孙继平
（中国矿业大学（北京） 人工智能学院，北京 100083）
摘要：为满足煤矿远程监控、视频监视、数据采集、语音通信等需求，煤矿用5G 通信系统应具有下列功能：① 远程控制、监控、定位、监视和语音等不同业务承载功能。② 采煤机、掘进机、电铲、挖掘机、无轨胶轮车及电机车等远程控制功能。③ 矿用运输车辆应急远程接管功能。④ 摄像机音视频的远程实时传输功能。⑤ 监控设备、传感器、车辆辅助驾驶等数据采集功能。⑥ 语音通话功能，支持矿用融合调度系统。⑦ 端到端切片功能，满足远程控制、监控、视频和语音等差异化的业务性能要求，提供对应的端到端切片资源。⑧ 支持SA 组网方式，支持5G NR 的通信制式。⑨ 支持5G LAN 以太网通信。⑩ 应急惯性运行功能，当矿区专网与通信运营商公用网络失联时，本地业务可持续在线作业。⑪ 设备级冗余保护功能，当单个物理端口故障时，数据业务不中断。⑫ 核心网双设备冗余保护功能，当主设备故障时，切换备用设备继续提供服务。⑬ 核心网控制面传输机密性和完整性保护功能，保证核心网控制面的安全。⑭ 终端认证、检查和限制接入系统非授权终端的功能，支持煤矿企业安全服务器对终端的认证。⑮ 防止终端攻击系统和合法终端功能。⑯ 核心网、传输设备、控制器、和终端集成一体化管理的功能。⑰ 网络性能和业务服务性能集中监控功能。⑱ 异常可视告警与故障定位功能。⑲ 矿用5G 网络资源评估功能， 当煤矿增加新业务或更多终端接入5G 网络时，应能评估5G 网络资源利用率，并给出是否可上新业务的报告。⑳ 备用电源。煤矿用5G 通信系统的主要技术指标应满足下列要求：① 上行速率为20 Mbit/s ，无线工作频段为700～900 MHz 时，井工煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）≥500 m ；无线工作频段为其他工作频段时，井工煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）≥150 m 。当上行速率为30 Mbit/s 时，露天煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）≥400 m 。② 到控制器的有线传输距离≥10 km 。③ 系统最大接入终端数量≥20 000个。④ 井工煤矿的和终端无线发射功率≤6 W ；露天煤矿的发射功率≤320 W ；露天煤矿的终端无线发射功率≤6 W 。⑤ 无线接收灵敏度≤−95 dBm ；终端无线接收灵敏度≤−85 dBm 。⑥ 无线工作频率应在700 MHz 、800 MHz 、900 MHz 、1.9/2.1GHz 、2.6 GHz 、3.3 GHz 、3.5 GHz 、4.9 GHz 、6 GHz 等频段中选取（井工煤矿优选700～900 MHz ）。⑦ 在制式为TDD 、帧结构为1D3U1S 时，接入的多用户的上行平均吞吐率≥600 Mbit/s ，下行平均吞吐率≥250 Mbit/s 。⑧ 对于井工煤矿，在1 Mbit/s 和20 Mbit/s 上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms ，且端到端时延稳定性应小于100 ms 的概率不低于99.99%；对于露天煤矿，在1 Mbit/s 和30 Mbit/s 上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms ，且端到端时延稳定性应小于100 ms 的概率不低于99.9%。⑨ 单用户的丢包率≤0.01%。⑩ 单用户从A 小区切换到B 小区的切换时延≤100 ms 。⑪ 移动台蓄电池连续工作时间应不小于11 h ，其中，通话时间应不小于2 h 。⑫ 在电网停电后，备用电源向、控制器及传输设备连续供电时间≥4 h 。
关键词：5G ；无线通信；矿井通信；标准；远程监控中图分类号：TD655 文献标志码：A
收稿日期：2023-08-20；修回日期：2023-08-23；责任编辑：盛男。基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0801800）。
作者简介：孙继平（1958—），男，山西翼城人，教授，博士，博士研究生导师，中国矿业大学（北京）原副校长；获国家科技进步奖和技
术发明奖二等奖4项（第1完成人3项）；作为第1完成人获省部级科技进步特等奖和一等奖8项；作为第１完成人主持制定中华人民共和国煤炭行业、安全生产行业和能源行业标准48项；作为第１发明人获国家授权发明专利130余件；主持制定《煤矿安全规程》第十一章“监控与通信”；被SCI 和EI 检索的第1作者或独立完成论文100余篇；作为第1作者或独立完成著作12部；作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加了10起煤矿特别重大事故调查工作；E -mail ：sjp@cumtb .edu 。
引用格式：孙继平. 煤矿用5G 通信系统标准研究制定[J ]. 工矿自动化，2023，49（8）：1-8.
