基于WiFi無(wú)線接入技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)

吳青萍 傅郁松

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164 2.常州聯(lián)力通信科技有限公司 江蘇常州 213125)

基于WiFi無(wú)線接入技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)

吳青萍1傅郁松2

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164 2.常州聯(lián)力通信科技有限公司 江蘇常州 213125)

目前，小靈通技術(shù)在煤礦行業(yè)通信占統(tǒng)治地位，但是迫切需要一種替代技術(shù)應(yīng)用于煤礦行業(yè)通信。通過(guò)分析WiFi技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了基于WiFi技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能特點(diǎn)及通訊過(guò)程。

小靈通;WiFi技術(shù);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);IP-PBX

隨著國(guó)家能源的市場(chǎng)化運(yùn)作，煤炭在我國(guó)能源體系的戰(zhàn)略地位越來(lái)越重要，國(guó)家于多年前就提出建設(shè)“數(shù)字化礦井”，即是用高科技的手段提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)各大中型礦企都積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，大力推進(jìn)全自動(dòng)化礦井建設(shè)，小靈通一度成為煤礦行業(yè)通信的統(tǒng)治者。小靈通技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)占據(jù)的頻段是1 900～1 920 MHz，而該頻段正好和國(guó)家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)3G技術(shù)TD-SCDMA使用的頻段相沖突。為了讓TD-SCDMA技術(shù)得到廣泛推廣和應(yīng)用，2009年2月，國(guó)家工信部發(fā)文明確要求小靈通要在2011年年底完成清頻退網(wǎng)工作，騰出相關(guān)頻段供3G技術(shù)發(fā)展。很多業(yè)內(nèi)人士都擔(dān)憂以前完全占據(jù)統(tǒng)治地位的小靈通的全身而退會(huì)對(duì)煤礦應(yīng)用通信造成較大的困擾，但WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)卻以其覆蓋范圍廣、傳輸速度高、布網(wǎng)成本低的優(yōu)勢(shì)走入行業(yè)應(yīng)用者的視線，成為當(dāng)仁不讓的替代技術(shù)。

1 WiFi技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 WiFi技術(shù)

WiFi全稱Wireless Fidelity，譯為“無(wú)線相容認(rèn)證”，是指以IEEE802.11b規(guī)范為基礎(chǔ)的無(wú)線局域網(wǎng)，IEEE802.11b是IEEE802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的擴(kuò)展，它是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，采用波段是2.4 GHz。最高帶寬為11 Mbps，在有干擾信號(hào)或信號(hào)較弱的情況下，帶寬可自動(dòng)調(diào)整為5.5 Mbps、2 Mbps和1 Mbps，這樣便有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。其主要特性為:傳輸速度快、可靠性高，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)的成本相比小靈通更低。

WiFi屬于無(wú)線保真技術(shù)，該技術(shù)使用的是2.4～2.483 GHz的頻段，該頻段目前尚屬無(wú)需許可的無(wú)線頻段。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作WiFi。

1.2 WiFi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiFi是由AP和無(wú)線網(wǎng)卡組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WiFi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

AP全稱AccessPoint，一般翻譯為“無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)”或“橋接器”。它主要在媒體存取控制層MAC中扮演無(wú)線工作站及有線局域網(wǎng)絡(luò)的橋梁。有了AP就像一般有線網(wǎng)絡(luò)的HUB一般，無(wú)線工作站可以快速且輕易地與網(wǎng)絡(luò)相連，就像手機(jī)或小靈通的基站一樣，提供射頻和空中接口的功能［1］。無(wú)線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的CLIENT端設(shè)備。任何一臺(tái)無(wú)線終端均可透過(guò)AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源。

由圖1可以看出，WiFi就是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，以前通過(guò)網(wǎng)線連網(wǎng)，而現(xiàn)在則通過(guò)無(wú)線電波來(lái)連網(wǎng);WiFi可以使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶獲得以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能、速率和可用性。

2 WiFi與小靈通技術(shù)比較

WiFi網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)輕松的部署，架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本配備就是無(wú)線網(wǎng)卡及AP，如此便能以無(wú)線的模式，配合現(xiàn)在礦上已有基于IP的工業(yè)以太網(wǎng)的有線架構(gòu)來(lái)分享網(wǎng)絡(luò)資源;每個(gè)AP可支持8部以上的手機(jī)同時(shí)通話;它使用開(kāi)放的2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s，若無(wú)線網(wǎng)卡使用IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)，其無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸率甚至可以達(dá)到300 Mb/s;WiFi無(wú)需布線傳播，無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，有效距離長(zhǎng)，能達(dá)到約500米的直線傳輸距離;WiFi通訊系統(tǒng)在保證傳輸語(yǔ)音質(zhì)量的同時(shí)，還能傳輸數(shù)據(jù)、圖像、視頻等業(yè)務(wù)。而小靈通系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只支持3部手機(jī)同時(shí)通話;傳輸速度慢，最大數(shù)據(jù)傳輸速率僅為384 kb/s。小靈通功能單一，只能傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)，也很難再有更多的擴(kuò)展性，另外由于小靈通的傳輸為非IP方式，與現(xiàn)有普遍應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)很難共用傳輸線路，需要另外增加線路敷設(shè)，會(huì)額外增加用戶使用成本。

