淺析礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)及應用

內(nèi)蒙古鄂爾多斯永煤礦業(yè)投資有限公司 王 勇

1.我國礦用無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦用調(diào)度通信和行政通信系統(tǒng)經(jīng)過多年建設和發(fā)展，取得了較大的發(fā)展。部分國有老礦建立了以程控交換技術(shù)為主的有線通信調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了語音通話、電話調(diào)度功能，但系統(tǒng)存在調(diào)度效率低，調(diào)度范圍小的問題；新建或技術(shù)改造后的大中型煤礦增加了礦用小靈通調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)以語音業(yè)務為主，缺乏寬帶數(shù)據(jù)和智能業(yè)務，難以滿足建設智慧礦山的發(fā)展需要。

2.我國礦用無線通信技術(shù)發(fā)展歷程

我國礦用無線通信產(chǎn)業(yè)大致經(jīng)歷了PHS（Personal Handy-phone System-小靈通）、Wi-Fi（Wireless Fidelity-無線保真）、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access-時分同步碼分多址）技術(shù)為代表的三個演化進程。

PHS技術(shù)早期起源于日本，通過微蜂窩基站實現(xiàn)無線覆蓋，將手機終端以無線的方式接入本地電話網(wǎng)，不過小靈通在日本市場沒有取得太大的應用。經(jīng)過美國UT斯達康公司改進之后，該技術(shù)于1998年引入我國，2006年后開始逐步應用于礦山通信領(lǐng)域。目前面臨清頻政策導致產(chǎn)業(yè)鏈斷鏈帶來的后續(xù)維護及發(fā)展的限制。

Wi-Fi是一種商業(yè)認證，屬短距離無線局域網(wǎng)技術(shù)。主要解決計算機用戶最后一百米接入問題，也是計算機網(wǎng)絡無線傳輸標準，技術(shù)規(guī)范主要包含802.11a、802.11b、802.11g、802.11n。通常被應用于熱點覆蓋，如飛機場、酒店、會議室、餐飲店等場所。其語音業(yè)務采用分組交換IP交換技術(shù)，Qos保證方面存在語音延遲大，話音質(zhì)量差、終端耗電量大等弊端，作為實時通信系統(tǒng)技術(shù)應用還存在一定問題。依據(jù)802.11標準及國家無委會對2.4G頻段擴頻設備的使用規(guī)定，該頻段的工作頻率為2400MHz-2483.5MHz，帶寬為83.5MHz，最多有11個可用信道。

TD-SCDMA是由中國提出的第三代移動通信標準，是以我國知識產(chǎn)權(quán)為主、被國際廣泛接受和認可的無線通信國際標準，是我國電信史上重要的里程碑。其在頻譜利用率、頻率靈活性、業(yè)務支持性及成本等方面有獨特優(yōu)勢。礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)中的手持終端有別于PHS和Wi-Fi的技術(shù)特色在于公網(wǎng)、專網(wǎng)可使用同一手持終端和SIM卡，完成公網(wǎng)和礦用井下專網(wǎng)的注冊業(yè)務和呼叫業(yè)務。

無線通信產(chǎn)品是解決移動終端到通信接入設備之間的最后300米～1000米內(nèi)的技術(shù)應用，礦用通信系統(tǒng)選型需要考慮井下基站覆蓋范圍、承載業(yè)務、業(yè)務并發(fā)數(shù)量和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈是否健壯等技術(shù)要素。

表1為三種礦用無線通信模式的技術(shù)參數(shù)對比。

表1 三種礦用無線通信模式的技術(shù)參數(shù)對比

3.礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)建

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)與中國移動3G網(wǎng)絡技術(shù)同源，TD在公網(wǎng)得到充分驗證和錘煉，確保系統(tǒng)功能豐富、性能穩(wěn)定，礦用專網(wǎng)健壯性和多業(yè)務性伴隨中國移動3G公網(wǎng)的發(fā)展而發(fā)展。TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)從終端芯片到系統(tǒng)主設備，從儀器儀表到業(yè)務應用，擁有強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟后盾，可確?？蛻舻耐顿Y得到長期保障，專網(wǎng)后續(xù)的發(fā)展與技術(shù)演進可獲得強力的業(yè)務支持。

