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在煤矿井下如何打造光纤/5G/DDA网融合通信系统?

时间:2021-06-07 作者:刘林、彭庆囯及吕磊等人 阅读:
目前随着煤矿推进智能化改造、煤矿“新基建”和煤矿人工智能等工作,传统网络由于老化和延迟已经不能满足煤矿日益发展的需求。笔者认为,煤矿井下应打造一个光纤/5G/DDA网融合通信系统,可实现井下有线、无线、宽带、窄带等数据的综合接入与调度,配合远程控制、无人驾驶、智能巡检等技术,达到减员增效的目标,为智能化矿山建设提供传输与调度保障。
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 一、引言

煤矿“新基建”是指以5G、DDA、数据中心、人工智能、工业互联网等新技术在煤矿应用所必须进行的数字基础设施建设。煤矿“新基建”不仅仅是指传统意义上的先进通信网络、数据中心等信息基础设施,还应拓展包括大数据服务、云计算服务、物联网及工业互联网平台,以及智能传感器、煤矿机器人等各类智能装备,为煤矿智能化建设奠定基础。煤矿井下情况复杂,成本要求、空间要求、功耗要求、安全要求、衰减特性等,制约着5G大规模直接在煤矿井下应用。DDA是完全国产化的一个窄带无线通信协议,其通信距离、低功耗设计、通信可靠性、数据安全性、鲁棒性、易用性、多频道自适应等多项通信技术指标远超国内外同类技术。DDA是基于集群通信机制的一种物联网通信技术。通过网络中心调度和控制使用网络中的通信路径,DDA从各层面、各角度建立了完善的、国产化的、自主可控的安全机制,能够实现“反恐级别”的安全性能。

目前随着煤矿推进智能化改造、煤矿“新基建”和煤矿人工智能等工作,传统网络由于老化和延迟已经不能满足煤矿日益发展的需求。由于历史造成的原因,不同时期、不同业务需求,导致大多数煤矿企业采用重复建设多个工业环网的办法实现当时的设计目标,使得井下网络呈“蜘蛛网”,建设成本巨大、维护困难,并且网络可靠性差。

不管在传感层、传输层、控制层还是在后端的应用开发层,从系统工程的角度来看,利用5G技术具有更大的宽带、更快的传输速度、更低的通信延时、更高的可靠性等优势重构网络整体架构等。笔者认为,煤矿井下应打造一个光纤/5G/DDA网融合通信系统,可实现井下有线、无线、宽带、窄带等数据的综合接入与调度,配合远程控制、无人驾驶、智能巡检等技术,达到减员增效的目标,为智能化矿山建设提供传输与调度保障,如1所示。

1:煤矿井下光纤/5G/DDA网融合通信系统主要应用。

二、无线通信系统设计要点

无线通信可以理解为三个层面。第一个层面是点对点的无线通信,即设计优质的收发信机(俗称无线通信模块)。技术要点是以最低的代价(最小成本、最小功耗等)将最多的信息传送到最远的地方。第二个层面是点对多点的无线通信。它是建立在点对点无线通信基础之上的,但是除设计优质的无线通信模块之外,它还要考虑复用、功控、同步、共享、容量、路由、效率等多个因素,相对第一个层面要复杂很多。第三个层面是多点对多点的无线通信,要考虑的因素就更多了,但它也是以第一个层面和第二个层面为基础的。

无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同,随机参数的无线信道不是理想的传输媒介。无线网络提供给用户的信道会受到射频带宽的限制。无线通信在空气中传播信号,固有的多径效应会导致信号快速衰落。同时,信道上可能存在各种干扰和噪声,所有的通信系统都希望用最小的代价克服和消除无线通信固有缺陷造成的影响,从而保证信号传输的有效性、可靠性、安全性。在数据传输速率和可靠性方面,无线网络永远无法与有线网络相媲美。但是,无线网络的方便不受连线束缚的特性,以及其组网迅速灵活,能应对临时突发需要等优点,这促使了无线通信技术在近年来飞速发展。虽然其与有线网络有不可跨越的距离,但在巨大需求的趋势下,无线通信一直朝着速率更高、覆盖范围更加全面、服务更加便捷的方向快速发展。

三、井下无线通信可靠连接——DDA

DDA无线网络通信技术是针对物联网窄带业务特点设计的协议和算法,QOS(业务质量控制)可控,可靠性大于99.9%,可以保证国防、工业、城市控制等各种应用场景的无线连接,而且时延可控和阈值可控,易于融入物联网行业碎片化需求。

DDA是低功耗双向实时通信系统,指标如2所示,适用于矿山井下大量分布式传感器布局,以及井下传感器、控制器离散型数据上下行特点。低功耗特别支持电池类传感器进入矿山井下,降低了建设和维护成本。DDA通信可靠性大于99.9%,达到矿山井下安全等级。

2DDA低功耗双向实时通信系统指标。

四、井下无线通信安全连接——DDA量子秘钥

非消费级无线连接和系统建设,最核心的两个共性要求是可靠性和安全性。物联网系统安全需求远高于互联网系统安全等级。物联网系统的安全漏洞有可能导致物理世界的毁灭。传统的加密机制无法长期保证物联网系统安全连接和系统的安全运行,特别是量子计算机一旦问世,传统的加密机制无法抵挡,只有量子加密技术才能从根本上解决。

借助量子加密机理提供的加密工具,客户发送端的客户数据,被加密形成密文数据包,将它(密文数据包)提交给DDA无线传输服务。DDA无线传输负责将其(密文数据包)无误转发至客户接收端。接收到此密文数据包后,客户实施解密得到明文数据。DDA物联网传输系统仅仅完成了一次包数据的透传,它并不知晓密文所含有的具体含义。

实际上,它在空间无线介质中提供了双层的加密服务(3),第一层是客户端自己加入的(信源加密),第二层是DDA无线加密传输系统加入的(信道加密)。

3DDA双层加密服务。

五、结束语

在目前百年不遇之世界大变局,以及2020年中央经济工作会议精神“强化国家战略科技力量,增强产业链供应链自主可控能力”等大背景下,国产无线通信协议DDA(DDA是目前唯一的国产无线通信协议)有效地弥补了国家一项空白,有望成为国家物联网发展战略的重要支撑关键技术之一。

作者:刘林,安徽知林智能科技有限公司;彭庆囯、吕磊、张先胜、胡强、王跃,中煤智能科技有限公司

本文转载自《电子技术设计》网站

责编:Amy Guan

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