煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求和檢驗方法

鄭小磊， 梁宏

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.國家安全生產(chǎn)常州礦用通訊監(jiān)控設(shè)備檢測檢驗中心， 江蘇 常州 213015)

0 引言

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術(shù)[1]。與4G相比，5G采用大規(guī)模多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)、上下行解耦、波束成形、密集網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)了更快網(wǎng)速和更大網(wǎng)絡(luò)容量[2]，具有傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、時延低、可靠性高﹑容量大等優(yōu)勢[3]，成為特殊行業(yè)機器人、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實、超清視頻、設(shè)備遠程操控、礦井安全監(jiān)測等應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)[4]。

目前，煤礦正處于由人力勞動、機械化向信息化、自動化、智能化升級轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。5G技術(shù)將發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，賦能煤礦生產(chǎn)管理新范式，加速綠色、高效、安全的智慧礦山建設(shè)[5]。由于煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，直接將地面5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下有很大的安全風(fēng)險。根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》和《煤礦安全規(guī)程》等的規(guī)定，納入安全標志管理未取得煤礦礦用產(chǎn)品安全標志的產(chǎn)品不得使用[6]。因此，用于煤礦井下的5G通信系統(tǒng)必須取得安全標志證書。

安標國家礦用產(chǎn)品安全標志中心于2020年6月17日發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求、安全標志管理方案的通知》，確定了5G通信系統(tǒng)的煤礦行業(yè)準入準則。2020年7月到8月，安標國家礦用產(chǎn)品安全標志中心按照新產(chǎn)品審核發(fā)放模式，陸續(xù)發(fā)放了KT606(5G)礦用無線通信系統(tǒng)、KT28E(5G)礦用無線通信系統(tǒng)和KT659(5G)礦用無線通信系統(tǒng)的安全標志證書。煤礦5G通信系統(tǒng)安全標志證書的發(fā)放，標志著5G技術(shù)正式開始應(yīng)用于煤礦井下。由于5G是新技術(shù)，目前取證的產(chǎn)品沒有針對煤礦井下安全生產(chǎn)特點進行研發(fā)，而是對地面5G產(chǎn)品進行了防爆改造，僅用于礦井語音通信和視頻圖像傳輸[7]。

根據(jù)現(xiàn)行的管理方案，煤礦5G通信系統(tǒng)設(shè)備中，重點關(guān)注下井的5G基站和5G終端，其他傳輸類設(shè)備為常規(guī)礦用設(shè)備，本文不再論述。對于5G基站和5G終端，重點關(guān)注5G技術(shù)指標的檢驗和防爆安全要求；對于5G通信系統(tǒng)，重點關(guān)注組網(wǎng)方式判別、核心網(wǎng)檢驗和抗干擾性能檢驗；系統(tǒng)和單機的其他常規(guī)技術(shù)要求本文不再論述。

1 煤礦5G通信系統(tǒng)安標管理方案

煤礦5G通信系統(tǒng)按照安標新產(chǎn)品審核發(fā)放模式Ⅱ進行審核和發(fā)放。在滿足《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求》和《礦用產(chǎn)品安全標志審核發(fā)放實施規(guī)則(通訊系統(tǒng)及裝置)》(ABGZ-MA-HAA-2017-01)的前提下，發(fā)放2 a有效期的安全標志新產(chǎn)品證書。隨著煤礦5G技術(shù)的發(fā)展，安標管理方案可能會作出相應(yīng)調(diào)整。

煤 礦5G通信系統(tǒng)產(chǎn)品名稱型號執(zhí)行MT 286—1992 《煤礦通信、自動化產(chǎn)品型號編制方法和管理方法》的規(guī)定，對于符合要求的煤礦5G通信系統(tǒng)及組成設(shè)備，在原型號后加(5G)以示區(qū)別，例如KT28E(5G)和KT659(5G)。

煤礦5G通信系統(tǒng)接入公網(wǎng)的設(shè)備應(yīng)按國家有關(guān)規(guī)定取得進網(wǎng)許可證，在原型機上進行防爆改造后接入公網(wǎng)的設(shè)備，應(yīng)在受控件明細表中注明原型機的名稱、型號和進網(wǎng)許可證號，受控類別為C類。

有源天線應(yīng)單獨申辦礦用產(chǎn)品安全標志，產(chǎn)品名稱規(guī)范為“功率放大器”。無源天線暫不辦理安全標志，作為基站的受控部件，其技術(shù)指標應(yīng)在基站技術(shù)文件中明確。

