智能礦山礦井無線通信系統(tǒng)指標的測試與測量方法

李蓉 彭秦 馬晶晶 王安義

摘 要：文中針對礦用4G-LTE寬帶移動通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，依照復雜的礦井環(huán)境，提出了一整套完整有效的井下礦用4G應急指揮系統(tǒng)的測試理論及方法，并在某金礦進行實地外場測試，包括覆蓋距離、掉話率、切換測試等，驗證了所提出的測試方法完全可行。

關鍵詞：4G-LTE；外場測試；覆蓋距離；掉話率；切換測試

中圖分類號：TP39；TN925 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

隨著礦井工業(yè)化、信息化的發(fā)展，無線通信也經(jīng)歷了礦用程控電話、小靈通無線通信、WiFi通信、3G移動通信，以及4G移動通信[1]。雖然井下通信發(fā)展到4G通信，但卻缺少一套行之有效的可以測試及評估礦用4G專網(wǎng)通信系統(tǒng)的測試手段，采用傳統(tǒng)人工體驗式測試方法得出的結論缺乏有效性，增加了人力成本和勞動強度，降低了測試效率。本文通過對礦井無線環(huán)境及通信鏈路進行仿真，并在仿真的基礎上提出針對礦井無線覆蓋和漫游切換的測試思路，構建了具體的測試方法，并通過實地測試驗證了測試算法的有效性及測試方案的可行性。

1 概 述

長期以來，煤炭作為我國主要能源，有力支撐著國民經(jīng)濟和社會平穩(wěn)較快發(fā)展。隨著礦山多種綜合業(yè)務的需要，處理各類應急事件時對井下無線通信要求較高，因此基于4G（TD-LTE）技術的無線通信技術必將成為礦山的主流配置。目前4G無線通信系統(tǒng)在我國煤礦井下大約已裝備了60個。

礦用4G總體處于建設及維護階段，目前雖然我國掌握并具備了礦井4G覆蓋的核心技術，但仍存在許多不足，缺乏有效的手段來準確測量無線覆蓋范圍以及其他重要測試指標，例如切換成功率、通話掉話率等。本文針對這一系列問題提出了一整套有針對性的系統(tǒng)測試方案。

2 測試理論及測試方案的設計

2.1 礦用4G系統(tǒng)的構成

礦用4G系統(tǒng)由EPC（核心網(wǎng)）、eNodeB（基站）、UE（用戶設備）組成[2]，4G礦用調(diào)度系統(tǒng)在4G系統(tǒng)的基礎上引入了4G專網(wǎng)礦用無線調(diào)度通信系統(tǒng)，調(diào)度通信系統(tǒng)能夠方便管理人員隨時隨地掌握人員、生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，并實時對生產(chǎn)活動進行指揮和調(diào)度，為煤炭安全生產(chǎn)提供有力保障。

2.2 理論與仿真

隧道內(nèi)的無線信號經(jīng)直射、反射、散射后到達接收機[3]。隧道墻壁對無線電波有屏蔽、吸收和散射作用，理論上，隧道是超大尺寸的非理想波導，只有高于其截止頻率的波才能在其中傳播，如圖1所示。

菲涅耳區(qū)域理論認為，電磁波在隧道中傳播時，可將隧道分為近區(qū)和遠區(qū)兩個傳播區(qū)域，波在近區(qū)主要為多模傳播，而在遠區(qū)波的傳播方式主要是穩(wěn)定的引導傳播[4]。由圖2可知，在巷道模型一定，介電常數(shù)一定的情況下，主波模衰減隨頻率的增加衰落減小。

礦井巷道可以被理解為超大尺寸的非理想波導，高于波導截至頻率的電磁波才能在波導中傳輸，一般巷道截至頻率為幾十兆赫茲。

圖3表明轉折點前，f越大，路徑衰減越大；轉折點后，f越大，路徑損耗的衰減趨勢變緩慢。

通過軟件及硬件方法將上述指標及無線鏈路的衰落情況進行自動測量并如實記錄，再結合后臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析給出基本的統(tǒng)計值，最后通過經(jīng)驗閾值與數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果進行范圍比對，就可以對礦井無線覆蓋指標、切換指標、業(yè)務指標等關鍵指標進行評估和分析，這就是本文設計礦用4G無線覆蓋測量方案的核心原理所在。

