5G网络与WiFi6融合组网技术在智慧矿井中的应用
时间：2023-02-27 20:05:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨 康，成 曦，董金鑫，杨小强，黄伟国
(中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019)
现阶段中国社会发展已进入智慧互联时代，通信与互联网技术的更新迭代不断推动矿产行业的高速发展，随着5G网络的逐渐普及，据此衍生的各种行业应用也为矿井内部的无人开采提供了极大的可能性，“智慧生产”远程可视化、无人探矿、智慧综采工作面、智慧爆破采矿等高危险建设目标也将逐步实现，且相关行业资源大量存储与共享也为从业技术人员日常自主学习提供保障。
即使目前5G网络与WiFi6技术都是智慧互联时代的前沿技术，但5G网络技术在实际建设中还存在成本控制等方面的问题，WiFi6技术的信号强度也存在技术限制。因此，只有将二者相互融合进行组网，才能扬长避短，充分发挥5G网络与WiFi6技术的优势，为矿井的勘探、爆破及开采等作业提供便捷，发挥智慧产业价值。
从技术层面说，现今社会已进入5G网络智慧互联时代。而且5G网络演进的最终方向是万物互联，其主要的3大技术特点是：极高的速率、极大的容量与极低的时延。依托于5G网络架构是使用云生化的设计思路，使用控制面与用户面分离(CUPS)设计方法，因此5G网络可以基于网络切片技术及MEC技术达到满足各个行业用户差异化需求的目的。ITU(国际电信联盟)定义了5G网络中的3大应用场景，即移动宽带增强(eMBB),大规模物联网(mMTC)和低时延高可靠(uRLLC)[1]。结合目前的行业发展，eMBB已广泛应用于各个行业，且衍生产品及方案都较为成熟，已形成产业化，而mMTC及uRLLC相关的产业仍在技术储备及验证阶段，尚未形成产业化。
WiFi6技术是近年无线局域网协议最新的演进和扩展，最初的名称为HEW(高效无线局域网)。WiFi6的设计方法与常规的WiFi有很多的区别，现行的WiFi协议主要目的在于为用户提供更高的峰值速率；
但WiFi6可以通过其协议名称HEW(高效无线局域网)分析出其重点主要在高效,是为了能够最大限度地发挥当前可用的频谱资源，以此为用户提供更高的实际网络速率。WiFi6使用的5大核心技术，使其对于高密集业务需求和高吞吐业务需求具有良好的解决能力。
同时得益于核心网络业务模块化架构和网络功能虚拟化技术，5G已做到控制面和数据面分离、核心网络和接入网络分离。因此5G网络与WiFi6协同组网对接入终端的适配难度变低，而且核心网网络单元和无线接入网络节点无须进行复杂的功能扩展[2]，上述条件为5G网络与WiFi6融合组网提供了更大的便利。
现阶段经过应用测试，当下5G上行最大传输速率达10 Gb，下行最大传输速率达20 Gb。WiFi6在80 MHz的带宽时，单空间流的最大速率为600 Mb，在带宽为160 MHz及8条空间流的情况下，最大速率达9.6 Gb，已经能达到5G网络的量级。对于用户侧的网络速率，两者均能够达到Gb级的高标准，而且网络中各终端用户间的传输时延均能够达到ms级。
两种网络技术的主要区别在于，5G网络在单位时间内带宽总流量能达到几十Tb，而且可以承载的终端用户更是超过百万。在eMBB场景情况下，时延小于4 ms，在uRLLC场景下，时延小于1 ms。而WiFi6网络的平均时延达到20 ms，高于5G网络在eMBB场景及uRLLC场景下的时延。因此，5G网络在超低时延方面完胜WiFi6网络。5G网络移动性极强，跨区连接快，经过网络优化调制，即使信息发送双方都以500 km/h的高速移动时，仍然能够进行正常的网络信息通信。现阶段，我国投入营运的高速列车，只要有5G网络覆盖，且用户终端能够正常接收到5G网络信号，用户的信息传输及数据交换都能够正常实现。目前，5G网络已经基本能够实现跨区网络无缝切换的能力，相较而言，WiFi6网络的跨区建立连接相对较慢。虽然5G网络相较于WiFi6网络有如此大的优势，但5G网络存在着系统结构复杂、建设成本高及建设周期长等问题，而WiFi6是无线接入技术，主要用于室内无线终端上网，具有传输速率高、系统简单、成本低等优点[3]。因此，现阶段在系统建设实施方面，WiFi6网络建设投入产出比远高于5G网络建设。