在保證安全性能和降低風(fēng)險的前提下，開展煤礦井下5G產(chǎn)品安標申請的受理和審核發(fā)放工作，滿足了企業(yè)取得煤礦5G通信系統(tǒng)安標證書的需求。

2 煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求

2.1 基本要求

煤礦5G通信系統(tǒng)和組成設(shè)備性能要滿足《煤礦安全規(guī)程》、MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統(tǒng)通用技術(shù)條件》、MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》、GB 3836系列標準等的規(guī)定，同時滿足井上和井下的安全隔離要求。這是基本要求，其他無線通信系統(tǒng)同樣要滿足。

2.2 組網(wǎng)要求

煤礦5G通信系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)獨立組網(wǎng)、獨立運行，在外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷開時，應(yīng)能安全、獨立、穩(wěn)定運行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊⒎€(wěn)定。這是煤礦5G通信系統(tǒng)的特殊要求，在送審前需要自行評估是否滿足要求。不管是否接入公網(wǎng)，獨立組網(wǎng)、專網(wǎng)運行是前提條件。如果要接入公網(wǎng)才能實現(xiàn)系統(tǒng)功能，則不滿足安標技術(shù)要求。

2.3 5G通信技術(shù)要求

(1) 組網(wǎng)方式：分為非獨立組網(wǎng)(NSA)和獨立組網(wǎng)(SA)2種[8]。

(2) 通信類別及制式：5G NR。

(3) 工作頻段：應(yīng)為國家允許頻段范圍，相關(guān)信息應(yīng)在產(chǎn)品技術(shù)文件中明確，如果設(shè)備工作時應(yīng)用了不同的無線通信類別、制式及頻段，應(yīng)分別進行說明。目前國家已經(jīng)公布的頻段如下。中國移動：2 515～2 675，4 800～4 900 MHz；中國電信：3 400～3 500 MHz；中國聯(lián)通：3 500～3 600 MHz；中國廣電：698～806，4 900～5 000 MHz。

(4) 基站和終端的技術(shù)性能參數(shù)：基站和終端需要明確最大輸出功率、發(fā)射端口數(shù)量、配接天線數(shù)量及配接方式、天線特性(如MIMO、全向或定向、增益、功率放大等)、接收靈敏度、在無遮擋情況下無線信號的最大通信距離等性能參數(shù)。

(5) 進網(wǎng)許可證：國家對接入公用電信網(wǎng)使用的電信終端設(shè)備、無線電通信設(shè)備和涉及網(wǎng)間互聯(lián)的電信設(shè)備實行進網(wǎng)許可制度。未獲得工信部頒發(fā)的進網(wǎng)許可證的設(shè)備，不得接入公用電信網(wǎng)使用和在國內(nèi)銷售。因此，接入公網(wǎng)的設(shè)備應(yīng)按國家有關(guān)規(guī)定取得進網(wǎng)許可證。

2.4 防爆安全要求

本節(jié)主要是針對5G基站和5G終端的防爆安全要求，核心要求是射頻閾功率。閾功率是指發(fā)射機的有效輸出功率與天線增益的乘積。

(1) 射頻閾功率。系統(tǒng)中組成設(shè)備的發(fā)射閾功率應(yīng)滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》中6.6.1節(jié)的規(guī)定[9]。技術(shù)文件中應(yīng)明確可能產(chǎn)生的最大發(fā)射閾功率、嚴酷條件及確定依據(jù)。對于采用多天線的設(shè)備，應(yīng)考慮無線信號的疊加，明確無線信號疊加的最嚴酷條件及確定依據(jù)。根據(jù)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》的規(guī)定，發(fā)射閾功率以硬件(包括固化不可調(diào)的程序)的最大值為依據(jù)。

(2) 天線要求。具備增益功能的天線，增益后的發(fā)射閾功率應(yīng)滿足防爆安全要求。在技術(shù)文件中應(yīng)明確天線的具體指標，至少應(yīng)包括天線類型(無源或有源)、天線類別(單極化、雙極化、陣列天線等)、覆蓋方向(全向、定向等)等參數(shù)，明確天線增益，單極化天線、雙極化天線和陣列天線等要明確各端口增益，如為有源天線，需明確功率放大倍數(shù)。由于目前5G采用的是多天線技術(shù)手段，存在射頻功率疊加的問題，檢驗中心和企業(yè)需要考慮多射頻端口功率疊加的問題，疊加后的總閾功率不能超過6 W。同時，不允許企業(yè)通過軟件降低發(fā)射功率的手段來滿足閾功率不大于6 W的要求。

