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(qiáng)、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(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在煤礦應(yīng)用所必須進(jìn)行的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。煤礦“新基建”不僅僅是指傳統(tǒng)意義上的先進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等信息基礎(chǔ)設(shè)施，還應(yīng)拓展包括大數(shù)據(jù)服務(wù)、云計(jì)算服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以及智能傳感器、煤礦機(jī)器人等各類智能裝備，為煤礦智能化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。煤礦井下情況復(fù)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(guī)模直接在煤礦井下應(yīng)用。DDA是完全國產(chǎn)化的一個窄帶無線通信協(xié)議，其通信距離、低功耗設(shè)計(jì)、通信可靠性、數(shù)據(jù)安全性、魯棒性、易用性、多頻道自適應(yīng)等多項(xiàng)通信技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超國內(nèi)外同類技術(shù)。DDA是基于集群通信機(jī)制的一種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。通過網(wǎng)絡(luò)中心調(diào)度和控制使用網(wǎng)絡(luò)中的通信路徑，DDA從各層面、各角度建立了完善的、國產(chǎn)化的、自主可控的安全機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)“反恐級別”的安全性能。

目前隨著煤礦推進(jìn)智能化改造、煤礦“新基建”和煤礦人工智能等工作，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由于老化和延遲已經(jīng)不能滿足煤礦日益發(fā)展的需求。由于歷史造成的原因，不同時(shí)期、不同業(yè)務(wù)需求，導(dǎo)致大多數(shù)煤礦企業(yè)采用重復(fù)建設(shè)多個工業(yè)環(huán)網(wǎng)的辦法實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得井下網(wǎng)絡(luò)呈“蜘蛛網(wǎng)”，建設(shè)成本巨大、維護(hù)困難，并且網(wǎng)絡(luò)可靠性差。

不管在傳感層、傳輸層、控制層還是在后端的應(yīng)用開發(fā)層，從系統(tǒng)工程的角度來看，利用5G技術(shù)具有更大的寬帶、更快的傳輸速度、更低的通信延時(shí)、更高的可靠性等優(yōu)勢重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)等。筆者認(rèn)為，煤礦井下應(yīng)打造一個光纖/5G/DDA網(wǎng)融合通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)井下有線、無線、寬帶、窄帶等數(shù)據(jù)的綜合接入與調(diào)度，配合遠(yuǎn)程控制、無人駕駛、智能巡檢等技術(shù)，達(dá)到減員增效的目標(biāo)，為智能化礦山建設(shè)提供傳輸與調(diào)度保障，如圖1所示。

圖1：煤礦井下光纖/5G/DDA網(wǎng)融合通信系統(tǒng)主要應(yīng)用。

二、無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無線通信可以理解為三個層面。第一個層面是點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信，即設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的收發(fā)信機(jī)（俗稱無線通信模塊）。技術(shù)要點(diǎn)是以最低的代價(jià)（最小成本、最小功耗等）將最多的信息傳送到最遠(yuǎn)的地方。第二個層面是點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信。它是建立在點(diǎn)對點(diǎn)無線通信基礎(chǔ)之上的，但是除設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的無線通信模塊之外，它還要考慮復(fù)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(fù)雜很多。第三個層面是多點(diǎn)對多點(diǎn)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(chǔ)的。

無線信道的傳輸特性決定了無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的截然不同，隨機(jī)參數(shù)的無線信道不是理想的傳輸媒介。無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)會導(dǎo)致信號快速衰落。同時(shí)，信道上可能存在各種干擾和噪聲，所有的通信系統(tǒng)都希望用最小的代價(jià)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?shù)挠行?、可靠性、安全性。在?shù)據(jù)傳輸速率和可靠性方面，無線網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)無法與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美。但是，無線網(wǎng)絡(luò)的方便不受連線束縛的特性，以及其組網(wǎng)迅速靈活，能應(yīng)對臨時(shí)突發(fā)需要等優(yōu)點(diǎn)，這促使了無線通信技術(shù)在近年來飛速發(fā)展。雖然其與有線網(wǎng)絡(luò)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(wù)更加便捷的方向快速發(fā)展。

三、井下無線通信可靠連接——DDA

DDA無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是針對物聯(lián)網(wǎng)窄帶業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，QOS（業(yè)務(wù)質(zhì)量控制）可控，可靠性大于99.9%，可以保證國防、工業(yè)、城市控制等各種應(yīng)用場景的無線連接，而且時(shí)延可控和閾值可控，易于融入物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)碎片化需求。

DDA是低功耗雙向?qū)崟r(shí)通信系統(tǒng)，指標(biāo)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(shù)據(jù)上下行特點(diǎn)。低功耗特別支持電池類傳感器進(jìn)入礦山井下，降低了建設(shè)和維護(hù)成本。DDA通信可靠性大于99.9%，達(dá)到礦山井下安全等級。

圖2：DDA低功耗雙向?qū)崟r(shí)通信系統(tǒng)指標(biāo)。

四、井下無線通信安全連接——DDA量子秘鑰

非消費(fèi)級無線連接和系統(tǒng)建設(shè)，最核心的兩個共性要求是可靠性和安全性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全需求遠(yuǎn)高于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全等級。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全漏洞有可能導(dǎo)致物理世界的毀滅。傳統(tǒng)的加密機(jī)制無法長期保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全連接和系統(tǒng)的安全運(yùn)行，特別是量子計(jì)算機(jī)一旦問世，傳統(tǒng)的加密機(jī)制無法抵擋，只有量子加密技術(shù)才能從根本上解決。

借助量子加密機(jī)理提供的加密工具，客戶發(fā)送端的客戶數(shù)據(jù)，被加密形成密文數(shù)據(jù)包，將它（密文數(shù)據(jù)包）提交給DDA無線傳輸服務(wù)。DDA無線傳輸負(fù)責(zé)將其（密文數(shù)據(jù)包）無誤轉(zhuǎn)發(fā)至客戶接收端。接收到此密文數(shù)據(jù)包后，客戶實(shí)施解密得到明文數(shù)據(jù)。DDA物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)僅僅完成了一次包數(shù)據(jù)的透傳，它并不知曉密文所含有的具體含義。

實(shí)際上，它在空間無線介質(zhì)中提供了雙層的加密服務(wù)（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(tǒng)加入的（信道加密）。

圖3：DDA雙層加密服務(wù)。

五、結(jié)束語

在目前百年不遇之世界大變局，以及2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會議精神“強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈自主可控能力”等大背景下，國產(chǎn)無線通信協(xié)議DDA（DDA是目前唯一的國產(chǎn)無線通信協(xié)議）有效地彌補(bǔ)了國家一項(xiàng)空白，有望成為國家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐關(guān)鍵技術(shù)之一。

編輯：hfy