如何打造一個光纖/5G/DDA網融合通信系統

　　作者：劉林，安徽知林智能科技有限公司；彭慶囯、呂磊、張先勝、胡強、王躍，中煤智能科技有限公司

一、引言

煤礦“新基建”是指以5G、DDA、數據中心、人工智能、工業互聯網等新技術在煤礦應用所必須進行的數字基礎設施建設。煤礦“新基建”不僅僅是指傳統意義上的先進通信網絡、數據中心等信息基礎設施，還應拓展包括大數據服務、云計算服務、物聯網及工業互聯網平臺，以及智能傳感器、煤礦機器人等各類智能裝備，為煤礦智能化建設奠定基礎。煤礦井下情況復雜，成本要求、空間要求、功耗要求、安全要求、衰減特性等，制約著5G大規模直接在煤礦井下應用。DDA是完全國產化的一個窄帶無線通信協議，其通信距離、低功耗設計、通信可靠性、數據安全性、魯棒性、易用性、多頻道自適應等多項通信技術指標遠超國內外同類技術。DDA是基于集群通信機制的一種物聯網通信技術。通過網絡中心調度和控制使用網絡中的通信路徑，DDA從各層面、各角度建立了完善的、國產化的、自主可控的安全機制，能夠實現“反恐級別”的安全性能。

目前隨著煤礦推進智能化改造、煤礦“新基建”和煤礦人工智能等工作，傳統網絡由于老化和延遲已經不能滿足煤礦日益發展的需求。由于歷史造成的原因，不同時期、不同業務需求，導致大多數煤礦企業采用重復建設多個工業環網的辦法實現當時的設計目標，使得井下網絡呈“蜘蛛網”，建設成本巨大、維護困難，并且網絡可靠性差。

不管在傳感層、傳輸層、控制層還是在后端的應用開發層，從系統工程的角度來看，利用5G技術具有更大的寬帶、更快的傳輸速度、更低的通信延時、更高的可靠性等優勢重構網絡整體架構等。筆者認為，煤礦井下應打造一個光纖/5G/DDA網融合通信系統，可實現井下有線、無線、寬帶、窄帶等數據的綜合接入與調度，配合遠程控制、無人駕駛、智能巡檢等技術，達到減員增效的目標，為智能化礦山建設提供傳輸與調度保障，如圖1所示。

圖1：煤礦井下光纖/5G/DDA網融合通信系統主要應用。

二、無線通信系統設計要點

無線通信可以理解為三個層面。第一個層面是點對點的無線通信，即設計優質的收發信機（俗稱無線通信模塊）。技術要點是以最低的代價（最小成本、最小功耗等）將最多的信息傳送到最遠的地方。第二個層面是點對多點的無線通信。它是建立在點對點無線通信基礎之上的，但是除設計優質的無線通信模塊之外，它還要考慮復用、功控、同步、共享、容量、路由、效率等多個因素，相對第一個層面要復雜很多。第三個層面是多點對多點的無線通信，要考慮的因素就更多了，但它也是以第一個層面和第二個層面為基礎的。

無線信道的傳輸特性決定了無線網絡設計與有線網絡設計的截然不同，隨機參數的無線信道不是理想的傳輸媒介。無線網絡提供給用戶的信道會受到射頻帶寬的限制。無線通信在空氣中傳播信號，固有的多徑效應會導致信號快速衰落。同時，信道上可能存在各種干擾和噪聲，所有的通信系統都希望用最小的代價克服和消除無線通信固有缺陷造成的影響，從而保證信號傳輸的有效性、可靠性、安全性。在數據傳輸速率和可靠性方面，無線網絡永遠無法與有線網絡相媲美。但是，無線網絡的方便不受連線束縛的特性，以及其組網迅速靈活，能應對臨時突發需要等優點，這促使了無線通信技術在近年來飛速發展。雖然其與有線網絡有不可跨越的距離，但在巨大需求的趨勢下，無線通信一直朝著速率更高、覆蓋范圍更加全面、服務更加便捷的方向快速發展。

三、井下無線通信可靠連接——DDA

DDA無線網絡通信技術是針對物聯網窄帶業務特點設計的協議和算法，QOS（業務質量控制）可控，可靠性大于99.9%，可以保證國防、工業、城市控制等各種應用場景的無線連接，而且時延可控和閾值可控，易于融入物聯網行業碎片化需求。

DDA是低功耗雙向實時通信系統，指標如圖2所示，適用于礦山井下大量分布式傳感器布局，以及井下傳感器、控制器離散型數據上下行特點。低功耗特別支持電池類傳感器進入礦山井下，降低了建設和維護成本。DDA通信可靠性大于99.9%，達到礦山井下安全等級。

圖2：DDA低功耗雙向實時通信系統指標。

四、井下無線通信安全連接——DDA量子秘鑰

非消費級無線連接和系統建設，最核心的兩個共性要求是可靠性和安全性。物聯網系統安全需求遠高于互聯網系統安全等級。物聯網系統的安全漏洞有可能導致物理世界的毀滅。傳統的加密機制無法長期保證物聯網系統安全連接和系統的安全運行，特別是量子計算機一旦問世，傳統的加密機制無法抵擋，只有量子加密技術才能從根本上解決。

借助量子加密機理提供的加密工具，客戶發送端的客戶數據，被加密形成密文數據包，將它（密文數據包）提交給DDA無線傳輸服務。DDA無線傳輸負責將其（密文數據包）無誤轉發至客戶接收端。接收到此密文數據包后，客戶實施解密得到明文數據。DDA物聯網傳輸系統僅僅完成了一次包數據的透傳，它并不知曉密文所含有的具體含義。

實際上，它在空間無線介質中提供了雙層的加密服務（圖3），第一層是客戶端自己加入的（信源加密），第二層是DDA無線加密傳輸系統加入的（信道加密）。