前期，我国矿井的智慧模式一直处于传统的地形扫描、模型制作及仿真开采的虚拟层面。随着5G网络的建设普及，智慧矿井渐渐实现多物理空间的互通，实现多类型设备的互通，依托于XR+超高清视频技术的融合，实现物理空间之间的无损对接。借助AI技术的能力，甚至能将整个矿井建立出完成的立体三维图形，能够更直观地观测矿山内各个节点的实际情况。多重技术在智慧矿井中的融合应用，能够使不同区域的矿井之间高度整合成为一体，为形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行目标[4]，提供有力保障。
依托5G网络速度快、延时低、流量大等特点，能够实现不同矿井内工作人员的协同作业，保障矿井内作业的多角度、多维度、多模式等要求。而将5G网络、WiFi6网络、XR及VR等技术进行融合，能够提升矿井管理人员及现场技术人员的临场感，打破了矿井作业危险区域的限制，也能够在操作与体验的过程中加强操作感知，有效提升矿井管理人员的管理水平，提高技术人员对矿井内突发问题的解决能力。同时，为矿井内工作人员创设实时交流平台，能够体现矿井工作的实时情况，便于第一时间了解矿井及矿井内工作人员发现的任何问题。
5G网络与WiFi6网络已在2019年就投入使用，能够在同等单位时间内传输更多数据。虽然5G网络相较于WiFi6网络更能够满足广大用户的需求，但从WiFi6网络技术来分析，即使WiFi6技术走在最前沿，仍没有就单个终端的网络质量进行优化，反而强调的是在多终端接入时，能实现高速度、低延时的传输，就此而言，5G网络与WiFi6网的出发点是一致的。虽然WiFi6网络在应用时，由于技术瓶颈，各WiFi信号存在相互干扰的问题，无法真正实现300 M/s的理论值，但是在现阶段，终端用户在实际使用过程中已经超过了有线千兆网络，因此，无线网络超过有线网络的时代已经拉开了序幕。
现今，是互联网技术高速发展的智慧互联时代，从2019年开始，5G网络及WiFi6技术面世，并于2020年正式面向市场，陆续普及到社会的各个角落。在此大环境下，各界对5G及WiFi6的争论从未停止。然后，就目前我国互联网行业发展的方向来看，5G与WiFi6必将走上相互融合、共同发展的道路。
从2019年提出的两项无线标准分析，5G与WiFi6技术的应用已经成为物联网行业发展的一道分水岭。此项技术的应用确保了在未来互联网时代的发展中，即使设备终端数量远超过目前使用的设备数量，也不会因网络问题而出现延迟等问题。在此之前，因信号拥塞或信号质量较差等问题而导致在网络使用过程中流量消耗较多的问题，也将在5G与WiFi6融合组网的技术应用下有效解决，网络拥塞的时代将慢慢成为历史。
4.1 5G网络及WiFi6技术在智慧矿井中的建设体现
在矿产行业持续发展的今天，基于互联网建设的线上平台也逐渐成熟。为了实现智慧矿区，运用多元化、高科技的设备与技术优化矿产开采是当前矿产行业的发展方向，5G网络及WiFi6网络的建设为智慧矿井提供了有利的基础设施。
2022年，新疆某地计划开采占地面积100平方公里的矿藏，计划通过投资700万元资金进行网络基础能力建设，用来发展智慧矿区，有望实现年产量500万吨的目标，是新疆“十四五”规划期的重点项目。经过设计人员现场勘察评定，针对此矿井现有员工居住区、控制指挥室、员工工作区、员工作业区、矿区地面部分、矿井内井道及矿井内作业区等区域，结合5G网络及WiFi6网络技术特性及不同区域的业务需求，计划采用5G网络及WiFi6多网络融合的方案对矿区进行整体规划建设。
该建设方案中，从建设投入及网络特性出发，针对矿区地面部分考虑5G网络广覆盖、低时延且能够实现跨区网络无缝切换的能力，对矿区地上100平方公里全区域进行网络覆盖，便于后续通过5G网络建设智慧矿区相关的物联网、矿区内智慧运输、矿区内无人监控、矿区内无人巡逻等功能；
针对员工居住区、控制指挥使、员工工作区等人员或机器密集区域，考虑建设WiFi6网络，针对固定区域内高密度用户，为后续智慧矿区的用户业务需求、指挥中心、云计算、大数据等技术深度融合做准备，在能够提供同等网络能力的同时，相较于采用5G网络建设有效节省了建设投资；
针对矿井内井道采用5G网络对整条井道进行覆盖，最大限度地发挥5G网络广覆盖的能力，为后续井道内无人运输、实时动态数据传送、无人监控、无人作业等智慧矿山作业提供基础保障。
