GSM900MHz無(wú)線通信系統(tǒng)在永平銅礦井下的應(yīng)用

方福平

江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334506

1 概述

永平銅礦是江西銅業(yè)集團(tuán)公司所屬的一座大型露天銅礦。2006年該礦生產(chǎn)方式由單一的露天開(kāi)采方式向井下開(kāi)采與露天聯(lián)采的方式轉(zhuǎn)變。為了提高井下開(kāi)采管理水平和調(diào)度通信的能力，以便加強(qiáng)管理力度，保證安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，該礦在露轉(zhuǎn)坑工程項(xiàng)目中組建了一套井下有線和無(wú)線通信系統(tǒng)，以滿足上述通信需求。

目前，井下礦山針對(duì)各個(gè)應(yīng)用業(yè)務(wù)采用的通訊技術(shù)與系統(tǒng)見(jiàn)下表1:

表1 井下礦山通信系統(tǒng)分類表

大多數(shù)井下礦山企業(yè)采用常規(guī)漏泄通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線通信，此方案應(yīng)用的時(shí)間比較早、比較成熟。但是隨著移動(dòng)通信的大眾化普及，手機(jī)已成為普通老百姓廣泛使用的通信工具，幾乎人手一機(jī)。泄露通信系統(tǒng)在應(yīng)用上存在一定的局限性（只能用專用的對(duì)講機(jī)通信），而且井下需要敷設(shè)大量的泄露電纜，泄露電纜在井下不易維護(hù)。永平銅礦結(jié)合目前通信技術(shù)水平和自身的實(shí)際情況決定在新建的井下礦山中采用GSM900MHz無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述

井下GSM900MHz移動(dòng)通信覆蓋是通過(guò)對(duì)井下進(jìn)行移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋和優(yōu)化，以提高井下的通話質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、系統(tǒng)容量。永平銅礦井下的通信系統(tǒng)由三個(gè)部分組成:無(wú)線信號(hào)源的設(shè)備（微蜂窩基站、宏蜂窩基站、直放站）；無(wú)線信號(hào)覆蓋設(shè)備:干線和支線放大器、功分器、耦合器、信號(hào)發(fā)射天線等設(shè)備；主要的布線（同軸饋線電纜、光纜線、電源線）；

根據(jù)永平銅礦井下巷道的地形結(jié)構(gòu)，在井下內(nèi)采用20套光纖直放站，近端采用一拖二、一拖三進(jìn)行巷道的覆蓋。井下天線安裝在巷道頂上。重發(fā)天線的安裝位置和高度只對(duì)現(xiàn)有巷道環(huán)境進(jìn)行分布覆蓋，只需考慮與現(xiàn)有井下頻率不重疊，即可避免同頻、鄰頻干擾問(wèn)題。要求井下各個(gè)巷道覆蓋系統(tǒng)的信號(hào)平衡，要求通信系統(tǒng)不能出現(xiàn)單通或者手機(jī)上顯示有信號(hào)但是不能打電話。天線型號(hào):使用全向吸頂天線、定向窄波束天線。為盡量節(jié)省信號(hào)在饋線的損耗，考慮到在井下巷道內(nèi)走線，饋線主要采用阻燃的1/2″饋線，以達(dá)到最佳的性價(jià)比。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)要求

1）上行噪聲分析:主機(jī)到基站的空間損耗=基站輸出功率-主機(jī)接收電平=43dBm-5dBm=38dB?；究诘脑肼曤娖?系統(tǒng)上行噪聲電平-系統(tǒng)主機(jī)到基站口的空間損耗，要求信源基站口的噪聲電平小于或等于-120dBm。所以系統(tǒng)上行噪聲電平小于或等于-120dBm加上-38dB等于-82dBm。系統(tǒng)上行噪聲電平等于121dBm加上系統(tǒng)上行噪聲系數(shù)再加上系統(tǒng)上行增益，系統(tǒng)的上行增益等于系統(tǒng)的上行噪聲電平加上121dBm再減去系統(tǒng)的上行噪聲系數(shù)等于35dB。因此由上面理論計(jì)算公式可以確定系統(tǒng)上行最大工作增益必須要大于35dB；

2）下行信號(hào)的計(jì)算:自由空間指的是相對(duì)的介電常數(shù)與相對(duì)的導(dǎo)磁都是為l（就是介電常數(shù)ε、導(dǎo)磁率μ分別等于真空介電常數(shù)ε。、真空磁導(dǎo)率μ。）的均勻介質(zhì)所存在的空間。它是一種理想的無(wú)限大的空間，也是現(xiàn)實(shí)生活中的某些實(shí)際空間為簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究而提出的一種科學(xué)的抽象。在研究無(wú)線電波在特殊環(huán)境的下傳播，若傳播介質(zhì)、障礙物對(duì)無(wú)線電波傳播的可以忽略其影響程度，可以認(rèn)為無(wú)線電波在這樣特殊的環(huán)境下是自由空間的傳播。自由空間傳播路徑信號(hào)的損耗，用下面的公式計(jì)算:Lbs=32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）。在上式中Lbs為自由空間傳播路徑信號(hào)的損耗，f取值范圍是從890MHz～960MHz，實(shí)際取值900MHz，代入上式中可以得到結(jié)果:L1（dB）=91.5+20lgd（km）。自由空間的損耗情況見(jiàn)表2；

