摘   要 ：面向井下高阻尼与非视距等复杂环境下的 5G 通信需求,开展多频段融合组网资源分配优化研究,构建融合低频广覆盖与高频大带宽特性的多频段组网模型,设计多目标资源分配优化算法,在保障通信可靠性的基础上提升频谱利用效率。仿真结果显示, 所提方法在信道容量、覆盖性能及干扰抑制方面优于传统方案。研究成果可为煤矿、隧道等典型场景下的 5G网络部署与调度提供技术支撑。

       关键词 ：井下通信 ；5G 融合组网 ；多频段调度 ；资源分配优化

       引言

       井下空间结构封闭曲折、壁面材质复杂且伴随强烈电磁干扰,导致无线信号衰减显著、多径效应增强与通信链路不稳定,传统通信手段在覆盖连续性、数据速率与实时性方面均难以满足实际作业需求。5G 通信系统以其低延迟、高可靠与多频段支持等优势,为井下作业环境中的网络构建提供了可行路径。多频段融合组网可兼顾低频段的广覆盖能力与高频段的大带宽特性,在空间受限区域实现分布式、高密度的无线覆盖。井下环境中信道状态高度动态、节点分布高度非均匀,网络资源调度亟需具备频谱感知、链路评估与动态分配能力。资源分配策略若不能适应多频段特性与异构业务需求,极易引发频谱冲突或通信瓶颈。构建面向融合组网的资源分配优化机制,有助于提升频谱利用率与调度灵活性,强化系统整体鲁棒性,推动 5G 技术在煤矿、隧道与地下设施中的工程化落地与智能化转型。

       1 井下 5G 多频段通信建模

       1.1   信道特性与传播模型构建

       井下环境通常具有结构封闭、壁面粗糙、反射路径多样的空间特性,电磁波在传输过程中易受到衰减、散射与多径效应的叠加干扰。针对不同频段信号的传播行为, 需结合环境介质、电磁参数与路径结构建立精细化传播模型。低频信号在井下表现出较强的穿透能力,但易产生反射波叠加 ；高频信号具备较高的传输速率,但路径损耗明显,建模过程中应综合考虑视距与非视距场景下的传播机制。基于对数距离路径损耗模型,在传统自由空间传播模型基础上引入环境衰减因子,如式（1）所示 ：

       式中, PL(d) 为距离 d 处的路径损耗 ；PL(d0) 为参考距离 d0 处的路径损耗 ；n 为路径损耗指数 ；Xσ 为服从高斯分布的阴影衰落项。模型参数需通过实际测试数据拟合获取,以适配井下多场景环境下的传播特性,如巷道直段、交叉口、设备密集区等,保证传播建模具备空间分辨能力与频段适配能力,为后续资源分配与信道估计提供准确依据。

       1.2   多频段链路的覆盖与干扰特征

       井下 5G 系统采用多频段融合方式部署,覆盖能力与干扰特征呈现显著差异。低频段如 700MHz 具备良好的绕射与穿透能力,适用于远距离覆盖和弱场景信号补偿 ；中高频段如 2.6GHz 或 3.5GHz 则提供更高的频谱效率和数据承载能力,适用于局部高密度区域或数据回传链路。在频率复用与链路重叠区域,多频段间存在明显的干扰耦合关系,尤其在空间封闭或节点密集环境中,容易形成高强度同频干扰与交叉干扰 [1]。干扰特性受频段间隔、节点发射功率、路径结构与反射材质影响,需基于干扰热图与接收干扰功率估算建立区域干扰评价机制。为了提高系统整体干扰控制能力,通信链路规划中需构建频段动态分区机制,结合链路质量、使用频率与网络拓扑信息,动态调整不同区域的频段配置策略,提升高频段复用效率并削弱边界干扰扩散,优化多频段协同调度基础。

       2   融合组网机制设计

       2.1   多频段异构接入策略

       针对井下通信环境中多种频段信号传播特性差异显著、通信需求分布不均的问题,需构建多频段异构接入策略以提升组网的灵活性与覆盖完整性。不同频段具备不同的服务定位功能,低频段适合远距离广播和基础连接保障,中频段适合高并发控制命令和监测数据回传,高频段则更适用于高速图像传输和局域高清视频回放。异构接入策略应以节点功能划分与频段资源条件为基础,采用多层级接入结构,在网络边缘引导终端设备根据链路质量、自身服务类型与频谱占用情况选择接入频段。策略中应引入频段适配因子作为动态接入阈值,使终端根据实时链路测量结果选择当前最优接入频段,避免频段固化导致的资源浪费和干扰重叠。接入控制机制需结合授权接入与非授权接入双通道调度模式,在关键任务数据传输中启用优先通道预留策略,对延迟敏感型业务或高优先级控制信号设置频段预分配保障。

       2.2   路由选择与频段映射机制

       融合组网中多频段间的路由选择需兼顾传输质量、链路代价与频段匹配程度,以避免因频段选择不当引发通信瓶颈与干扰增益。构建联合路径代价函数时需综合考虑每段链路的平均接收信噪比、跳数、频段拥塞度和历史传输稳定性,采用加权评估方式形成可比较路径集。在路由选择过程中,引入频段匹配优先级规则,当存在多个可用路径时优先选取频段连续性高的路径,避免频段频繁切换导致的中断或重传 [2]。映射机制应基于频段覆盖区域的分布与节点频谱感知结果建立动态频段状态图谱,每个节点维护可接入频段及其对应链路质量状态,用于支持跨频段数据流重定向与负载转移。为保证数据流在频段切换过程中的无缝衔接,需设计快速频段切换机制,结合预测性带宽估计与链路稳定性评估,提前完成频段切换准备,在数据流过渡阶段维持多频段同步监听,提升路由重构的稳定性与效率。

