礦井無線傳輸測試分析與礦用5G優選工作頻段研究

關鍵詞：礦井無線傳輸；無線工作頻段；5G；基站布置；天線設置

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0引言

5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee等礦井移動通信系統、人員和車輛定位系統等的研發和布置，需進行礦井無線傳輸特性分析，優選無線工作頻段，優化無線通信基站和定位分站布置，在保證通信效果的前提下，減少無線通信基站和定位分站數量，降低系統成本和維護工作量[1-4]。國家標準GB/T3836.1—2021《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》[5]無線電波發射功率不得大于6W的限制，制約了礦井無線傳輸距離，增加了無線通信基站和定位分站的用量，增大了系統建設成本和維護工作量[6-11]。在無線電波發射功率受限、接收靈敏度一定的情況下，選擇衰減較小的無線傳輸頻段，可有效提高單個無線通信基站和定位分站的無線信號覆蓋范圍，減小無線通信基站和定位分站的用量，降低系統建設成本和維護工作量[12-13]。目前通過理論分析和電磁仿真研究礦井無線傳輸衰減的較多，但誤差較大；礦井現場測試分析的較少，難以滿足優化無線工作頻段及無線通信基站和定位分站布置的需求[14-16]。因此，筆者進行了350MHz～6GHz較大頻率范圍的煤礦井下無線傳輸測試，并對測試結果進行了分析研究，揭示了礦井無線傳輸特性，提出了煤礦井下無線通信系統（以下簡稱礦用無線通信系統）的優選工作頻段。

1礦井測試環境與測試方法

1.1測試環境

筆者于2023年6月在國家能源集團寧夏煤業有限責任公司羊場灣煤礦進行了350MHz～6GHz頻段的無線傳輸測試，測試地點情況如下：①寬度為5.5m、高度為4.1m的半圓拱形+矩形斷面（以下簡稱半圓拱形斷面）拐彎巷道，拐彎巷道的拐角為66°，測試長度為40m，如圖1（a）和圖1（b）所示。②寬度為5.5m、高度為4.1m的半圓拱形斷面分支巷道，分支巷道為直角T字型，測試長度為40m，如圖1（a）和圖1（c）所示。③寬度為5.6m、高度為4.6m的半圓拱形斷面輔助運輸大巷（以下簡稱輔運大巷1），平直段測試長度為410m，如圖1（d）所示。④寬度為3.8m、高度為3.6m的半圓拱形斷面輔助運輸大巷（以下簡稱輔運大巷2），平直段測試長度為200m，如圖1（e）所示。⑤寬度為5.4m、高度為3.4m的梯形斷面掘進巷道，掘進巷道一側安裝有寬2m的帶式輸送機，平直段測試長度為500m，如圖1（f）所示。⑥下底寬度為3.4m、上底寬度為3.1m、高度為1.7m的梯形斷面綜采工作面，綜采工作面平均坡度為10°，測試長度為98m，如圖1（g）所示。

1.2測試設備及測試方法

測試設備：1臺便攜式射頻信號發生器BPSG6，其發射頻段為23.5MHz～6GHz，最大發射功率為+18dBm；1臺便攜式實時頻譜分析儀V6?RSA250X，其測量頻段為10MHz～6GHz，最大實時帶寬為80MHz，顯示平均噪聲電平為?170dBm/Hz；2根對數周期天線TN306，其工作頻段為350MHz～8GHz，典型增益為6dBi；1根長0.3m的SMA射頻饋線、1根長1m的SMA射頻饋線、2個高2.06m的可伸縮三角支架和2臺筆記本電腦。

根據礦用5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee等礦井人員定位系統[17]、移動通信系統[18-21]、無線視頻和無線傳感器使用頻段，無線傳輸測試頻點選擇350，433，550，700，800，900，1300，1700，1900，2100，2400，2600，3300，3500，4200，4900，5400，6000MHz。

礦井拐彎巷道、分支巷道、輔助運輸大巷、掘進巷道、綜采工作面的測試設備布置如圖2所示。在無線發射端，將固定在可伸縮三腳架上的便攜式射頻信號發生器通過射頻饋線與對數周期天線相連，并通過數據線與筆記本電腦連接，使用筆記本電腦上預裝的AaroniaAG?HFGenerator軟件設置射頻信號的頻率和功率。在無線接收端，將便攜式實時頻譜分析儀通過射頻饋線與對數周期天線連接，并通過數據線與筆記本電腦連接，使用筆記本電腦上預裝的AaroniaRTSA?SuitePRO軟件實時記錄無線傳輸接收功率測試值。發射設備及發射天線固定不動，設定頻率和發射功率為某一定值，沿巷道軸向移動接收設備及接收天線，并在每個測試點處測試100個數據取平均值，即為該測試點無線傳輸接收功率。

2拐彎巷道無線傳輸測試分析及優選工作頻段

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于拐彎巷道斷面中央，將便攜式射頻信號發生器的輸出功率設置為+13dBm。如圖3所示，將發射天線置于巷道拐點前20m處，并將接收天線分別置于拐點后4，8，12，16，20m處（即收發天線分別相距24，28，32，36，40m），測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表1，曲線如圖4所示。

