康守信

1煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

2煤矿应急避险技术装备工程研究中心 北京 100013

3北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

近些年，随着煤矿行业“少人化、无人化”的发展，煤矿安全形式持续向好，但煤矿安全事故仍时有发生。当煤矿井下发生安全事故时，救援队员需携带便携式应急通信基站快速搭建通信通道，实现井上、井下以及救援人员之间信息互联，以便于井上指挥人员高效精准指挥救援工作，据相关文献报道与无应急救援相比，及时高效的救援工作可将损失降低 94%[1-2]。在我国多种煤矿应急通信技术得到了广大学者专家的研究[3-6]，其中无线 Mesh 网络技术由于具有无线多跳、自组织和强自愈能力，被广泛应用到煤矿应急救援工作中。文献 [7] 对煤矿应急救援系统进行试验研究，试验显示基于无线 Mesh 网络的应急通信系统提高了救灾工作的效率。文献 [8] 研究一种混合结构的应急救援无线 Mesh 网络及其路由算法，提升矿井应急救援中网络性能的稳定性。文献 [9] 研究了应急通信中无线 Mesh 网络分配问题，提出一种基于拓扑分层和干扰避免的多信道分配算法，提高网络的吞吐量和降低信道干扰。

笔者针对矿井应急救援中多点救援以及次生灾害、二次事故中救援人员通信的需求，设计了一种无线覆盖与中继传输同距离的矿用移动应急通信系统，以应急通信基站设备为核心，重点研究矿井内无线覆盖 2.4G 频段与中继传输 5G 频段天线最大输出功率与信号传输距离，并对设计方案效果进行了分析。

1 矿用移动应急通信系统设计

矿用移动应急通信系统架构如图 1 所示，主要由井上管控平台、无线 Mesh 应急基站以及矿用应急救援终端组成。井上管控平台包括交换机、服务器和管理平台等装备，用于通信数据的计算以及可视化处理。应急通信基站分别通过 5G 频段建立无线中继形成传输通道、2.4G 频段实现无线覆盖。矿用的应急救援终端包括矿用手机、智能穿戴、生命传感器等装备，在与应急通信基站建立连接后，救援人员佩戴救援终端设备可以用于音视频通话、身体特征感知等。当矿井下应急救援时，救援人员佩戴救援终端携带应急通信基站，应急通信基站产生无线覆盖，并且通信基站之间建立无线中继通道，实现井下数据与井上指挥室之间信息互通，井上指挥人员根据井下上传的信息，制定科学高效救援方案，实现精准救援。通信基站是应急救援系统中的核心设备，笔者主要针对通信基站的中继距离与无线覆盖特性进行研究。

图1 矿用移动应急通信系统架构Fig.1 Architecture of mobile mining emergency communication system

2 应急通信基站

应急通信基站基于无线 Mesh 网络组网技术实现无线信号覆盖与中继，为井下救援人员与井上指挥人员建立信息连接。应急通信基站架构如图 2 所示，主要包括本安电池、以太网接口、网络处理模块，无线网卡 (2.4G/5G)、射频端口 (2.4G/5G) 以及 2.4G 全向天线和 5G 定向天线。本安电池为通信基站提供本质安全的电源需求，解决通信基站供电问题；以太网接口实现通信基站与传输网设备相连；网络处理模块负责通信数据计算处理。无线网卡、射频端口以及天线，可以通过配置参数等手段控制应急通信基站无线发射总功率。

图2 应急通信基站架构Fig.2 Architecture of emergency communication base station

2.4 G 频段频率低，波长大，传输性能好，但存在本身频段带宽小、易受干扰等情况。相反的是 5G 频段，自身带宽大，信道相对纯净，干扰少，信道容量大，但频段高，传输性能差。基于 2.4G 频段与 5G 频段的特点，笔者设计的应急通信基站中 2.4G 无线网卡与射频端口配套全向天线，满足应急通信基站周围的无线覆盖需求；5G 无线网卡与射频端口配套定向天线，实现应急通信基站的无线中继功能，形成一条无线传输通道。

3 无线覆盖与中继同距离设计

根据移动应急通信系统与应急通信基站的架构设计，应急通信基站两侧各有一副 5G 定向天线实现应急通信基站中继“牵手”，上侧有两幅 2.4G 全向天线实现周围无线覆盖。若应急通信基站覆盖与中继距离相同，前提条件是保证应急通信基站有效无线覆盖半径与中继有效距离相等。

3.1 发射功率配比研究

电磁波在空间传播中会产生传输损耗，在地面上主要是路径损耗。在矿井中，电磁波传输损耗还受巷道内环境影响。在巷道近区时，电磁波损耗近似于自由空间传播损耗，可由式 (1) 表示[7]：

式中：Ls为电磁波传输损耗，dB；f为电磁波频率，GHz；d为电磁波传输距离，km。

以应急通信基站无线覆盖 2.4G、5.8G 电磁波频率为例进行传输损耗研究，并针对同距离无线覆盖与中继进行了仿真计算。

应急通信基站的有效覆盖半径设为r，根据上述分析，实现中继距离与覆盖同距离，则每个应急通信基站的有效中继距离为 2r。图 3 为采用 Origin 软件对频率分别为 2.4G、5.8G Hz 电磁波信号传输损耗与覆盖半径之间的关系进行了仿真模拟。

图3 电磁波传输损耗与覆盖半径之间的关系曲线Fig.3 Relationship curve between electromagnetic wave transmission lossand coverage radius