3 測試方案設計

3.1 測試方案準備

（1）綜合業(yè)務交換機：集成了IMS和LTE核心網(wǎng)EPC功能，是4G無線系統(tǒng)的核心設備，提供4G特色功能VoLTE，對接入終端合法性和安全性進行控制，為用戶在全網(wǎng)絡提供無縫移動服務，為4G無線網(wǎng)絡提供向外連接的接口。

（2）礦用本安型基站：按照礦用本安標準設計，4G FDD-LTE基站的單站覆蓋范圍（兩個定向天線）可達1 km以上，對外提供千兆以太網(wǎng)接口（包括電口和光口），支持串接6級基站。

（3）礦用本安型手持終端：提供基礎型和高端型礦用本安手持終端，支持接入專網(wǎng)及運營商網(wǎng)絡。

（4）礦用煤安認證的基站電源：提供井下基站配套的礦用煤安認證電源，后備容量可供電4小時。

（5）地面基站：提供基于公網(wǎng)應用方式的BBU+RRU無線覆蓋，滿足地面無線信號覆蓋的要求及提供業(yè)務傳輸通道。

（6）板狀天線：提供單方向的定向覆蓋，單基站拉遠測試覆蓋范圍可達1 km。

3.2 測試場景

測試場景選取位于陜西省寶雞市的某金礦，采用F頻段同頻組網(wǎng)，帶寬20 MHz。礦井巷道與地面空間不同，是一種特別的受限空間，環(huán)境結構復雜，比較狹窄，巷道壁粗糙，還有運輸車輛、列車軌道、動力線、機電設備等，如圖4所示。

直巷主要采用定向板狀天線覆蓋，以礦內(nèi)實際最高建筑物為基站安裝點；根據(jù)巷道實際情況，站間距在800～1 000 m之間；巷道交錯區(qū)域，在交叉路口可設立一個LTE基站，并采用多個天線進行分布式覆蓋。

3.3 專網(wǎng)的系統(tǒng)測試方案

3.3.1 單小區(qū)覆蓋測試

（1）測試場景

站點系統(tǒng)帶寬20 MHz，工作頻段Band3，一個單方向板狀定向天線，站高2 m，天線增益（12±1）dBi，工作頻段為1 710～2 700 MHz，駐波比≤1.5，極化方式±45°。選定礦井巷道為測試小區(qū)，無公網(wǎng)的頻帶干擾，巷道空直窄長，適合定向天線做覆蓋測試。

（2）測試過程

a.選定空直巷道為測試小區(qū)，縱向長度可達500 m，測試方向無其他站點，相當于孤站測試；

b.測試人員A攜帶一臺測試終端，定點于天線附近，測試人員B攜帶一臺測試終端，兩終端建立連接，保持通話狀態(tài)；

c.以站點天線處為起點，設定停頓測試點為0 m，100 m，200 m，350 m，400 m，450 m，500 m，500 m后的測試點根據(jù)測試情況將間隔不斷調(diào)?。?/p>

d.測試人員B沿巷道徑向行走，在設定測試點停頓，記錄1 min測試數(shù)據(jù)，主要包括當前測試點距離、信號強度；

e.為保證結果準確，拉遠覆蓋測試在關鍵位置，500 m以后的測試次數(shù)為10次，且遍歷測試路線1次。

（3）測試結論

基站下信號是最強點，信號強度為-44 dBm；隨著距離的增大，信號越來越弱，500 m處通話質(zhì)量良好，信號強度約為-110 dB，500～550 m區(qū)間信號微弱，信號強度遞減直至掉話。

3.3.2 切換測試

（1）測試場景

同單小區(qū)覆蓋測試的場景。根據(jù)覆蓋的測試結果，在巷道口以及巷道中布置四個站點，無公網(wǎng)的頻帶干擾，巷道的環(huán)境結構復雜，巷道比較狹窄，巷道壁粗糙，實驗環(huán)境符合測試切換的條件。圖5所示為整個礦井的部分巷道圖，在巷道入口a處布置一臺基站，在巷道拐彎處b和c處布置基站，a-b，b-c，c-d的距離均為800～1 000 m。

（2）測試過程

a.選定礦井巷道為實地測試環(huán)境，礦井環(huán)境復雜，選擇合適的布站位置；

b.測試人員A攜帶一臺測試終端，定點于天線附近，即a位置處，測試人員B攜帶一臺測試終端，兩終端建立連接，保持通話狀態(tài)；

c.測試人員B沿巷道的行走軌跡為a-b-c-d，在設定測試點停頓，記錄當前測試點距離、信號強度，觀察終端側信令流程或服務小區(qū)ID，確定是否切換成功，中間如有掉線，則及時停車重新建立連接，重新測試；

d.每部終端切換次數(shù)至少為50次，并至少遍歷測試路線一次。

（3）測試結淪

基站下信號是最強點，從a-b隨著距離的加大，信號越來越弱，由-40 dBm降到-100 dBm，b附近發(fā)現(xiàn)信號強度突然變強為-40 dBm，中間過程通話正常，觀察終端側信令流程以及服務小區(qū)ID，確認基站1到基站2切換成功，同樣b-c-d基站2到基站3切換成功。