SUN Jiping . Research and development of 5G communication system standards for coal mines [J ]. Journal of Mine Automation ，2023，49（8）：1-8
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第 49 卷 第 8 期工 矿 自 动 化
Vol .49 No .82023 年 8 月
Journal of Mine Automation
Aug . 2023
编委学术专栏
文章编号：1671−251X （2023）08−0001−08
DOI ：10.13272/j.issn.1671-251x.18147
• 2 •工矿自动化第 49 卷Research and development of 5G communication system standards for coal mines
SUN Jiping
(School of Artificial Intelligence, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: In order to meet the needs of remote monitoring, video monitoring, data acquisition, and voice communication in coal mines, the 5G communication system used in coal mines should have the following functions. ① The system has different service-bearing functions such as remote control, monitoring, positioning, surveillance, and voice. ② The system has remote control functions such as coal mining machines, roadheaders, electric shovels, excavators, trackless rubber wheeled vehicles, and electric locomotives. ③ The system has an emergency remote takeover function for mining transportation vehicles. ④ The system has a remote real-time transmission function of camera audio and video. ⑤ The system has data collection functions such as monitoring equipment, sensors, and vehicle-assisted driving. ⑥ The system has a voice call function. ⑦ The system has an end-to-end slicing function that meets the differentiated business performance requirements of remote control, monitoring, video, and voice. ⑧ The system supports SA networking and 5G NR communication system. ⑨ The system supports 5G LAN Ethernet communication. ⑩ The system has an emergency inertia operation function. In case of disconnection between the mining area's private network and the communication operator's public network, local businesses can continue to operate online. ⑪ The system has a device level redundancy protection function that ensures uninterrupted data service in the event of a single physical port failure. ⑫ The system has a dual device redundancy protection function of the core network that allows for the switching of backup devices to continue providing servi
ces when the main device fails. ⑬ The system has the core network control surface transmits confidentiality and integrity protection functions to ensure the security of the core network control surface. ⑭ The system has terminal authentication, checking, and restricting access to unauthorized terminals in the system, supporting the authentication of terminals by coal mining enterprise security servers. ⑮ The system has functions that prevent terminal attacks on the system and legitimate terminal. ⑯ The system has the integrated management function of the core network, transmission