可見(jiàn)，WiFi的系統(tǒng)性能遠(yuǎn)超越小靈通技術(shù)。它可實(shí)現(xiàn)輕松的部署WIFI基站，就近接入IP網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全互聯(lián)，無(wú)線WIFI終端可輕松接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井上、井下的無(wú)線調(diào)度終端部署，完全基于統(tǒng)一平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的有線、無(wú)線調(diào)度功能?，F(xiàn)在已有多家廠商成功將WiFi應(yīng)用于煤礦井下。

3 基于WiFi技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)以礦井光纖網(wǎng)為整個(gè)系統(tǒng)的主干傳輸平臺(tái)，以TCP/IP協(xié)議為基本架構(gòu)，以WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為延伸，形成有線主干與無(wú)線終端相結(jié)合的方式，覆蓋井下部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)人員的語(yǔ)音通訊、人員管理、數(shù)字化視頻監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供了一個(gè)共用的平臺(tái);也為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急救援與安全監(jiān)控與督察提供了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

WiFi無(wú)線通信系統(tǒng)由管理主機(jī)、UPS電源、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、IP PBX、礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、礦用本安手機(jī)、礦用無(wú)線通信基站組成?？捎糜诰暇聼o(wú)線通信、人員定位、各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)、視頻等多媒體信號(hào)無(wú)線傳輸及構(gòu)建井下無(wú)線局域網(wǎng)。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 基于WiFi技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)組成框圖

語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)一側(cè)連接已有數(shù)字程控交換機(jī)(PBX)，一側(cè)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)與IPPBX連接，實(shí)現(xiàn)IPPBX與PSTN的互連互通，將IP網(wǎng)絡(luò)與固定電話網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)完美結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于公網(wǎng)、專網(wǎng)有線、無(wú)限用戶的綜合指揮調(diào)度。

IP PBX融合了PBX、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、IP路由和防火墻等多種功能，可直接連接IP語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)，也可以直接連接模擬語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)(如直接與PBX、PSTN和VoIP虛擬運(yùn)營(yíng)商等互聯(lián)互通)，將語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)融合到一個(gè)通信平臺(tái)中。

井上基站(地面AP)是為了配合地面無(wú)線信號(hào)的覆蓋，一般類似于小靈通大基站，采用大功率基站來(lái)覆蓋，除了能夠滿足語(yǔ)音通信以外，還能為地面辦公室人員的無(wú)線上網(wǎng)、中短途數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┓?wù)。

礦用本安交換機(jī)為解決井下IP數(shù)據(jù)匯聚傳輸?shù)脑O(shè)備。礦用本安無(wú)線基站(井下AP)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)、無(wú)線收發(fā)單元，是移動(dòng)終端與礦用交換機(jī)之間的無(wú)線通信傳輸中轉(zhuǎn)站。

礦用本安手機(jī)是本質(zhì)安全型基于語(yǔ)音的無(wú)線IP電話，能夠提供VoIP功能，可以共享IP網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具有商用手機(jī)的各種功能。

3.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1)系統(tǒng)傳輸基于現(xiàn)在礦上已有的基于IP的工業(yè)以太網(wǎng)，基站的供電以集中遠(yuǎn)程為主，就地取電為輔，基站信號(hào)傳輸以銅纜為主，干線傳輸以光纜為主。系統(tǒng)通訊線路采用靈活方便的星型結(jié)合樹型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中任一過(guò)程點(diǎn)出現(xiàn)異常，對(duì)其它基站沒(méi)有影響;同時(shí)系統(tǒng)通訊設(shè)備采用了標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，具有很強(qiáng)的網(wǎng)管能力［2］。

2)利用現(xiàn)成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為干線，對(duì)于礦方用戶綜合成本低，維護(hù)及時(shí);通過(guò)開(kāi)放的WiFi協(xié)議，可方便接入符合WiFi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，同時(shí)將寬帶無(wú)線通訊技術(shù)引入井下，實(shí)現(xiàn)了礦井寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與調(diào)度系統(tǒng)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)全礦井安全生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸［3］。