2.5 抗干擾要求

僅用于語音通信及視頻信號傳輸?shù)拿旱V5G通信系統(tǒng)應(yīng)滿足MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中的電磁兼容試驗要求。如果防爆改造前的原型機已取得進網(wǎng)許可證，可根據(jù)防爆改造具體實施情況，在電磁兼容評定的基礎(chǔ)上確定電磁兼容試驗。

2.6 重點關(guān)注問題

(1) 獨立組網(wǎng)要求：不論煤礦5G通信系統(tǒng)是否接入公網(wǎng)，都需要滿足獨立組網(wǎng)、獨立運行的要求。如果需要接入公網(wǎng)，建議選型的時候選擇帶入網(wǎng)許可證的產(chǎn)品。

(2) 5G基站的選型：在滿足使用需求的前提下，必須滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》中閾功率的限值要求，同時還要考慮多射頻端口的無線功率疊加問題。因此，在基站選型時，要特別注意發(fā)射功率，比如華為微站Book RRU，其自身的標稱發(fā)射功率就達到10 W，還沒算上天線的增益，已經(jīng)不能滿足閾功率要求。

(3) 5G基站配套天線的選型：閾功率是有效輸出功率與天線增益的乘積，因此，在選定基站型號后，要選擇合適增益的天線，經(jīng)天線增益后的疊加總閾功率不能超過6 W。

(4) 抗干擾要求：煤礦5G通信系統(tǒng)在設(shè)計階段就要考慮抗干擾要求，避免后續(xù)反復(fù)試驗。如果試驗時發(fā)現(xiàn)樣機不能滿足要求，可能需要在設(shè)計層面進行整改，會影響整體檢驗進度。

(5) 后備電源的配備：雖然MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統(tǒng)通用技術(shù)條件》僅對基站的后備電源進行了要求，但建議送審時考慮井下其他設(shè)備的后備電源問題。如果僅基站配備后備電源，其他設(shè)備不配備后備電源，則無線通信系統(tǒng)在斷電后無法正常工作。目前井下設(shè)備均為大功耗設(shè)備，普通電池不能完全滿足使用時間要求，建議配備井下大容量隔爆型不間斷電源作為后備電源。

3 煤礦5G通信系統(tǒng)檢驗方法

3.1 煤礦5G通信系統(tǒng)的組成

典型的煤礦5G通信系統(tǒng)主要由5G核心網(wǎng)、基站控制器(Base Station Controller，BBU)、基站接入器(匯聚站)、礦用5G基站、礦用5G終端(包含手機和客戶前置設(shè)備(Customer Premise Equipment，CPE))等組成，如圖1所示。

圖1 典型的煤礦5G通信系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 檢驗環(huán)境和儀器

針對煤礦5G通信系統(tǒng)，應(yīng)選用符合要求的電磁屏蔽室和電波暗室作為檢驗環(huán)境，以排除外界的電磁波干擾。

測量無線信號制式的5G信號分析儀的測量頻率范圍應(yīng)滿足要求，特別注意分析帶寬要大于測量信號帶寬。目前在用的5G信號的最大帶寬為160 MHz，因此，建議選擇測量帶寬為200 MHz的測量設(shè)備。

其他通用型測量儀器如萬用表、光功率計、測距儀、示波器等應(yīng)滿足相關(guān)標準和量值溯源的要求。

3.3 系統(tǒng)檢驗方法

3.3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方式判別

根據(jù)第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)的組網(wǎng)方式定義，核查系統(tǒng)的實際組網(wǎng)方式與標準系統(tǒng)構(gòu)架圖的一致性，初步判斷系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。將專用測試終端的入網(wǎng)模式調(diào)整為NSA或SA模式，根據(jù)系統(tǒng)能否正常通信來判斷其組網(wǎng)方式。

3.3.2 核心網(wǎng)檢驗

以企業(yè)的5G獨立核心網(wǎng)設(shè)備為基礎(chǔ)搭建5G專用網(wǎng)絡(luò)，不與公網(wǎng)連接。用專用5G手機終端(用系統(tǒng)專用卡)測試5G數(shù)據(jù)通信功能，判斷該核心網(wǎng)是否為5G獨立核心網(wǎng)。如果系統(tǒng)需要接入公網(wǎng)，則在以上檢驗的基礎(chǔ)上，跳過5G獨立核心網(wǎng)設(shè)備，用基站或基站控制器直接連接國內(nèi)運營商5G專線網(wǎng)絡(luò)，通過裝有運營商手機卡的專用5G手機終端進行檢測，判斷該系統(tǒng)是否具備公網(wǎng)5G數(shù)據(jù)通信功能。