(1)礦用無線通信系統(tǒng)組成

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)由地面設備及井下設備組成。

地面主要設備主要由智能調(diào)度交換機、綜合網(wǎng)絡控制器、信令轉(zhuǎn)換設備、WEB應用服務器、錄音服務器、自動化及安全監(jiān)控多媒體推送服務器、媒體接入網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡交換機、多媒體調(diào)度臺、UPS電源等組成。

井下設備主要由本安型基站、本安型手機、礦用隔爆兼本安型電源等組成。

(2)礦用組網(wǎng)方案

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)組建井下無線移動專網(wǎng)，并與地面中國移動網(wǎng)絡實現(xiàn)井上、下的信息互通，通過綜合智能調(diào)度交換機實現(xiàn)有線、無線的一體化調(diào)度功能。組網(wǎng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 大型煤業(yè)集團多礦井通信組網(wǎng)拓撲圖

在煤礦（或礦群）信息中心設置網(wǎng)管系統(tǒng)及多媒體調(diào)度臺一套，實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理和對無線用戶的調(diào)度功能。

無線系統(tǒng)通過E1中繼線路與礦用程控交換機連接，提供基本的語音業(yè)務，實現(xiàn)礦群內(nèi)各個煤礦用戶之間的撥叫、對公網(wǎng)用戶、移動用戶的呼叫；各礦區(qū)之間采用IP進行互聯(lián)，實現(xiàn)用戶大小號呼叫，礦區(qū)間移動漫游（語音、可視電話、內(nèi)網(wǎng)短信、彩信業(yè)務等）；通過ATM/IP接口與中移動公司移動交換機互聯(lián)，實現(xiàn)一體化組網(wǎng)和滿足煤礦用戶在地面中移動網(wǎng)絡和井下煤礦專網(wǎng)間自動切換和特殊業(yè)務（如上網(wǎng)、可視電話、公網(wǎng)短信、彩信等）的要求。

無線系統(tǒng)主要設備（智能調(diào)度交換機、綜合網(wǎng)絡控制器）內(nèi)部核心模塊均采用雙機熱備方式工作，系統(tǒng)故障時可自動進行切換處理；所有用戶、環(huán)路中繼端口均具備自恢復過壓、過流保護，提供優(yōu)良的抗雷擊和抗電力線搭碰性能，最大限度的保證網(wǎng)絡的可靠。

地面基站控制器與井下基站之間采用光纖傳輸，采用級聯(lián)方式進行多級連接，最多可支持六級級聯(lián)連接，最遠距離達到40公里。

在井下巷道平直條件下，井下基站理論覆蓋半徑約1000米，即無線系統(tǒng)允許兩個基站布設的距離達2000米?？紤]到井下基站發(fā)生故障的小概率事件（如某個基站的供電系統(tǒng)發(fā)生故障），保證整個通信系統(tǒng)正常完成手持終端的接入和呼叫，基站間的距離一般巷道建議設置為700～850米。

(3)系統(tǒng)特點

●采用先進的軟硬件技術(shù)和電信級工程設計，組建礦用TD-SCDMA無線專網(wǎng)，實現(xiàn)井上、井下的移動3G通信，滿足大型礦業(yè)集團多礦井組網(wǎng)漫游的需要；

●實現(xiàn)語音、短消息等基本業(yè)務；

●實現(xiàn)視頻通話、寬帶數(shù)據(jù)接入等3G業(yè)務；

●通過調(diào)度交換設備實現(xiàn)有線、無線通訊網(wǎng)絡的統(tǒng)一號碼管理、一體調(diào)度及統(tǒng)一網(wǎng)管；

●手機終端使用中國移動提供的SIM卡，可同時作為中國移動和煤礦專網(wǎng)用戶，在地面時作為中國移動2G用戶，井下專網(wǎng)作為專網(wǎng)3G用戶，雙網(wǎng)手機歸屬地服務器同時記錄手機最終歸屬位置。專網(wǎng)3G無線信號需要覆蓋主要巷道和主要工作區(qū)，地面辦公區(qū)由中國移動網(wǎng)絡2G完成覆蓋。手機終端在雙網(wǎng)內(nèi)自動注冊和切換；

