基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)

李美艷

(西安外事學(xué)院，陜西 西安710077)

近些年來，煤炭企業(yè)經(jīng)常發(fā)生重大安全生產(chǎn)事故，國家因此重點(diǎn)關(guān)注煤礦安全生產(chǎn)的信息化工作，煤炭企業(yè)的可靠和穩(wěn)定的無線通信系統(tǒng)建設(shè)也得到了高度重視。煤礦企業(yè)的無線通信系統(tǒng)經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，取得了很大的成績，但也存在著較多的問題，如系統(tǒng)抗干擾能力不強(qiáng)、通信效果差以及難以提供寬帶綜合通信能力等［1］。

隨著我國煤炭企業(yè)整體技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的數(shù)字化和自動(dòng)化的控制設(shè)備已投入到企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，穩(wěn)定、安全和功能全面的煤礦無線通信系統(tǒng)變得越來越重要了。煤炭井下工作人員對(duì)實(shí)時(shí)無線語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求也越來越迫切，井下工作人員所處位置實(shí)時(shí)更新、井下生產(chǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)和數(shù)字化設(shè)備的高速率要求等都顯示出煤礦無線通信系統(tǒng)的特殊性和重要性［2］。

1 LTE技術(shù)簡介

LTE是3GPP在“移動(dòng)通信寬帶化”趨勢下，為了對(duì)抗WiMAX等移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)的市場挑戰(zhàn)而研發(fā)出來的“準(zhǔn)4G”技術(shù)。LTE采用OFDM和MIMO技術(shù)作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率;能夠顯著改善小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)系統(tǒng)容量，降低系統(tǒng)延遲，支持成對(duì)或非成對(duì)頻譜，并可靈活配置1.4 MHz～20 MHz多種帶寬［3］。

LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢:

1)網(wǎng)絡(luò)扁平化使得系統(tǒng)延時(shí)減小，從而改善了用戶體驗(yàn)，可以開展更多業(yè)務(wù);

2)網(wǎng)元數(shù)目減少，使得網(wǎng)絡(luò)部署更為簡單，更加容易進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù);

3)取消RNC的集中控制，避免單點(diǎn)故障，有利于提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 現(xiàn)有通信技術(shù)

目前國內(nèi)外煤礦井下通信方式主要有漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、WiFi通信和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)等。漏泄通信適用于局部通信，利用漏泄電纜實(shí)現(xiàn)無線覆蓋;感應(yīng)通信是借助鋼軌、水管或?qū)Ь€等金屬感應(yīng)體實(shí)現(xiàn);透地通信系統(tǒng)適用于應(yīng)急救災(zāi)通信，通過鋪設(shè)井下環(huán)形來實(shí)現(xiàn)井下超低頻無線覆蓋。以上通信系統(tǒng)存在功能單一、通信容量小、通話效果差等問題。PHS移動(dòng)通信在2011年底中已經(jīng)清頻退網(wǎng)，屬于淘汰產(chǎn)品，不再具有任何發(fā)展的前景。WIFi通信系統(tǒng)尚有不少難以攻克的技術(shù)難關(guān)，覆蓋距離短，實(shí)際使用效果差，通信質(zhì)量遠(yuǎn)不如小靈通好，且目前正處于技術(shù)研究階段。3G移動(dòng)通信系統(tǒng)是近年來研究的熱門技術(shù)，具有全礦井無線通信、井下無線覆蓋方式多、通信容量較大、通信質(zhì)量較高等優(yōu)勢，可以在礦井下工作面區(qū)域使用，可無線傳輸數(shù)據(jù)及圖像等業(yè)務(wù)［4］。

按照國家的十一五規(guī)劃和煤炭行業(yè)十一五規(guī)劃要求，數(shù)字化、信息化礦山的建設(shè)正如火如荼，其中重要的要求之一就是要系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)可以說是數(shù)字化礦山網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的唯一選擇，其通用性是保證可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)。全本安設(shè)計(jì)的寬帶綜合網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是未來煤礦井下通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，煤礦無線通信系統(tǒng)未來將具備“全業(yè)務(wù)”能力，可以傳輸各種數(shù)據(jù)，比如瓦斯檢測結(jié)果、氧氣濃度檢測結(jié)果、人員定位信息等，還可以傳輸語音、圖像和高清視頻等內(nèi)容，所有這些都是以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的方式傳輸?shù)摹?/p>

伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，以及煤礦企業(yè)對(duì)高速率的實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迫切需要，采用LTE技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，將大大擴(kuò)展井下調(diào)度通信系統(tǒng)的功能，對(duì)于煤礦無線通信技術(shù)的發(fā)展和新型現(xiàn)代化煤礦的建設(shè)有著重大的意義［5］。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，通過IP傳輸網(wǎng)采用光纖將信號(hào)送到井下，通過LTE系統(tǒng)的eNB基站實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井井下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而建立起地面和井下的寬帶綜合網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)由核心控制設(shè)備和無線接入設(shè)備組成。核心控制設(shè)備包括:地面監(jiān)測中心服務(wù)器，OMC(操作維護(hù)中心)服務(wù)器，多媒體調(diào)度臺(tái)服務(wù)器等設(shè)備，監(jiān)測中心電腦、調(diào)度中心電腦和OMC客戶端等設(shè)備;無 線接入設(shè)備包括井下基站，連接光纜，本安終端等組成。