       2.3   节点协同调度架构设计

       融合组网的资源优化要求网络中的各通信节点具备协同感知、信息共享与调度响应能力。在井下多频段复杂组网场景中,单点节点难以完成全局调控,需构建分布式协同调度架构。该架构以控制节点集群为核心,每个控制节点负责特定频段与区域的资源监测与调度指令下发,非控制节点则执行频谱状态回报、数据转发与接入控制等功能。为提升资源配置的敏捷性,架构中设置节点之间的调度信息广播通道,允许临近节点基于本地状态做出相互间的资源让渡与链路调度协商,构建具有边缘自治特性的调度框架 [3]。调度策略设计上,引入负载感知与信道预测联合驱动机制,使节点在进行资源请求或释放时具备前瞻性判断能力,减少频繁重调引发的网络波动。架构设计中各模块之间的功能关系如图 1 所示,展示了以协同调度控制器为中心的分布式控制结构,包含频段分配模块、路由更新模块、干扰协调模块与接入控制模块,各模块间通过状态感知通道与控制链路保持同步更新,保证调度响应具备低延迟和全局一致性。

       3   资源分配优化算法构建

       3.1   多目标资源分配模型建立

       井下 5G 多频段融合组网面临多源业务并发与通信链路波动剧烈等现实问题,资源分配策略必须兼顾频谱利用率与系统能耗之间的平衡,构建多目标联合优化模型成为关键。模型设计中设定优化目标函数为联合最大化系统总吞吐量、最小化平均端到端延迟与降低整体功耗,同时引入频段切换代价函数控制频段动态调度开销。令 Rfi,j  表示频段f上节点 i 与节点j 之间的速率, xfi,j  ∈ {0,1} 表示是否在频段f上分配该链路,模型目标函数如式（2）所示 ：

       式中, Davg  为平均时延 ；Ptotal  为系统总功耗 ；α、β为权重因子,用于控制多目标之间的相对重要性。约束条件包括节点频谱资源上限、链路最大连接数、频段切换次数限制与业务服务优先级要求,保证模型求解具有物理可行性与资源调度合理性。

       3.2   算法求解流程与约束条件设置

       为解决上述非线性且多约束优化问题, 设计基于改进粒子群优化（IPSO）的资源调度算法。算法初始化阶段构建资源调度向量群体,并对每个粒子进行频段占用率、路径链路质量与功耗效率的多维度编码 ；在迭代过程中引入动态权重调整机制, 使粒子在搜索早期保持全局探索能力,在收敛后期增强局部精度调优 [4]。适应度函数综合考虑吞吐量增益、延迟成本与频段分布均衡度,利用交叉互换与局部扰动机制提升全局收敛速度。约束设置中采用惩罚函数法处理不可行解,将不满足带宽分配或频段拥塞条件的调度解赋予高惩罚值, 从而引导搜索方向远离不合理解域。频段切换约束依靠设置粒子在连续更新周期内频段变更次数限制进行控制,避免调度震荡与资源波动。

       3.3   仿真验证与性能指标分析

       为验证所构建资源优化算法在井下多频段组网场景中的调度性能,构建包含主巷、工作面与分支巷道的三段式拓扑模拟环境,部署不同频段接入节点,构造 50组业务请求,其中包括实时监控视频流、环境监测传感数据与井下人员语音通信 [5]。采用 NS-3 平台进行通信仿真,分别测试传统静态频段分配算法和单目标吞吐量最大化算法与所提 IPSO 多目标算法在不同业务负载下的性能差异,评价指标包括系统平均吞吐量与单位带宽能效,仿真结果如表 1 所示。

       IPSO 优化算法在保证较高吞吐性能的基础上显著降低了平均通信时延和频谱能耗,在多业务混合承载情况下表现出更优的调度稳定性和频段利用效率。

       4   结语

       本文针对井下环境中结构封闭、电磁干扰强与频段资源分布复杂等问题,构建了融合多频段特性的传播建模体系与异构接入架构,设计了具备协同控制能力的调度机制, 并引入多目标优化算法实现资源分配方案的动态调控与能效平衡。研究结果表明,该方法能够在保障通信质量的同时提升频谱使用效率与终端服务稳定性,为井下 5G组网策略提供技术路径支撑。未来研究可面向现场部署环境, 引入机器学习模型进行资源感知预测与控制策略自演化,进一步提升系统智能化水平与动态适应能力。

参考文献

[1] 于鹏飞,孙德鹏,孙作训,等.非煤矿山井下电力载波通信技术研究与应用[J].中国设备工程,2025(S1):61-63.

[2] 李飞龙,丁文博,张喜军.基于光纤通信的无线物联网井下传感网络设计与优化研究[J].中国煤炭,2024,50(S1):63-67.

[3] 张海洋,曾湘东,胡军,等.基于智能完井系统的井下流量控制与通信技术分析[J].中国石油和化工标准与质量,2024,44(20): 133-135.

[4] 董丹,王超,李浩然.无线通信技术在煤矿井下人员定位系统安装中的应用[J].信息与电脑(理论版),2024,36(15):145-148.

[5] 张鹏辉.直流载波-无线传输的井下电缆湿接头通信技术研究[D].西安:西安石油大学,2024.