equipment, base station controller, base station, and terminal. ⑰ The system has a centralized monitoring function for network performance and business service performance. ⑱ The system has an abnormal visual alarm and fault location function. ⑲ The system has the evaluation function of mining 5G network resources. The system can evaluate the utilization rate of 5G network resources and provide a report on whether new services can be accessed when the coal mine adds new services or more terminals are connected to the 5G network. ⑳ The system has backup power supply. The main technical indicators of the 5G communication system used in coal mines should meet the following requirements. ① When the uplink rate is 20 Mbit/s and the wireless working frequency band is 700-900 MHz, the wireless coverage radius (unobstructed) of the base station in the underground coal mine should be ≥ 500 meters. When the wireless working frequency band is other working frequency bands, the wireless coverage radius (unobstructed) of the base station in the underground coal mine is
≥ 150 m. When the uplink rate is 30 Mbit/s, the wireless coverage radius (unobstructed) of the base station in the open-pit coal mine is ≥ 400 m. ② The wired transmission distance from the base station to the base station controller is ≥ 10 km. ③ The maximum number of access terminals in the system is ≥ 20 000. ④ The wireless transmission power of the base station and terminal of the underground coal mine is ≤ 6 W. The transmission power of the base station in the open-pit coal mine is ≤320 W. The wireless transmission power of the terminal in the open-pit coal mine is ≤ 6 W. ⑤ The base station wireless reception sensitivity is ≤ −95 dBm. The terminal wireless reception sensitivity is ≤ −85 dBm. ⑥ The wireless working frequency should be selected from the frequency bands of 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, 1.9/2.1 GHz, 2.6 GHz, 3.3 GHz, 3.5 GHz, 4.9 GHz, 6 GHz, etc. (preferably 700 to 900 MHz for underground coal mine). ⑦ When the format is TDD and the frame structure is 1D3U1S, the average uplink throughput rate of multiple users accessed by the base station is ≥ 600 Mbit/s, and the average downlink throughput rate is ≥250 Mbit/s. ⑧ For underground coal mines, when operating upstream services at 1 Mbit/s and 20 Mbit/s, the average system delay should be less than 20 ms, and the probability of end-to-end delay stability being less than
100 ms should not be less than 99.99%. For open-pit coal mines, when operating upstream services at 1 Mbit/s and 30 Mbit/s, the average system delay should be less than 20 ms, and the probability of end-