3.3.3 抗干擾性能檢驗

針對僅用于語音通信及視頻信號傳輸?shù)拿旱V5G通信系統(tǒng)，應(yīng)按照MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中5.9節(jié)要求的抗干擾性能進行試驗，即不低于1級的射頻電磁場輻射抗擾度試驗、不低于1級的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、不低于1級的浪涌(沖擊)抗擾度試驗，試驗中可出現(xiàn)下降或失效，但試驗結(jié)束后系統(tǒng)無需人為干預(yù)即可自行恢復(fù)[10]。

針對對實時性、可靠性要求較高的煤礦5G通信系統(tǒng)，應(yīng)參照執(zhí)行AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》中電磁兼容的相關(guān)規(guī)定。

3.3.4 其他技術(shù)指標和功能

其他技術(shù)指標和功能按MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統(tǒng)通用技術(shù)條件》有關(guān)要求進行試驗。

3.4 5G基站和終端檢驗方法

3.4.1 5G技術(shù)指標的檢驗

(1) 通信類別及制式檢驗。目前礦用5G基站是對地面5G基站直接進行防爆改造，將RRU放置于隔爆外殼后，對射頻端口進行本質(zhì)安全處理，通過煤礦用射頻同軸電纜將射頻信號引出后接入天線進行發(fā)射。針對這種天線外置的設(shè)備，可以通過射頻電纜直接連接5G信號分析儀的方式來直接測量。在電磁屏蔽室中，將5G信號分析儀調(diào)到NR (5G)檔位，通過射頻電纜連接基站，觀察5G信號分析儀能否正確解調(diào)5G NR信號，并結(jié)合波形圖、星座圖、誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)等指標來綜合判定通信類別與制式。

針對無天線的手機等終端，可以通過在屏蔽室中與經(jīng)過通信類別及制式檢驗的基站進行雙向通信來輔助驗證。

(2) 工作頻段及最大有效輸出功率檢驗。對于基站和有天線的終端設(shè)備，通過饋線直接引入5G信號分析儀，將被測設(shè)備配置為專用的測試模式，確保滿容量最大發(fā)射功率發(fā)射，通過儀器直接讀取信道功率和工作頻段。

針對無天線的終端類，如果終端不具備測試端口，則將手持終端放置于電波暗室轉(zhuǎn)臺桌子上，按照水平、垂直方向放置并分別旋轉(zhuǎn)360°，用信號分析儀掃描其信道功率(保持最大值狀態(tài)下)，記錄最大發(fā)射功率值和工作頻段。

(3) 天線參數(shù)檢驗。有源天線：作為獨立產(chǎn)品，應(yīng)單獨辦理礦用產(chǎn)品安全標志，并按相關(guān)標準進行檢驗。檢驗過程中，通過圖紙和樣品核實方式，確定有源天線是否存在放大可調(diào)情況，如果存在，應(yīng)確定天線最大可調(diào)范圍。

無源天線：應(yīng)按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及圖紙要求，嚴格核查天線是否存在有源電路或?qū)嶋H為有源天線。如果存在有源電路，應(yīng)按有源天線方案審查；如果為無源天線，則進行目測和內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查，并核查通過中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認證、中國計量認證(CMA)的第三方檢測檢驗機構(gòu)出具的3 a內(nèi)的天線檢測報告，進行增益、單極化、雙極化等類別判斷及定向和全向天線等的核實。

3.4.2 閾功率的計算

對于無天線的終端類設(shè)備，閾功率即為最大有效輸出功率。針對有天線的多端口基站類設(shè)備，閾功率計算方法如下：

(1) 非陣列天線：假設(shè)射頻通道數(shù)量為N，天線前端處有效輸出功率均為Pe，對應(yīng)天線增益均為GT，閾功率為Pth，則發(fā)射端電磁波的最大閾功率為NPth，即NPeGT。

3.4.3 其他技術(shù)指標

其他技術(shù)指標按MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》和GB 3836系列標準中的有關(guān)要求進行試驗。

