径损耗与传输距离、频段大小呈正比，同等条件下高频信号的路径损耗大于低频信号。

除自由空间的路径损耗之外，还需要综合考虑非理想条件下的影响因素。一方面，高频信号在经过障碍物时绕射能力较差，较低频信号的损耗更大；另一方面，需考虑空气中多种介质（如粉尘、水蒸气等）吸收电磁波导致的额外损耗，高频信号较低频信号更易受到空间中介质的影响，信号衰减更大。

井工煤矿中信号传输的基本特性与其他环境中基本一致，且相对恶劣的环境导致高频信号的衰减程度更大。综合分析可知，在煤矿环境下，工作频段越低，信号衰减越小，矿用5G的覆盖能力越强。

1.2   截面面积

文献[17]研究表明，信号衰减常数与巷道宽度/高度及巷道壁的材质有关，信号强度最低次水平极化$ {\alpha }_{{\mathrm{Eh}}} $和垂直极化$ {\alpha }_{{\mathrm{Ev}}} $分别为

式中：λ为电磁波波长；$ {\varepsilon }_{1} $，$ {\varepsilon }_{2} $分别为巷道壁和顶底板的相对介电常数；$ a $为巷道宽度；$ b $为巷道高度。

针对巷道截面变化，在900 MHz频段对信号衰减情况进行仿真，结果如图1所示。可看出在巷道宽度不变的情况下，信号强度衰减率随巷道高度的增大而减小；在巷道高度不变的情况下，信号强度衰减率随巷道宽度的增大而减小。由此可得，工作面或巷道截面面积越大，矿用5G的覆盖性能越好。

图  1  工作面或巷道截面面积与信号强度衰减率的关系

Figure  1.  The relationship between cross-section area of working face or roadway and signal decay rate

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1.3   粗糙度

电磁波在狭窄的巷道内传输时，会在巷道壁之间反复折射，巷道壁的粗糙程度会直接影响信号入射角和发射角之间的对应关系，从而影响信号的能量损耗。另一方面，不同粗糙程度的巷道壁对于信号极化特性的改变程度不同。学者类比光线传播特性对电磁波在巷道壁的反射进行了研究，得出多次折射后的综合损耗因子$ l $和衰减因数$ \alpha $^[18]：

式中$ {h}_{1} $，$ {h}_{2} $分别为巷道壁和顶底板的粗糙度均方根。

基于覆盖能力较强的900 MHz频段对衰减因子进行仿真。仿真中设置巷道宽度为5 m，对巷道高度2～6 m及粗糙度均方根0～0.2进行遍历，结果如图2所示。可看出信号强度衰减率随着粗糙度的增大而增大。因此，巷道壁的粗糙度越小，则矿用5G的覆盖性能越好。此外，仿真结果也可证明信号强度衰减率随着巷道截面面积的增大而减小。

图  2  巷道壁粗糙度和信号强度衰减率的对应关系

Figure  2.  The relationship between roughness of roadway and signal decay rate

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1.4   遮挡因素

考虑到收发两端的位置及传播路径上的遮挡物，信号的传播方式可分为以下3种。

1） 完全视距传输。收发两端之间不存在任何遮挡物，电磁波以直线传播方式到达接收端。该方式下信号能量损失最小，可达到的覆盖距离最大。

2） 近视距传输。收发两端之间存在不完全阻挡信号传输的障碍物（如树木），信号可通过衍射和透射等方式到达接收端，但存在一定程度的能量损耗。鉴于井下环境的复杂性，近视距传输暂不考虑。

3） 非视距传输。收发两端之间存在完全阻挡信号传输的障碍物（如楼宇、大型机械设备等），信号可通过反射和折射等方式到达接收端，但接收端接收到的信号能量较小。

国际通信标准化组织3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）暂未针对煤矿特殊场景进行信道建模。考虑到煤矿的主要特点为封闭空间且存在大量机械设备，可借鉴3GPP已定义的室内工厂场景进行类比分析。在设备较密的情况下，视距传输路径损耗$ {L}_{{\mathrm{LOS}}} $和非视距传输路径损耗$ {L}_{{\mathrm{NLOS}}} $分别为^[19]