●依托于企業(yè)已有的Intranet網(wǎng)絡和自動化平臺，為3G用戶提供煤礦自動化和安全監(jiān)控泛在化服務，為企業(yè)構(gòu)筑多業(yè)務一體化的通信平臺。

4.礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)的功能

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)以下主要功能：

(1)智能調(diào)度

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)提供調(diào)度交換機要求的所有調(diào)度功能，能同時對3G無線用戶、有線用戶進行統(tǒng)一調(diào)度，調(diào)度臺采用觸摸式多媒體調(diào)度臺，界面友好、操作簡單，易于功能擴展。

調(diào)度功能包括調(diào)度呼叫、強插、強拆、代答、監(jiān)聽、組呼、群呼、禁言、自動轉(zhuǎn)接、會議、撥號盤、錄音、夜服/輔機、排隊等功能。

(2)泛在化服務

煤礦的自動化信息平臺和安全監(jiān)控信息，在我們的印象中只能在調(diào)度室看到。借助礦用TD-SCDMA網(wǎng)絡可以實現(xiàn)井下和井上的泛在化服務應用。

借助礦用TD-SCDMA無線專網(wǎng)，多媒體推送服務器推送圖形化的各系統(tǒng)的工況參數(shù)、運行情況、開停狀態(tài)；各巷道的瓦斯、CO、風量等信息到井下礦用手持終端。井下巡檢人員能夠及時發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，方便煤礦領(lǐng)導井下現(xiàn)場調(diào)度指揮。

在井上借助網(wǎng)絡和多媒體推送服務器信息推送，煤礦領(lǐng)導團隊能夠通過手機終端隨時隨地的實時了解煤礦生產(chǎn)運行情況及井下安全監(jiān)測信息，提升煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)管能力，實現(xiàn)遠程移動辦公和調(diào)度指揮。

多媒體推送服務器由數(shù)據(jù)服務器、防火墻、業(yè)務推送軟件和顯示終端組成。業(yè)務推送軟件實現(xiàn)與煤礦自動化、安全監(jiān)測及人員定位等系統(tǒng)對接并獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)分析和綜合后，每10s推送一次數(shù)據(jù)到手機終端或平板電腦終端上。手機或平板電腦終端支持通過Wi-Fi和3G等通信方式接入多媒體推送服務器。圖2是礦用TD-SCDMA系統(tǒng)泛在化服務示意圖。

圖2 礦用TD-SCDMA系統(tǒng)泛在化服務示意圖

在調(diào)度室布置一臺應用數(shù)據(jù)服務器，作為數(shù)據(jù)采集、儲存以及運行Server端程序之用。通過應用數(shù)據(jù)服務器，獲得自動化系統(tǒng)和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)并入寫入本地數(shù)據(jù)庫，再由服務器的Server端程序?qū)?shù)據(jù)推送至手機。

(3)視頻通信

礦用TD-SCDMA系統(tǒng)支持網(wǎng)內(nèi)用戶之間的64K可視電話業(yè)務?？梢曤娫挊I(yè)務是一種點到點的視頻通信業(yè)務，利用電話網(wǎng)雙向?qū)崟r傳輸通話雙方的圖像和語音信號，能收到面對面交流的效果，實現(xiàn)人們通話時既聞其聲、見其人的夢想。人員利用可視電話可以互傳多媒體信息，通過手機攝像頭切換可用于井下環(huán)境及設備的視頻檢測。圖3是視頻通信服務示意圖。

圖3 視頻通信服務示意圖

(4)專網(wǎng)短信平臺

礦用TD-SCDMA系統(tǒng)的短信應用平臺向用戶群發(fā)短消息。信息群發(fā)群收，瞬間到達，而且不受時間地域限制。短信群發(fā)是最便宜的通信方式，有效節(jié)約企業(yè)成本。會議通知及短信確認、公告訂閱短信、節(jié)日問候短信、監(jiān)控信息通知等都可以通過群發(fā)短信實現(xiàn)。

目前系統(tǒng)已經(jīng)提供了基站故障的短信通知功能，即在井下基站發(fā)生故障，需要人為處理的時候，系統(tǒng)會自動向事先設置的維護人員手機號碼上發(fā)送提醒短信。