為了便于分析，將拐彎巷道中拐點后20m內的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到拐彎巷道中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表2。

由表1、表2和圖4可知，從整體趨勢來看，在350MHz～6GHz頻段，無線傳輸頻率越高，拐彎巷道的平均接收功率越低，即頻率越低，拐彎巷道的無線傳輸衰減越小。拐彎巷道在350MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，拐彎巷道中的無線傳輸平均接收功率最大值為?31.42dBm（對應頻率為350MHz），在350MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?39.33dBm。因此，在350MHz～6GHz頻段，拐彎巷道中礦用無線通信系統的無線工作頻段應優選350MHz～900MHz。

3分支巷道無線傳輸測試分析及優選工作頻段

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于分支巷道斷面中央，將便攜式射頻信號發生器的輸出功率設置為+13dBm。分支巷道的無線傳輸測試分為支巷發射和主巷發射2種測試。①支巷發射測試：將發射天線置于距分支點20m的支巷道中，如圖5（a）所示，接收天線分別置于距分支點4，8，12，16，20m的主巷道中（即收發天線分別相距24，28，32，36，40m），測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表3，曲線如圖6所示。②主巷發射測試：將發射天線置于距分支點20m的主巷道中，如圖5（b）所示，接收天線分別置于距分支點4，8，12，16，20m的支巷道中（即收發天線分別相距24，28，32，36，40m），測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表4，曲線如圖7所示。

為便于分析，將分支巷道中分支點后20m內的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，分別得到支巷發射和主巷發射時分支巷道不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表5。

由表3、表5和圖6可知，從整體趨勢來看，在350MHz～6GHz頻段內，在支巷發射的分支巷道中，無線傳輸頻率越高，平均接收功率越低，即頻率越低，無線傳輸衰減越小。支巷發射時分支巷道在350MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，支巷發射時分支巷道中的無線傳輸平均接收功率最大值為?31.79dBm（對應頻率為433MHz），在350MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?41.22dBm。因此，在350MHz～6GHz頻段內，支巷發射的分支巷道中礦用無線通信系統的工作頻段應優選350MHz～900MHz。

由表4、表5和圖7可知，從整體趨勢來看，在350MHz～6GHz頻段內，在主巷發射的分支巷道中，無線傳輸頻率越高，平均接收功率越低，即頻率越低，無線傳輸衰減越小。主巷發射時分支巷道在350MHz～1900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，主巷發射時分支巷道中的無線傳輸平均接收功率最大值為?35.56dBm（對應頻率為433MHz），在350MHz～1900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?49.14dBm。因此，在350MHz～6GHz頻段內，主巷發射的分支巷道中礦用無線通信系統的工作頻段應優選350MHz～1900MHz。

綜合考慮主巷發射和支巷發射時分支巷道中的無線傳輸衰減，分支巷道中礦用無線通信系統的工作頻段應優選350MHz～900MHz。

4拐彎和分支巷道無線傳輸比較分析

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于與拐彎、分支巷道斷面相同的平直巷道斷面中央，設置便攜式射頻信號發生器的輸出功率為+13dBm。將接收天線分別置于距離發射天線24，28，32，36，40m處，測試得到平直巷道中不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，并將平直巷道中的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到平直巷道中不同頻率和距離下無線傳輸平均接收功率，見表6。

為便于比較分析，分別將相同斷面和長度的拐彎巷道、分支巷道和平直巷道中的無線傳輸接收功率數據取平均值，得到拐彎巷道、分支巷道和平直巷道中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，如圖8所示。在350MHz～6GHz頻段，平直巷道中的無線傳輸平均接收功率為?39.93dBm，拐彎巷道中的無線傳輸平均接收功率為?53.35dBm，支巷發射的分支巷道中的無線傳輸平均接收功率為?54.34dBm，主巷發射的分支巷道中的無線傳輸平均接收功率為?57.20dBm，無線傳輸平均接收功率依次減小，無線傳輸衰減依次增大。即在巷道斷面相同的情況下，平直巷道中的無線傳輸衰減小于拐彎巷道和分支巷道；拐彎巷道中的無線傳輸衰減小于分支巷道；支巷發射的分支巷道中的無線傳輸衰減小于主巷發射的分支巷道。巷道拐彎和分支均增加了無線傳輸衰減。因此，無線通信基站和定位分站及其天線應設置在拐彎巷道的拐點和分支巷道的分支點，以減小巷道拐彎和分支對無線傳輸的影響。

5輔運大巷1無線傳輸測試分析及優選工作頻段

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于輔運大巷1斷面中央，設置便攜式射頻信號發生器的輸出功率為+13dBm。將接收天線分別置于距離發射天線1，3，5，10，30，50，70，90，110，130，150，170，190，210，230，250，270，290，310，330，350，370，390，410m處，測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表7，曲線如圖9所示。