式中：d_3D为发送设备和接收设备之间的3D距离；f_c为中心频率。

室内工厂场景下$ L $的计算公式为

同等条件下，非视距传输的路径损耗大于视距传输的路径损耗。针对煤矿井下遮挡因素较多的情况，非视距传输的概率更大，信号的衰减程度更严重，导致信号的覆盖距离进一步减小。

2.   煤矿重点场所矿用5G传输性能

井工煤矿基于工作目的和作业方式划分了不同的工作场所，包括主运巷道、辅运巷道、综采工作面、掘进工作面等。鉴于不同场所的生产装备和环境条件差异较大，矿用5G的传输性能会存在一定差异。为制定合理的矿用5G设备部署策略，需要结合矿用5G覆盖性能的多重影响因素，定性分析不同工作场所的矿用5G传输性能。

2.1   辅运巷道

辅运巷道是井下运输设备和人员的重要通道，主要车辆类型包括无轨胶轮车、柴油机胶轮车、齿轨机车等^[20]。借助矿用5G移动通信技术可以分阶段实现辅运车辆的自动驾驶，包括辅助驾驶、远程自动驾驶和协同式自动驾驶。一方面，车辆需要将视频摄像头、激光雷达、毫米波雷达等设备感知的环境信息及车辆自身运行状态信息通过蜂窝网络上行链路上传到远程控制平台或远程驾驶座舱等，从而系统性地掌握车辆自动驾驶所需的必要环境信息；另一方面，可以通过蜂窝网络下行链路下发高清地图信息及车辆远程操控指令等。此外，对于协作式自动驾驶，还可支持危险情况下的远程临时接管。

辅运巷道的高度和宽度常规可达5 m左右，长度可达数十千米，截面相比主运巷道有一定的提升。此外，辅运巷道可通过喷浆方式保持巷道壁平整，不存在较大浓度的粉尘和水汽等吸收电磁波的介质。同时，辅运巷道不会长时间存在大型机械设备，遮挡因素几乎可以忽略，相对空旷的环境有利于通信信号的传输。因此，辅运巷道的矿用5G传输性能较优。

2.2   主运巷道

主运巷道作为煤炭运输的主要通道，是煤矿生产重要的“动脉”，主要通过带式输送机将开采后的煤炭运送到处理区或中转站等，其工作效率直接影响煤炭产量^[20]。在主运巷道实现矿用5G信号覆盖，一方面可以通过蜂窝网络下行链路实现对带式输送机运行状态的远程控制，包括启停、紧急制动、运行速度及倾斜角度调整等；另一方面，可以通过蜂窝网络上行链路实现对带式输送机的远程监控。矿用监控设备可以将视频流信息汇聚到矿用数据终端或矿用5G模组，通过矿用5G专网传输到远程控制中心，进而对设备运行情况进行远程监控及危险监测警告，如带式输送机过速、跑煤、堆煤等。

主运巷道的宽度和高度一般为2.5 m，截面相对较小，信号传输过程中会存在较多的多径干扰，不利于信号传输。从粗糙度的角度，主运巷道的巷道壁平整度一般，且在煤炭运输过程中由于带式输送机、水泵等存在较多的遮挡因素，所以主运巷道的环境不利于矿用5G信号传输，宜采用低频段5G信号进行传输与覆盖，以降低矿用5G基站的部署密度。

2.3   综采工作面

综采工作面目前主要采用综合机械化设备进行煤炭开采，涵盖削煤、落煤、装煤、支护等多个流程的工作，是煤炭开采环节中重要的一环，也是煤矿智能化应用的关键区域^[21]。在综采工作面实现矿用5G网络覆盖既减轻了恶劣条件下人员的参与度，同时也可提升煤炭开采效率。一方面，通过矿用5G远程控制可以实现井下设备操作人员由装备列车到地面的转移，实现煤矿少人则安、无人则安。另一方面，通过蜂窝网络上行链路实现环境监控数据、设备运行参数及必要工作人员健康监测数据的上传，从而实现数据融合分析和危险情况实时预警等。