通过5G网络及WiFi6多网混合组网研究评估，经相关专业人员现场实地测试仿真，结合当地相关运营商建设报价，在需要实现同等网络覆盖能力的情况下，若全量采用5G网络进行建设预计投资约1500万元左右，相较于目前使用5G网络及WiFi6多网混合建设，投资额约为2倍左右，因此经相关部门综合评定及结合网络仿真效果，最终明确5G网络及WiFi6多网混合组网为最优建设方案，并依此实施。
4.2 5G网络及WiFi6技术在智慧矿井中无人运输的体现
无人运输是现阶段多个行业在物联网中的应用体现，不仅包含了机器通信、高精度地图数据、大数据技术等矿区运输的基本功能，还涉及智能路径规划及实时监测等功能。每一辆无人运输车，无论在矿井内还是在矿区内，都会配置网络专属ID，能够通过网络实时调取车辆运行情况，合理规划运输路线。通过矿区内或矿井内的各类传感器、设备及车辆自身的GPS及摄像头，进行运输车辆的信息读取、运输车辆实时信息查询以及人工远程操控等操作，最终将相应的数据信息提交到智慧矿区数据库中。因此，要保障无人运输能够在矿井中充分发挥作用，凸显其便捷性，就需要矿井内必须具备良好的基础网络资源，无论是数据传输速度、数据传输延时还是数据吞吐量都必须达到相应的行业指标。如果出现矿井内网络速度慢或者数据传输存在高时延等问题，就会发生无人运输事故，轻则无人运输行为终止，重则无人运输车辆碰撞，影响矿区正常开采运输，从而严重影响到矿井内的开采运输效率，直接导致大量经济损失。现阶段受限于网络技术及投资成本，矿井内运输工作多为人工控制运输车辆完成，存在安全隐患且效率不高。
依据目前的社会经济发展情况及矿产行业的产业发展来看，地下矿井内、地上矿区内、矿产加工厂等场所将陆续使用5G网络与WiFi6网络混合组网技术。利用5G网络优势，对矿区空旷区域及矿井作业井道区域进行广覆盖，如图1所示，对集中作业区、人员驻留区及人员办公区采用WiFi6网络进行覆盖。在合理利用产品技术优势的前提下优化组网，降低投资。实现5G+WiFi6融合组网技术完成矿区全覆盖的目标。以5G网络与WiFi6网络为基础建设的智慧矿井，通过智慧矿井平台统计整合收到的无人运输车的实时数据，通过网络实时监控反馈，依托于5G网络与WiFi6网络实现高速可靠的无人运输行为，大大提高了整个生产过程的效率，大幅降低了生产成本。
图1 5G于Wifi6混合组网在无人运输中的应用模型
4.3 人员安全
智慧职业健康是当代各个行业发展的关注重点，企业的根本是人，一切生产离不开人，因此人员是企业最宝贵的财富。智慧职业健康在智慧矿井结构中充当着重要的角色，常见的主要为矿井环境监控及自动矫正、矿井内人员检测及定位。通俗来讲，就是矿井负责人可以通过井下工作人员随身携带的设备，经智慧矿井平台实时了解井下操作人员的井内具体位置，了解井下工作人员的身体状态、工作时长，结合矿井内其他智能检测模块实时了解井内工作环境、井下操作人员健康状况，依靠智慧矿井大数据平台实时监测分析，保证井内操作人员的操作环境安全，确保人员生命健康。
在智慧矿产中，如图2所示建设组网模式，以5G网络与WiFi6网络为基础，通过各种传感器、视频监控、GPS系统及智慧管理平台，可以实现管理人员在管理中心实时了解井下工作人员的位置、人员状态、井下环境、井下环境指标等信息，通过智慧矿井大数据平台实时记录并分析，便于管理人员能随时了解及查阅各项信息。遇到突发事件时，相关管理人员能够第一时间通过智慧矿井管理平台发送相关指令及决策，大大缩短事故周期，能够有效规避事故发生后产生的危害，也从另一方面确保了企业效益的最大化。
图2 5G于Wifi6混合组网在人员安全中的应用模型
虽然，5G网络与WiFi6技术普及时间不长，但要将其优势全面发挥，仍需要技术积累，使得二者相互融合、相互补充。而且此项技术在智慧矿区的建设应用中，还有着极大的潜力可挖掘。只有合理地运用5G网络与WiFi6技术的特性，做到矿区网络全覆盖，确保网络的安全与畅通，实现数据高速传输，结合数据库及AI系统对矿区内各设备终端及相关人员进行差异化智能管理，形成矿区全面感知、实时互联、协同控制的完整智能系统，实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行[5]，为智慧矿区的建设奠定坚实的基础。
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