圖1 LTE無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

各種網(wǎng)元具有的功能如下:

1)MME/S－GW:MME(Mobity Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體)，S－GW(Serving Gateway服務(wù)網(wǎng)關(guān));

2)CA:證書發(fā)放機(jī)構(gòu)，用于給eNB、安全網(wǎng)關(guān)和OMC發(fā)放證書，管理證書等的標(biāo)準(zhǔn)CA服務(wù)器;

3)DHCP:標(biāo)準(zhǔn)IP地址動(dòng)態(tài)分配的服務(wù)器;

4)IMS:IMS(IP Multimedia Subsystem)，IP多媒體子系統(tǒng);

5)IP傳輸網(wǎng):可以是L2/L3的IP網(wǎng)絡(luò)，需提供DHCP請(qǐng)求包轉(zhuǎn)發(fā)功能;

6)安全網(wǎng)關(guān):提供IPSEC VPN服務(wù)器功能和防火墻的功能支持;

7)路由器:IP包路由存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能的支持;

8)接入交換機(jī):需要有VLAN支持功能，包括VLAN劃分功能;

9)調(diào)度臺(tái)服務(wù)器:提供整個(gè)礦區(qū)調(diào)度功能;

10)監(jiān)測中心服務(wù)器:提供整個(gè)礦區(qū)監(jiān)測功能，包括井下人員定位功能、井下區(qū)域瓦斯檢測功能、井下開采作業(yè)區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等功能;

11)OMC服務(wù)器:操作維護(hù)控制中心，用于管理和控制整個(gè)煤礦無線通信系統(tǒng)設(shè)備;

12)客戶端:包括調(diào)度中心電腦、監(jiān)測中心電腦和OMC客戶端等;

13)eNB:LTE系統(tǒng)基站，提供無線接入功能;

14)UE:本安型終端設(shè)備，支持語音通話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸功能。

井下無線信號(hào)覆蓋采用光纜傳輸和射頻無源天線分布系統(tǒng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。由于地下巷道的復(fù)雜性，井下覆蓋時(shí)采用靈活處理方式，超長巷道采用定向高增益天線進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，稍寬闊區(qū)域采用全向天線進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，短巷道可以采用泄露電纜方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，提供以下系統(tǒng)功能:

1)通過 LTE標(biāo)準(zhǔn)定位協(xié)議(LTE Positioning Protocol，LPP)，實(shí)現(xiàn)井下人員的精確定位功能;

2)實(shí)現(xiàn)全礦區(qū)的無線通信功能，包括地面和井下的語音業(yè)務(wù)(通過IMS服務(wù)器提供VoIP語音業(yè)務(wù))和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);

3)提供豐富多彩的多項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括VoIP語音通話、高清視頻通話、高速無線上網(wǎng)等業(yè)務(wù);

4)全I(xiàn)P架構(gòu)的LTE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，充分利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)資源，提供全面和不間斷的優(yōu)質(zhì)服務(wù);

5)實(shí)現(xiàn)煤礦井下各監(jiān)測點(diǎn)(包括移動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)和固定監(jiān)測點(diǎn))的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和高清視頻圖像的無線傳輸功能。

基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，與3G移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)勢:

1)純IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成;

2)系統(tǒng)容量大，單載頻單扇區(qū)支持200個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行業(yè)務(wù);

3)綜合應(yīng)用光纖、電纜和無線，提供多種無線覆蓋形式(定向高增益天線，全向天線，泄露電纜)，滿足煤礦井下復(fù)雜巷道的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋;

4)礦用本安型終端，可提供井下采礦工作面等高瓦斯區(qū)域的高速無線通信服務(wù);

5)系統(tǒng)具有語音調(diào)度功能，且同時(shí)具備高清視頻、大容量井下采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能。

值得注意的是，煤礦井下區(qū)域是高危險(xiǎn)的場所，井下使用的系統(tǒng)設(shè)備必須要進(jìn)行防爆處理，井下設(shè)備必須通過國家防爆安全認(rèn)證MA(煤安)認(rèn)證，才能夠在井下使用。綜合考慮井下的特殊環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)備對(duì)各方面的技術(shù)指標(biāo)要求很苛刻:系統(tǒng)需要防爆能力特別強(qiáng)，井下設(shè)備密封性要特別好，外殼能夠抵御強(qiáng)沖擊力破壞和高溫試驗(yàn)，移動(dòng)終端應(yīng)體積小巧，天線尺寸足夠小，不影響井下開采工作的正常進(jìn)行。

4 結(jié)束語

基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于無線網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營。本系統(tǒng)能夠滿足礦用特定使用環(huán)境和安全要求，符合移動(dòng)通信發(fā)展趨勢，可以用來承載目前及將來煤礦井下環(huán)境主要的無線通信業(yè)務(wù)?；贚TE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，必將有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］雷燕.小靈通無線通信系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2006(1):154－155.

［2］沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋.3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［3］王鵬.淺談煤礦無線通訊新技術(shù)［J］.煤炭工程，2010(9):110－112.

［4］何明剛，李長錄，楊曉丹，等.井下CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)［J］.煤礦安全，2012，43(2):76 －78.

［5］于長波，韓洪杰.現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)在礦山中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2012(6):184 －185.