从图 3 可以看出，频率 2.4G 与 5.8G Hz 的传输损耗与覆盖半径之间关系曲线方向是一致的，并且在覆盖半径相同的情况下，中继频率 5.8G Hz 的传输损耗与无线覆盖频率 2.4G Hz 的传输损耗差值是固定的。即应急通信基站中继频率 5.8G Hz 传输距离是无线覆盖频率 2.4G Hz 覆盖半径的两倍时，5.8G Hz 的电磁波传输损耗会高 13.68 dB。

根据上述分析，5.8G Hz 的电磁波传输损耗比 2.4G Hz 高 13.68 dB，可以得出，5.8G Hz 无线中继天线发射功率是 2.4G Hz 无线覆盖天线发射功率的 23.34 倍。

应急通信基站在矿井实现无线覆盖和无线中继，若在相同距离范围内正常运行工作，则要求 5.8G Hz 的天线发射总功率与 2.4G Hz 的天线发射总功率之比为 23.34。

3.2 发射功率本安化设计

矿井下通信不同于地面上，通信设备需要本安化设计。在矿井下通信设备发射功率受限，发射总功率不能超过 6 W[10]。应急通信基站有 2 组天线，每组天线包含一副中继 5G 天线和一副 2.4G 天线，即每组天线总发射功率不超过 3 W。

表1 为应急通信基站在满足 2 个工作模式 (2.4G 无线覆盖与 5G 中继) 同距离且符合本安要求情况下的最大发射功率。由表 1 可知，在满足本安化发射功率要求以及无线中继与无线覆盖相同情况下，各天线发射最大的发射功率分别为 34.59 和 20.90 dBm。在矿井应急救援中，救援人员携带救援设备较多，要求应急通信基站覆盖面积尽量大，以减少携带基站数量。对此，针对上述分析的天线最大发射功率，研究了 2.4G Hz 在最大发射功率情况下在巷道近区的无线覆盖距离。

表1 应急通信基站的最大发射功率Tab.1 Maximum transmission power of emergency communication base station in various working modes

以救援终端设备信号灵敏度较严格的标准 -100 dBm 为参考，结合式 (1)，对天线发射功率与传输距离之间的关系进行了研究。由图 4 仿真模拟计算可以得知，2.4G Hz 在天线发射功率为 20.90 dBm 时，传输距离为 11.02 km。

图4 传输距离受天线发射功率的影响Fig.4 Influence of antenna transmission power on transmission distance

4 应用效果分析

基于 Mesh 组网技术实现无线覆盖与中继同距离的应急通信基站，在矿下巷道多点救援以及再次发生次生灾害时能够提供稳定的通信支撑。

4.1 巷道多点救援

部分井下事故中，在挖掘的巷道中可能存在不止一处需要救援施工的情况，如图 5 所示。存在A、B、C3 处均需要救援的情况，在A点由于矿用应急通信基站的无线覆盖与中继功能，救援人员终端设备接入无线覆盖信号，并通过基站中继传输实现井上井下数据通信。设计的是覆盖与中继同距离的应急通信基站，可以实现在井下巷道中继长距离传输范围内无线覆盖也满足通信需求，所以应急通信系统同时也可以为在B、C2 处救援人员提供通信需求。救援人员在井下巷道中行走或与其他救援点人员协作，均可以通过救援终端接入应急通信基站的无线信号与中继基站的无线“牵手”，直接实现救援人员信息互通，减少数据上传井上服务器在返回信息数据过程中产生的额外时延。

图5 多点救援提供通信支撑示意Fig.5 Sketch of communication support providence at multi-point rescue

4.2 次生灾害发生可临时组建局域网

无线 Mesh 网络由于具有无线多跳、自组织和强自愈能力，某应急通信基站连接意外中断，会自动启动无线自愈链路，自动搜寻附近应急通信基站信号并自动连接，保证工作业务不间断进行，同时后续设备故障恢复后，应急通信基站恢复最优无线覆盖和中继状态。应急通信基站自愈组成局域网如图 6 所示，在第 1 个应急通信基站与井上指挥中心发生故障，以及第 3 个应急通信基站出现故障时，应急通信基站 2 会自动与应急通信基站 4 建立连接，两个基站内无线覆盖内救援终端设备进行信息交换。在井下救援工作中，发生突发情况，产生二次灾害，原应急通信中断，救援人员被困井下，应急通信基站是中继与无线覆盖一体的基站，2.4G 覆盖配套无线是全向天线，能够尽可能的与救援人员佩戴的救援终端建立连接，5G 中继频段与周围其他邻近的应急通信基站形成无线中继，快速组成小局域网，被困人员可以实现信息共享，待后续救援时与组成局域网内的某一个应急通信基站建立连接后，其他被困人员也可实现数据通信。

图6 应急通信基站自愈组成局域网Fig.6 Local network composed of self-healing emergency communication base station

5 结语

(1) 设计研究了基于无线 Mesh 组网技术的矿用移动应急通信系统，分析了系统架构组成，对核心设备应急通信基站进行了详细研究。

(2) 分析研究了应急通信基站无线覆盖与中继同距离时 2.4G 频段与 5G 频段对天线发射功率的要求；研究了在满足本安化要求的情况下，4G 频段与 5G 频段的最大发射功率，并对相应的传输距离进行了理论分析计算。

(3) 分析研究了设计的应急通信基站在矿井巷道多点救援中的优势以及次生灾害发生后可快速形成局域网的特性。

(4) 下一步研究目标：①由于无线 Mesh 网络在 2.4G 频段和 5G 频段，存在非授权频段信道连续占用时间的法规限制和 LBT (Listen before talk) 的固定机制，难以实现低时延的通信，后续在低时延通信技术方面进一步深化研究应急通信基站；② 传输损耗模型是基于巷道近区电磁波自由空间传输建立，后期结合巷道远区遮挡损耗等情况，对应急通信基站各工作模式天线发射功率进行优化研究。