系統(tǒng)提供與公網(wǎng)用戶的短消息發(fā)送接口，實現(xiàn)和公網(wǎng)用戶之間短信息互發(fā)。

(5)系統(tǒng)擴展功能

礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)能夠整合井下監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源和建立基于移動網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸機制，形成井下監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享數(shù)據(jù)資源平臺，通過礦用通信系統(tǒng)建立手機終端上的煤礦安全生產(chǎn)實時調(diào)度、數(shù)據(jù)監(jiān)測、井下視頻監(jiān)測、現(xiàn)場測點數(shù)據(jù)GIS空間定位、實時報警等多功能業(yè)務應用系統(tǒng)。

5.礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)在煤礦應用案例

神東公司大柳塔煤礦是我國特大型現(xiàn)代化煤礦，由兩礦三井組成，煤炭年開采能力3000萬噸。2011年底神東煤炭集團率先在大柳塔煤礦建設了基于TD-SCDMA技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，除實現(xiàn)通信基本功能外，還實現(xiàn)了與煤礦數(shù)字礦山其它系統(tǒng)互聯(lián)互通和業(yè)務融合。

大柳塔煤礦礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)由地面設備及并下設備組成。地面設備主要包括核心交換機、基站控制器、多媒體調(diào)度臺、錄音服務器、ATM/IP信令交換設備、自動化及安全監(jiān)控服務器等，井下設備主要由本安型基站、本安手機、礦用隔爆及本安型電源等組成。圖4是礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)在煤礦應用示意圖。

圖4 礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)在煤礦應用示意圖

系統(tǒng)配置了井下51臺基站、300部移動終端，對52水平的輔運大巷、主運大項、綜采工作面、連采工作面、變電硐室、水泵房等區(qū)域的覆蓋。

●實現(xiàn)用戶側(cè)的無線接入、用戶管理、與PSTN互通；

●支持通信基本業(yè)務（電話、視頻、效據(jù)、短信、傳真），并提供相應的補充業(yè)務，支持礦間漫游、切換功能；

●提供調(diào)度業(yè)務應用，具備登錄、退出、呼叫、組呼、強插、強拆、監(jiān)聽、轉(zhuǎn)接、代答、會議等調(diào)度臺業(yè)務功能；

●打破了調(diào)度室管控工業(yè)自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)移動終端對礦井生產(chǎn)的實時性監(jiān)控，可將設備運行參數(shù)、工作面運行情況以更直觀的、可視化的形式展現(xiàn)出來，依托這些管理手段，提高了礦井的安全性能，提高安全突發(fā)事件的及時處理處置能力，為安全生產(chǎn)提供了保障；

●現(xiàn)在礦領(lǐng)導和區(qū)隊管理人員除了現(xiàn)場查看和調(diào)度室內(nèi)查看監(jiān)測系統(tǒng)外，通過3G手機也能了解井下工作面的生產(chǎn)情況，查看主扇、皮帶的監(jiān)控頁面和其他安全監(jiān)控信息，實現(xiàn)井下通訊無盲區(qū)，使得安全管理效率大大提高。

大柳塔礦區(qū)地面覆蓋中國移動2G網(wǎng)絡，礦用終端同時作為中國移動和煤礦專網(wǎng)用戶，在地面時是作為中國移動2G用戶使用，進入井下則自動切換到煤礦專網(wǎng)作為專網(wǎng)3G用戶使用。手機SIM卡由中國移動提供，購機用戶在移動公司營業(yè)部辦理購機、租機和享受套餐優(yōu)惠等業(yè)務。

6.結(jié)束語

隨著煤礦安全生產(chǎn)管理日益精細，建設物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化礦山的技術(shù)需求不斷提高，礦井無線通信的業(yè)務需求也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷豐富。我國通信設備制造商依靠自身研發(fā)能力，為煤礦研制開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的礦用TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下專網(wǎng)與井上礦區(qū)公網(wǎng)的無縫銜接，并在此基礎(chǔ)之上研發(fā)出多項適用于煤礦安全管理的增值業(yè)務，挺升了煤礦安全生產(chǎn)管理水平，豐富完善了煤礦數(shù)字化建設的內(nèi)容，具有廣闊的推廣前景和較高的應用價值。