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(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在煤礦應用所必須進行的數(shù)字基礎設施建設。煤礦“新基建”不僅僅是指傳統(tǒng)意義上的先進通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等信息基礎設施，還應拓展包括大數(shù)據(jù)服務、云計算服務、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(guī)模直接在煤礦井下應用。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、低功耗設計、通信可靠性、數(shù)據(jù)安全性、魯棒性、易用性、多頻道自適應等多項通信技術(shù)指標遠超國內(nèi)外同類技術(shù)。DDA是基于集群通信機制的一種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。通過網(wǎng)絡中心調(diào)度和控制使用網(wǎng)絡中的通信路徑，DDA從各層面、各角度建立了完善的、國產(chǎn)化的、自主可控的安全機制，能夠?qū)崿F(xiàn)“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(tǒng)網(wǎng)絡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，不同時期、不同業(yè)務需求，導致大多數(shù)煤礦企業(yè)采用重復建設多個工業(yè)環(huán)網(wǎng)的辦法實現(xiàn)當時的設計目標，使得井下網(wǎng)絡呈“蜘蛛網(wǎng)”，建設成本巨大、維護困難，并且網(wǎng)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(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、更高的可靠性等優(yōu)勢重構(gòu)網(wǎng)絡整體架構(gòu)等。筆者認為，煤礦井下應打造一個光纖/5G/DDA網(wǎng)融合通信系統(tǒng)，可實現(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，配合遠程控制、無人駕駛、智能巡檢等技術(shù)，達到減員增效的目標，為智能化礦山建設提供傳輸與調(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)主要應用。

二、無線通信系統(tǒng)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(yōu)質(zhì)的收發(fā)信機（俗稱無線通信模塊）。技術(shù)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(yōu)質(zhì)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(wǎng)絡設計與有線網(wǎng)絡設計的截然不同，隨機參數(shù)的無線信道不是理想的傳輸媒介。無線網(wǎng)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(tǒng)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?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)絡永遠無法與有線網(wǎng)絡相媲美。但是，無線網(wǎng)絡的方便不受連線束縛的特性，以及其組網(wǎng)迅速靈活，能應對臨時突發(fā)需要等優(yōu)點，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(fā)展。

三、井下無線通信可靠連接——DDA

DDA無線網(wǎng)絡通信技術(shù)是針對物聯(lián)網(wǎng)窄帶業(yè)務特點設計的協(xié)議和算法，QOS（業(yè)務質(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(lián)網(wǎng)行業(yè)碎片化需求。

DDA是低功耗雙向?qū)崟r通信系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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?qū)崟r通信系統(tǒng)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(tǒng)建設，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致物理世界的毀滅。傳統(tǒng)的加密機制無法長期保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全連接和系統(tǒng)的安全運行，特別是量子計算機一旦問世，傳統(tǒng)的加密機制無法抵擋，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。DDA無線傳輸負責將其（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。

實際上，它在空間無線介質(zhì)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(tǒng)加入的（信道加密）。

圖3：DDA雙層加密服務。

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)濟工作會議精神“強化國家戰(zhàn)略科技力量，增強產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈自主可控能力”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）有效地彌補了國家一項空白，有望成為國家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐關鍵技術(shù)之一。

編輯：hfy