為便于分析，將輔運大巷1中距發射天線前410m的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到輔運大巷1中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表8。

由表7、表8和圖9可知，在350MHz～6GHz頻段內，輔運大巷1中700MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，輔運大巷1中的無線傳輸平均接收功率最大值為?39.26dBm（對應頻率為700MHz），在700MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?40.05dBm。因此，在輔運大巷1中礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

6輔運大巷2無線傳輸測試分析及優選工作頻段

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于輔運大巷2斷面中央，設置便攜式射頻信號發生器的輸出功率為+13dBm。將接收天線分別置于距離發射天線1，3，5，10，20，30，40，50，70，80，90，100，110，120，130，140，150，160，170，180，190，200m處，測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表9，曲線如圖10所示。

為了便于分析，將輔運大巷2中距發射天線前200m的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到輔運大巷2中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表10。

由表9、表10和圖10可知，在350MHz～6GHz頻段內，輔運大巷2中800MHz～1900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，700MHz～2600MHz頻段的無線傳輸平均接收功率較大；輔運大巷2中的無線傳輸平均接收功率最大值為?40.40dBm（對應頻率為1900MHz）；在800MHz～1900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?40.94dBm，在700MHz～2600MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?42.49dBm。因此，在輔運大巷2中礦用無線通信系統的工作頻段應優選800MHz～1900MHz或700MHz～2600MHz。

綜合考慮輔運大巷1、輔運大巷2、巷道拐彎和分支的無線傳輸衰減，輔助運輸大巷中礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

7掘進巷道無線傳輸測試分析及優選工作頻段

發射設備及發射天線固定不動，收發天線均置于掘進巷道斷面中央，設置便攜式射頻信號發生器的輸出功率為+13dBm。將接收天線分別置于距離發射天線1，3，5，10，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，250，300，350，400，450，500m處，測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表11，曲線如圖11所示。

為便于分析，將掘進巷道中距發射天線前500m的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到掘進巷道中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表12。

由表11、表12和圖11可知，在350MHz～6GHz頻段，掘進巷道在700MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，掘進巷道中的無線傳輸平均接收功率最大值為?43.40dBm（對應頻率為700MHz），在700MHz～900MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?44.05dBm。因此，在掘進巷道中礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

8綜采工作面無線傳輸測試分析及優選工作頻段

將收發天線置于距煤壁2.8m、距液壓支架立柱底部0.6m、距綜采工作面底部0.85m的位置，將便攜式射頻信號發生器的輸出功率設置為+13dBm。接收天線分別置于距發射天線7.00，59.50，71.75，98.00m處，測試不同頻率和距離下無線傳輸接收功率，數據見表13，曲線如圖12所示。

為便于分析，將綜采工作面中距發射天線前98m的無線傳輸接收功率數據按不同頻率取平均值，得到綜采工作面中不同頻率下無線傳輸平均接收功率，見表14。

由表13、表14和圖12可知，在350MHz～6GHz頻段內，綜采工作面在433MHz～1300MHz頻段的無線傳輸平均接收功率最大，綜采工作面中的無線傳輸平均接收功率最大值為?47.18dBm（對應頻率為550MHz），在433MHz～1300MHz頻段的無線傳輸平均接收功率為?48.34dBm。因此，在綜采工作面中礦用無線通信系統的工作頻段應優選433MHz～1300MHz。

9 結論

1）拐彎巷道中頻率越低，無線傳輸衰減越小，其中350MHz～900MHz頻段的無線傳輸衰減最小，礦用無線通信系統的工作頻段應優選350MHz～900MHz。

2）分支巷道中頻率越低，無線傳輸衰減越小，其中350MHz～900MHz頻段的無線傳輸衰減最小，礦用無線通信系統的工作頻段應優選350MHz～900MHz。

3）輔助運輸大巷中700MHz～900MHz頻段的無線傳輸衰減最小，礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

4）掘進巷道中700MHz～900MHz頻段的無線傳輸衰減最小，礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

5）綜采工作面中433MHz～1300MHz頻段的無線傳輸衰減最小，礦用無線通信系統的工作頻段應優選433MHz～1300MHz。

6）綜合考慮拐彎巷道、分支巷道、輔助運輸大巷、掘進工作面、綜采工作面的無線傳輸衰減，礦用無線通信系統的工作頻段應優選700MHz～900MHz。

7）在巷道斷面相同的情況下，拐彎巷道中的無線傳輸衰減小于分支巷道；支巷發射的分支巷道中的無線傳輸衰減小于主巷發射的分支巷道。巷道拐彎和分支均增加了無線傳輸衰減。為減小巷道拐彎和分支對無線傳輸的影響，無線通信基站和定位分站及其天線應設置在拐彎巷道的拐點和分支巷道的分支點。

8）研究成果已被中華人民共和國能源行業標準NB/T11546—2024《煤礦用5G通信系統通用技術條件》、NB/T11523—2024《煤礦用5G通信基站》和NB/T11547—2024《煤礦用5G通信基站控制器》應用。