to-end delay stability being less than 100 ms should not be less than 99.9%. ⑨ The packet loss rate of a single user is ≤0.01%. ⑩ The handover delay for a single user from cell A of the base station to cell B of the base station is ≤100 ms. ⑪ The continuous working time of the mobile station battery should not be less than 11 hours, among which the call time should not be less than 2 hours. ⑫ After a power outage in the power grid, the backup power supply continuously provides power to the base station, base station controller, and transmission equipment for ≥4 hours.
Key words: 5G; wireless communication; mine communication; standards; remote monitoring
0 引言
煤矿用5G通信系统具有大带宽、高可靠、低时延等优点，已用于煤矿视频监视、数据采集、语音通信、采掘工作面远程控制等，是煤矿智能化的基础[1-5]。2021年国家能源局综合司下达了能源领域行业标准制修订计划项目“煤矿用5G通信系统通用技术条件”（项目编号：能源20210130），并确定由中国矿业大学（北京）等为起草单位，负责标准的编写制定工作。起草单位共同组建成立了标准起草工作组，负责标准的有关技术研究及编制起草工作。中国矿业大学（北京）孙继平教授作为标准起草工作组组长，负责整体技术方案和指标的确定。标准起草工作组通过多种途径广泛收集了与煤矿用5G通信系统有关的技术资料，全面掌握了现有煤矿用5G通信系统有关的应用和技术情况，在分析研究和试验验证的基础上，
确定了煤矿用5G通信系统的技术要求、试验方法等内容，形成了《煤矿用5G通信系统通用技术条件》（征求意见稿）。本文根据《煤矿用5G通信系统通用技术条件》（征求意见稿）进行整理。
1 术语和定义
1） 煤矿用5G通信系统是指基于5G技术的煤矿用大带宽、高可靠、低时延移动通信系统，具有远程监控、视频监视、数据采集、语音通信等功能。
2） 煤矿用5G通信是指煤矿用5G通信系统中用于无线接入的通信设备，通过天线接收和发射射频信号，具有5G射频信号发射和接收、无线/有线转换、与煤矿用5G控制器双向通信等功能。
3） 煤矿用5G通信控制器是指煤矿用5G通信系统中用于5G基带信号处理的通信设备，具有5G基带信号的调制和解调、无线资源管理、时钟信号同步等功能，具有传输网络接口、操作维护接口、环境监控设备接口等。
4） 煤矿用5G通信核心网是指煤矿用5G通信系统中用于5G通信数据连接和服务的通信设备，采用服务化架构和分布式网络功能设计，将用户面和控制面分离，根据实际需要部署新的网络功能加入或撤出，不影响整体网络的功能。
5） 煤矿用5G通信终端是指煤矿用5G通信系统中将语音、视频、图像、数据、文本和表格从物理展示
转换为电信号，或将电信号转换为物理展示的设备，包括移动终端和固定终端，根据功能可分为用户驻地设备（5G CPE）、5G移动终端、固定在设备仓的5G模组。
6） 网络切片是指根据不同的业务需求，提供特定网络能力和特征的多个端到端的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，提供逻辑隔离和业务保障的网络服务。通过设置业务的网络优先等级和拥塞预调度等，提供不同等级的安全隔离逻辑网络。网络切片为实时性、可靠性等要求高的业务，建立专用逻辑链路，提供网络资源保障。
2 系统组成与架构
煤矿用5G通信系统（以下简称系统）一般由煤矿用5G通信核心网（以下简称核心网）、煤矿用传输设备（以下简称传输设备）、煤矿用5G通信控制器（以下简称控制器）、煤矿用5G通信（以下简称）和煤矿用5G通信终端（以下简称终端）组成。
2.1 井工煤矿系统架构
井工煤矿系统一般由部署在井上的核心网，部署在井上/井下的传输设备，部署在井下的控制器、和终端组成[6-10]，如图1所示。井工煤矿宜部署独立的核心网设备，也可在矿区部署核心网用户面，核心网用户面应支持分布式部署。用于井下的电气设备应为防爆型电气设备，其输入输出信号应是本质安全型[11-13]，应符合GB/T 3836.1—GB/T 3836.4[14-17]的规定。
2.2 露天煤矿系统架构
露天煤矿系统主要包括核心网、传输设备、控制器、和终端，如图2所示。露天煤矿应在矿
2023 年第 8 期孙继平： 煤矿用5G通信系统标准研究制定• 3 •
区部署核心网用户面，与通信运营商公用5G 网络控制面协同，并应支持分布式部署。露天煤矿的应能在极端环境温度和强风下正常工作。露天煤矿系统应支持小区切换时的低时延传输，符合3GPP TS 38.331
[18]
的时延要求，在矿车移动过程中，
保障稳定的视频回传和远程控制时延。
图 2 露天煤矿系统架构
Fig. 2 System architecture of open-pit coal mine
3 基本要求
1） 系统应符合《煤矿用5G 通信系统通用技术
条件》和GB 4943.1[19]、YD/T 3615[20]、YD/T 3618[21]、YD/T 3929[22]、YD/T 3627[23]、3GPP TS 33.117[24]、3GPP TS 33.511[25]等标准的相关规定，取得矿用安全标志准用证。用于地面的设备
应取得电信设备进网许可证。
2） 系统宜支持独立组网、独立运行，在外部网络故障或断开时，系统应能安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠、稳定。
3） 核心网的部署应保证煤矿业务数据不出矿
度为40%～70%；③ 温度变化率小于10 ℃/h ，且不应结露；④ 大气压力为80～106 kPa ；⑤ GB/T 2887[26]规定的尘埃、照明、噪声、电磁场干扰和接地条件；⑥ 无显著振动和冲击。
系统中用于煤矿井下的设备应在下列条件下正常工作：① 环境温度为0～40 ℃；② 平均相对湿度不大于95%（+25 ℃）；③ 大气压力为80～106 kPa ；④ 有瓦斯和煤尘，但无破坏绝缘的腐蚀性气体。