综采工作面的长度一般在150～300 m，采煤会造成煤壁的粗糙度相对较大，不利于信号折射。此外，在综采工作面存在采煤机、支架等大型机械化设备，对信号传输的遮挡较严重，存在大量的非视距传输。同时喷淋降尘会导致综采工作面的湿度较大，水汽对于电磁波尤其是高频段电磁波的吸收能力较强，也会导致通信信号衰减。综合分析，综采工作面的环境条件不利于矿用5G网络长距离覆盖，宜采用1 GHz以下低频段进行5G信号传输与覆盖，以降低矿用5G基站的部署密度。

2.4   掘进工作面

掘进作为综采的前提，通过掘进机或掘锚一体机等设备打通连接到地下煤层的巷道，涉及掘进、割煤、出矸等工序。由于地质条件的不确定性，一般掘进工作面的工作环境较综采工作面更恶劣，不确定因素更复杂，所以对依托于矿用5G专网的智能化应用的需求更高。一方面，可以通过矿用5G专网实现对掘进设备的远程控制，从而降低恶劣工作环境下人员的参与度，实现无人化掘进、运输、支护等；另一方面，除了设备运行相关的工况数据之外，还可将“三气体”（一氧化碳、甲烷、氧气）浓度、温度等环境监测数据同步上传到集控中心，从而进行超阈值告警等。

掘进工作面的高度和宽度一般在5 m之内，截面较小，且存在煤层、岩层等多种地质结构，对通信信号的传输产生不利影响。在狭小的空间内存在掘进机、支护设备等通信信号传输的遮挡因素。此外，掘进工作面的防尘措施，如湿法除尘、喷雾降尘等，会造成高湿度的环境，通信信号的衰减率将会大大增加。因此，理论分析认为掘进工作面的矿用5G覆盖性能不及辅运巷道，宜采用低频段5G信号进行传输与覆盖，以降低矿用5G基站的部署密度。

煤矿重点场所矿用5G覆盖性能影响因素对比见表1。

表  1  煤矿重点场所矿用5G覆盖性能影响因素对比

Table  1.  Comparison of factors influencing 5G coverage performance in key coal mine areas

场所	典型大小	设备类型	巷道粗糙度	其他因素
主运巷道	宽度和高度一般 为2.5 m	带式输送机、 水泵等	平整度一般	—
辅运巷道	宽度和高度一般 为5 m，长度最大 可达数十千米	不同类型 的车辆	较为平整	—
综采工作面	长度一般在 150～300 m	采煤机、支护 设备等	较为粗糙	粉尘、水汽
掘进工作面	高度和宽度一 般在5 m之内	掘进机、支护 设备等	较为粗糙	粉尘、水汽

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3.   现场测试

为充分验证矿用5G覆盖性能，选取4个煤矿的不同工作场所，通过部署矿用通信终端和矿用通信基站，实现不同场景下的通信性能测试，包括矿用5G上行传输速率、极限覆盖距离等。测试频段为国家无线电管理机构最新重耕的900 MHz 5G频段，测试带宽为15 MHz，测试目标为实现远距离覆盖，为后续制定矿用通信装备部署策略提供参考。

3.1   辅运巷道

辅运巷道的矿用5G传输性能在煤矿1的辅运巷道进行测试，测试场地在450 m内地面相对平整，450 m之外存在一定程度的地面高低起伏。测试过程中，将矿用低频模组部署在距矿用5G基站700 m范围内进行上行传输速率的测试，测试环境如图3所示，测试结果如图4所示。可看出400 m处的上行传输速率为83 Mbit/s，450 m之后出现地面高低起伏后，传输速率快速下降，之后相对稳定下降，700 m处的上行传输速率为4 Mbit/s，极限覆盖距离超过700 m。