表2 自由空間的損耗表

3）井下場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算:通過(guò)查詢上表可知距離為15m的自由空間損耗值為:55.02dB。吸頂天線增益為:2.15dBi。多路徑衰落余量:10dB。發(fā)射天線的下行最小的輸入功率為:8.3dBm。在距離發(fā)射天線15m處手機(jī)的場(chǎng)強(qiáng)為:8.3+2.15-55.02-10-15=-69.57dBm，其它地方信號(hào)均高于此值；

4）井下話務(wù)量:永平銅礦共四個(gè)主要中段層、輔助斜坡道和長(zhǎng)距離膠帶輸送道。假設(shè)某特定區(qū)域內(nèi)最多有500人，有90%的人在井下使用手機(jī)，而且有90%的人使用中國(guó)移動(dòng)信號(hào)，在井下巷道無(wú)線信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)最忙時(shí)的話務(wù)量為0.02Erl來(lái)計(jì)算。區(qū)域最大人口數(shù)量乘以手機(jī)使用率在乘以移動(dòng)使用率在乘以人均忙時(shí)話務(wù)量，結(jié)果為:500×90%×90%×0.02=8.1Erl?？梢灶A(yù)計(jì)總話務(wù)量在最繁忙時(shí)為:8.1Erl。技術(shù)上要求呼損指標(biāo)為:2%?？梢酝ㄟ^(guò)愛(ài)爾蘭B公式來(lái)確定移動(dòng)通信系統(tǒng)信道配置的選擇。呼損率為2%時(shí)在各個(gè)信道數(shù)下的容量（愛(ài)爾蘭）見(jiàn)表3；

表3 呼損率為2%時(shí)各個(gè)信道數(shù)容量表

查詢上表可得出結(jié)論:井下巷道覆蓋區(qū)所需的載頻數(shù)為直放站提供14個(gè)話音信道數(shù)和2個(gè)載頻數(shù)就可以滿足現(xiàn)有的話務(wù)量；

5）系統(tǒng)擴(kuò)容性:本系統(tǒng)全部設(shè)備采用寬頻，設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的功率及話務(wù)余量供以后擴(kuò)容用。在增加基站載波數(shù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑擴(kuò)容，對(duì)現(xiàn)有覆蓋系統(tǒng)不會(huì)造成任何影響。中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信等多家運(yùn)營(yíng)商2G及3G通信系統(tǒng)都可以與井下通信系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。國(guó)內(nèi)各個(gè)通信運(yùn)營(yíng)商的工作頻段見(jiàn)表4。

表4 通信運(yùn)營(yíng)商工作頻段表

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3 應(yīng)用效果及結(jié)論

目前，GSM900MHz無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)在永平銅礦井下已經(jīng)投運(yùn)了一年多時(shí)間，使用效果非常好。井下人員處在有無(wú)線信號(hào)覆蓋的巷道內(nèi)，手機(jī)幾乎滿格的信號(hào)，在接聽(tīng)手機(jī)時(shí)語(yǔ)音質(zhì)量很好，極少出現(xiàn)有手機(jī)顯示有信號(hào)但撥不出去或在接聽(tīng)手機(jī)時(shí)聲音斷斷續(xù)續(xù)或斷線?；贕SM900MHz無(wú)線通信系統(tǒng)在井下使用運(yùn)用收到良好的效果，該礦決定今后通過(guò)不斷的延伸無(wú)線通信系統(tǒng)擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)井下完全的無(wú)線通信。

無(wú)線通信系統(tǒng)成功應(yīng)用于井下礦山生產(chǎn)中，大大提高了井下人員的安全和生產(chǎn)效率。先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)有助于推行井下礦山企業(yè)管理的信息化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)煤礦、金屬及非金屬類礦山尤其是井下礦山的安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，要求井下礦山必須配置安全生產(chǎn)六大避險(xiǎn)系統(tǒng)。在井下六大避險(xiǎn)系統(tǒng)中，通訊方式如何解決是一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題，而井下無(wú)線通信技術(shù)恰好可以解決這一難題。

[1]尹久龍.大紅山銅礦井下綜合通訊系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].湖南有色金屬，2011(2).

[2]郭懷忠.直放站的應(yīng)用淺析[J].廣東通信技術(shù)，2004(S1).