系统中用于露天煤矿的设备应在下列条件下正常工作：① 环境温度为−40～55 ℃；② 平均相对湿度不大于95%（+25℃）；③ 大气压力为70～106 kPa ；④ 工作风速不大于150 km/h ；⑤ 极限风速不大于
200 km/h 。
4.2 供电电源
地面设备交流电源应满足下列要求：① 额定电
压为220/380 V ，允许偏差−10%～+10%；② 电压总谐
波畸变率不大于5%；③ 频率为50 Hz ，允许偏差±5%。
井下设备交流电源应满足下列要求：① 额定电压为127/380/660/1 140 V ，允许偏差−20%～+10%（专
用于井底车场、主运输巷）、−25%～+10%（其他井下产品）；② 电压总谐波畸变率不大于10%；③ 频率为50 Hz ，允许偏差±5%。
地面和井下设备直流电源应满足下列要求：① 额定电压为−48/12/18/24 V ，允许偏差−20%～+20%；② 周期与随机偏移（峰−峰值）≤250 mV 。
5 主要功能
1） 系统应具有远程控制、监控、定位[27]、监视
和语音等不同业务承载功能[28-29]。
2） 系统应具有支持采煤机、掘进机、电铲、挖掘机、无轨胶轮车及电机车等远程控制功能[30]。
3） 系统应具有支持矿用运输车辆应急远程接管功能。
4） 系统应具有支持摄像机音视频的远程实时传
图 1 井工煤矿系统架构
Fig. 1 System architecture of underground coal mine
输功能[31]。
5） 系统应具有支持监控设备、传感器、车辆辅助驾驶等数据采集功能。
6） 系统应具有语音通话功能，符合MT/T 1115[32]的要求。系统宜支持VoNR或VoLTE融合语音，可集成矿用融合调度系统。
7） 系统应具有端到端切片功能，提供差异化的切片资源分配、特性组合等，满足远程控制、监控、视频和语音等差异化的业务性能要求，符合YD/T 3973[33]的要求。
8） 系统应支持SA组网方式，支持5G NR的通信制式，所使用的频段应符合国家无线电监测中心发布的有关规定。
9） 系统宜支持5G LAN以太网通信，符合YD/T 3615[20]的要求。
10） 系统应具有应急惯性运行功能，当矿区专网与通信运营商公用网络失联时，本地业务可持续在线作业[34-35]。
11） 系统应具有设备级冗余保护功能，当单个物理端口故障时，数据业务不中断。
12） 系统应具有核心网双设备冗余保护功能，当主设备故障时，切换备用设备继续提供服务。
13） 系统应具有核心网控制面传输机密性和完整性保护功能，保证核心网控制面的安全。
14） 系统应具有终端认证、检查和限制接入系统非授权终端的功能，支持煤矿企业安全服务器对终端的认证。
15） 系统应具有防止终端攻击系统和合法终端功能。
16） 系统网管应具有核心网、传输设备、控制器、和终端集成一体化管理的功能。
17） 系统网管应具有网络性能和业务服务性能集中监控功能。
18） 系统网管应具有异常可视告警与故障定位功能。
19） 系统网管应具有矿用5G网络资源评估功能，当煤矿增加新业务或更多终端接入5G网络时，应能评估5G网络资源利用率，并给出是否可上新业务的报告。
20） 系统应具有备用电源。
6 主要技术指标
1） 无线覆盖半径[36]。井工煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）应符合表1要求。露天煤矿的
无线覆盖半径（无遮挡）应符合表2要求。
表 1 井工煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）
Table 1 Wireless coverage radius of the base station in underground
coal mine （unobstructed）
无线工作频段上行速率/（M·bits−1）覆盖半径/m
700～900 MHz
1≥600
20≥500其他工作频段
1≥200
20≥150
表 2 露天煤矿的无线覆盖半径（无遮挡）
Table 2 Wireless coverage radius of the base station in open-pit
coal mine （unobstructed）
上行速率/（M·bits−1）覆盖半径/m
1≥700
30≥400
2） 有线传输距离。到控制器的有线传输距离≥10 km。以级联方式连接控制器时，总传输距离≥20 km。
3） 系统容量。系统最大接入终端数量≥20 000个。
4） 发射功率。井工煤矿的和终端无线发射功率≤6 W；露天煤矿的发射功率≤320 W；露天煤矿的终端无线发射功率≤6 W。
5） 接收灵敏度。无线接收灵敏度≤−95 dBm；终端无线接收灵敏度≤−85 dBm。
6） 工作频率。无线工作频率应在下列频段中选取（井工煤矿优选700～900 MHz）：700 MHz、800 M
Hz、900 MHz、1.9/2.1 GHz、2.6 GHz、3.3 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz、6 GHz等。
7） 带宽。接入的多用户的上行和下行平均吞吐率应满足表3要求。
表 3 多用户的上行和下行平均吞吐率
Table 3 Average uplink and downlink throughput for multiple users 制式/帧结构上行平均吞吐率/（M·bits-1）下行平均吞吐率/（M·bits-1）TDD/5D3U2S≥300≥400
TDD/7D2U1S≥200≥500
TDD/1D3U1S≥600≥250
FDD SUL/—≥250≥60
FDD/—≥125≥190
8） 网络时延及稳定性。对于井工煤矿，在1 Mbit/s 和20 Mbit/s上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms，且端到端时延稳定性应小于100 ms的概率不低于99.99%。对于露天煤矿，在1 Mbit/s和30 Mbit/s 上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms，且端到端时延稳定性应小于100 ms的概率不低于99.9%。
9） 丢包率。单用户的丢包率≤0.01%。
10） 小区切换时延。单用户从A小区切换
2023 年第 8 期孙继平： 煤矿用5G通信系统标准研究制定• 5 •
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