4 問題探討

4.1 煤礦5G通信系統(tǒng)管理問題

目前已經(jīng)取得安標證書的僅為5G無線通信系統(tǒng)，但是5G作為煤礦井下的“新基建”，如果僅用于語音通信及視頻信號傳輸，將不能充分發(fā)揮5G的技術(shù)優(yōu)勢，造成資源的極大浪費。隨著5G應(yīng)用場景的不斷豐富，相關(guān)管理機構(gòu)和檢驗機構(gòu)需要提早進行調(diào)研和規(guī)劃，盡快制定應(yīng)用于遠程操控、無人駕駛等方面的5G產(chǎn)品的審核發(fā)放規(guī)則和檢驗方法。

針對已經(jīng)取得安標證書的煤礦5G通信系統(tǒng)，需要密切追蹤井下實際使用情況，如果發(fā)現(xiàn)存在安全隱患和風(fēng)險，應(yīng)及時調(diào)整審核發(fā)放規(guī)則和檢驗方法。

4.2 5G基站多天線功率疊加后閾功率的計算問題

目前多天線基站的閾功率計算采用的是簡單而粗暴的直接疊加方式。雖然從防爆安全角度來說，這是最安全有效的方法，但是直接疊加造成的后果是基站的5G射頻發(fā)射功率被限制得很小。

現(xiàn)在井下5G基站普遍采用的是標稱發(fā)射功率為250 mW的微基站，經(jīng)過防爆改造后，考慮饋線損耗和隔離元器件的損耗，實際發(fā)射功率更小，實際測試最大通信距離僅為100～200 m，邊緣傳輸速率只有10 Mbit/s左右。井下布置5G基站的時候，由于傳輸距離較短，基站布置密度大，增加了組網(wǎng)成本和維護工作量。

因此，應(yīng)盡快研究科學(xué)合理的功率疊加模型，以促進煤礦5G技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。

4.3 抗干擾技術(shù)難點

采用電容和電感濾波是提高設(shè)備抗干擾能力的常見而有效的方法。但是，電容和電感是儲能元件，在進行本質(zhì)安全處理時必須限制電容和電感值。因此，在滿足防爆本質(zhì)安全要求的前提下提高煤礦5G通信系統(tǒng)的抗干擾能力，是亟需解決的技術(shù)難題。

4.4 傳輸速率和時延的技術(shù)要求和檢驗方法

目前煤礦行業(yè)未對5G通信系統(tǒng)的傳輸速率和時延提出要求，因為現(xiàn)有的5G技術(shù)主要用于無線通信，對傳輸速率和時延要求不高。隨著煤礦5G技術(shù)的不斷發(fā)展，5G技術(shù)后續(xù)將會應(yīng)用于遠程控制、無人駕駛、機器人巡檢等場景，這些應(yīng)用場景對傳輸速率和時延要求非常高。因此，應(yīng)盡快開展相關(guān)試驗設(shè)備調(diào)研和檢驗方法的研究工作。

4.5 天線一體化基站的檢驗

由于功耗等原因，目前煤礦井下5G基站是通過增加隔爆外殼的方式來實現(xiàn)防爆改造。由于金屬外殼的屏蔽作用，無線信號不能有效輸出，必須通過饋線將信號引出至天線進行發(fā)射。這種結(jié)構(gòu)的基站可以采用通過饋線接入5G信號測試儀的方式來測試。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)可能會出現(xiàn)天線與基站深度融合的一體化基站，這種基站無法采用常規(guī)的饋線測試方法，必須提前研究空中下載(Over-The-Air，OTA)測試方法[11]。

4.6 礦用5G上下行帶寬存在的問題

地面用5G設(shè)備主要用于下載數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)的需求沒有下載大，因此，地面用5G技術(shù)具有下行帶寬遠大于上行帶寬的技術(shù)特點。礦用5G設(shè)備主要用來上傳井下數(shù)據(jù)，上行帶寬需求遠大于下行帶寬。因此，需對地面用5G設(shè)備的上下行帶寬進行改造才能滿足煤礦使用需求。

5 結(jié)語

介紹了煤礦5G通信系統(tǒng)安標管理方案，針對煤礦5G通信系統(tǒng)現(xiàn)行的安全技術(shù)要求進行了論述，指出應(yīng)重點關(guān)注獨立組網(wǎng)要求、5G基站的選型、5G基站配套天線的選型、抗干擾要求、后備電源的配備。對煤礦5G通信系統(tǒng)、5G基站和終端的檢驗方法進行了研究，并對后續(xù)5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦的一些難點進行了分析。本文的分析和研究有助于送審企業(yè)提前熟悉煤礦5G通信系統(tǒng)技術(shù)要求和檢驗要求，縮短送審周期，為煤礦5G技術(shù)的發(fā)展貢獻力量。