图  3  煤矿1辅运巷道现场测试环境

Figure  3.  Field testing environment of auxiliary transportation roadway in Coal Mine 1

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图  4  煤矿1辅运巷道测试结果

Figure  4.  Testing results of auxiliary transport roadway in Coal Mine 1

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3.2   主运巷道

在煤矿2的106中区主运巷道开展矿用5G传输性能测试，结果如图5所示。可看出矿用900 MHz模组距矿用5G基站400 m处上行传输速率可达32.3 Mbit/s，极限覆盖距离可达450 m左右。

图  5  煤矿2主运巷道测试结果

Figure  5.  Testing results of main transport roadway in Coal Mine 2

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3.3   综采工作面

综采工作面的矿用5G传输性能在煤矿3的12201综采工作面进行测试。工作面全长约250 m，高度1.7 m左右，共部署147台液压支架，支架间隔约1.7 m，分别在第26台和第131台液压支架上部署矿用5G基站，在第8，38，68，98，128，141台液压支架上部署矿用模组并进行上行传输速率测试。测试环境如图6所示，测试结果如图7所示。可看出各终端的上行传输速率基本为90～120 Mbit/s，可实现综采工作面矿用5G信号的稳定覆盖。

图  6  煤矿3综采工作面现场测试环境

Figure  6.  Field testing environment of fully mechanized mining face in Coal Mine 3

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图  7  煤矿3综采工作面现场测试结果

Figure  7.  Testing results of fully mechanized mining face in Coal Mine 3

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3.4   掘进工作面

掘进工作面的矿用5G传输性能在煤矿4的掘进工作面进行测试。测试过程中掘进长度为150 m，每隔50 m部署1台矿用5G模组，测试上行传输速率。测试环境如图8所示，测试结果如图9所示。可看出距矿用5G通信基站150 m处上行传输速率为68.2 Mbit/s。

图  8  煤矿4掘进工作面现场测试环境

Figure  8.  Field testing environment of excavation working face in Coal Mine 4

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图  9  煤矿4掘进工作面测试结果

Figure  9.  Testing results of excavation working face in Coal Mine 4

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现场测试结果与理论分析结果基本一致，各工作场所的矿用5G网络覆盖均可满足日常应用需求，其中辅运巷道由于信号传输条件较优，实现了最佳的矿用5G传输性能。

4.   结论

1） 分析了井下影响矿用5G传输性能的多重因素，通过理论分析及仿真得出结论：工作频段越低，工作面或巷道截面面积越大，巷道壁粗糙度越小，遮挡因素越少，则矿用5G传输性能越好。

2） 定性分析了井工煤矿不同工作场所的矿用5G覆盖性能。相较于宽敞、巷道壁平整、遮挡因素较少的辅运巷道，主运巷道、综采工作面和掘进工作面均会因为大型机械设备遮挡、巷道壁较为粗糙、粉尘和水汽等因素影响信号的传输性能和覆盖距离。

3） 采用15 MHz载波的900 MHz频段在4个煤矿的不同工作场所开展现场测试。煤矿1的辅运巷道测试结果显示，矿用5G模组距矿用5G基站400 m处上行传输速率可达83 Mbit/s，极限覆盖距离超过700 m；煤矿2的106中区主运巷道测试结果显示，距矿用5G基站400 m处上行传输速率达32.3 Mbit/s，满足无人化机器人巡检的无线传输需求，极限覆盖距离超过450 m；煤矿3的综采工作面测试结果显示，工作面上行传输速率均在90～120 Mbit/s之间；煤矿4的掘进工作面测试结果显示，距矿用5G基站150 m处上行传输速率可达68.2 Mbit/s。

4） 为了实现井下各类环境5G连续稳定覆盖，宜采用1 GHz以下的低频段5G信号进行传输与覆盖，并可采用小型化模组嵌入关键设备中实现设备无线化传输，有效实现井下5G应用场景的构建。