3)通過(guò)高性能語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)作為中心語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在組網(wǎng)能力、互通兼容性等方面都具有良好的支持，支持各級(jí)VoIP規(guī)模的產(chǎn)品，有E1語(yǔ)音模塊，支持FXO、FXS等接口，連接PBX或普通電話，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)在傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，為煤礦企業(yè)提供高質(zhì)量、低費(fèi)用的語(yǔ)音互聯(lián)。

4)IP PBX融合了TDM、VoIP、軟交換等多種通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)與模擬語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)的連接，可以保護(hù)原有投資和兼容傳統(tǒng)語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)IP語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)連接能有效地減少電纜的鋪設(shè)，增加通信網(wǎng)絡(luò)的可移動(dòng)性、可擴(kuò)展性;同時(shí)由于基站的功率很小，約3～5 W，每對(duì)線路上電流可以很小，如用井下照明電127 V，線路上可以限制最大電流為 40～50 mA，施工及維護(hù)相當(dāng)簡(jiǎn)單。

5)基站中的AP設(shè)備網(wǎng)管和SIP數(shù)據(jù)以端口分開(kāi)，SIP數(shù)據(jù)提供給IPPBX進(jìn)行語(yǔ)音及短消息等處理。網(wǎng)管提供對(duì)AP的各參數(shù)設(shè)置，同時(shí)網(wǎng)管定時(shí)取AP中的終端用戶數(shù)據(jù)，以AP的地址+SSID作為人員定位的依據(jù)。

3.3 系統(tǒng)通訊過(guò)程

根據(jù)煤礦實(shí)際情況和需要，在井上、井下設(shè)立若干個(gè)無(wú)線通信基站(AP)，建立WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，系統(tǒng)通過(guò)帶有WiFi模塊的手機(jī)等WiFi終端設(shè)備來(lái)進(jìn)行通信。位于地面的管理主機(jī)通過(guò)交換機(jī)分配給進(jìn)入到無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域的每一臺(tái)WiFi終端設(shè)備一個(gè)IP地址，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在通電的情況下，AP會(huì)向周圍發(fā)射信號(hào)，用以偵聽(tīng)?zhēng)в蠾iFi終端設(shè)備的存在;WiFi終端設(shè)備每隔一定時(shí)間向AP主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，發(fā)射周期可根據(jù)用戶實(shí)際需要自行設(shè)置，AP接收到WiFi終端設(shè)備發(fā)出的信號(hào)后并將信號(hào)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上傳到地面管理主機(jī)，這樣管理主機(jī)就可判斷并記錄其具體分布位置等信息。

呼叫時(shí)AP收到WiFi終端發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，并將其調(diào)制打包后通過(guò)礦用交換機(jī)送到地面管理主機(jī)，經(jīng)軟件處理后又經(jīng)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送到覆蓋被呼叫WiFi終端所在區(qū)域的AP，被呼叫WiFi終端接收信號(hào)后經(jīng)過(guò)振鈴提示并調(diào)制成語(yǔ)音給WiFi終端持有者，完成一次通話。

由于WiFi的傳輸速度遠(yuǎn)高于小靈通，并且WiFi的頻段在世界范圍內(nèi)是無(wú)需任何電信運(yùn)營(yíng)執(zhí)照的開(kāi)放頻段，因此WiFi無(wú)線設(shè)備提供了一個(gè)世界范圍內(nèi)可以使用的、費(fèi)用極其低廉且數(shù)據(jù)帶寬極高的無(wú)線空中接口。WiFi通訊系統(tǒng)憑借其優(yōu)異的功能和性能勢(shì)必成為煤礦安全通訊不可或缺的利器。

［1］ 陳文周.WiFi技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.數(shù)據(jù)通信，2008 (2):14-17.

［2］ 楊娟，郭江濤.WiFi通訊技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2008(2):49-51.

［3］ 魯艷，毛旭.基于WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)比分析［J］.廣東通信技術(shù)，2007(3):25-29.

Coal Mine Communication System Based on WiFi Technology

WU Qing-ping1FU Yu-song2

(1.School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164 2.Changzhou Lianli Communication Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213125，China)

At present，Personal Access Phone System technology plays an important role in communication of coal mining industry，it is also a kind of communication which needs to be replaced by other technologies.By analyzing the WiFi technology and the network structure，the paper provides communication design of coal mine industry based on WiFi technology.It also introduces the structure，features of the system and the communication process.

Personal Access Phone System;WiFi technology;Network structure;IP-PBX

TD 655

B

1672-2434(2010)06-0021-03

2010-09-14

吳青萍(1969-)，女，副教授、高級(jí)工程師，從事研究方向:電子技術(shù)教學(xué)、通信類產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)