3.3.3 掉話率測試

（1）測試場景

站點系統(tǒng)帶寬20 MHz。實驗場地選擇為通信實驗室，接入核心網(wǎng)與基站組成的專網(wǎng)網(wǎng)絡，選擇定向天線注冊在專網(wǎng)的手機終端。

（2）測試過程

a.在自動測試情況下，選用自動測試軟件，將兩部終端掛到自動撥打電話的軟件下，讓一部終端作為主叫，另一部作為被叫；

b.打開自動測試軟件，設置通話間隔與通話時長，使終端自動撥打電話；

c.在測試軟件中可以看到自動測試的接通率、掉話率以及通話過程中的信令流程，可以很方便地查看通話過程中出現(xiàn)的問題，采取措施有效解決。

（3）測試結論

兩部終端各連接100余次，全部成功，空載下未發(fā)生掉線。

掉話率、接通率統(tǒng)計圖如圖6所示，終端撥打電話進程圖如圖7所示，信令流程圖如圖8所示。

4 實地測試結果

實驗地點選取位于陜西省寶雞市的某金礦，每次實際測試天數(shù)15天，共三次，總計45天，統(tǒng)計實際測試結果如下：

（1）單小區(qū)覆蓋測試：巷道細長且彎曲復雜，單站覆蓋距離可達1 km以上，與傳統(tǒng)礦井相比，覆蓋距離以及移動性得到很大的提升，小區(qū)覆蓋測試平均數(shù)據(jù)見表1所列。

（2）網(wǎng)絡性能方面：與傳統(tǒng)井下通信相比，4G的低時延、大容量、穩(wěn)定性有很大優(yōu)勢。

（3）連接建立成功率、切換成功率均達到100%，掉線率為0，長時間的業(yè)務保持能力為井下通信提供可靠保障。

空載狀態(tài)下掉線率測試數(shù)據(jù)見表2所列，全網(wǎng)切換測試數(shù)據(jù)見表3所列。

（4）通過對EPC進行負荷測試，得出EPC能經(jīng)得住大負荷運行，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好的結論。

5 結 語

本文通過對礦用4G技術進行研究及仿真，提出了一套高效可靠、經(jīng)濟實用、技術先進的礦用4G無線覆蓋測試方法及解決方案，從實際測試結果來看，這套測試方案行之有效，為我國煤礦在規(guī)劃、建設及維護礦井4G系統(tǒng)方面提供了重要的保障。

雖然本文設計并提出的礦井4G測試方法經(jīng)過實際驗證完全可行，但是隨著未來技術的發(fā)展還有如下幾方面可以繼續(xù)開展提升工作：

（1）由于此次實際測試礦井環(huán)境單一，測試環(huán)境相對較好，未來可以增加其他不同礦井的測試，進一步提升測試方案的兼容性。

（2）隨著5G技術的發(fā)展，本方案在未來還要考慮進一步向5G技術擴充。

隨著技術手段的不斷進步和提升，我們有理由相信，在以后的應用過程中，礦用4G無線測試的方法及方案會發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻

[1]李睿.基于TD專網(wǎng)的煤礦語音調(diào)度系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學，2011.

[2]周嚴.基于TD-LTE的中小企業(yè)專用核心網(wǎng)的設計與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學，2015.

[3]高彥強.面向行業(yè)專網(wǎng)的軟件無線電收發(fā)機數(shù)字中頻處理技術研究[D].北京：清華大學，2015.

[4]李偉琪.電力負控無線專網(wǎng)組網(wǎng)設計與實現(xiàn)[D].重慶：重慶大學，2016.

[5]胡業(yè).TD-LTE專網(wǎng)終端射頻的指標仿真和測試系統(tǒng)開發(fā)[D].北京：北京郵電大學，2017.

[6]彭芳.Avnu聯(lián)盟與思博倫通信共同發(fā)布實現(xiàn)汽車網(wǎng)絡標準化互操作性測試的以太網(wǎng)測試解決方案[J].電信工程技術與標準化，2016，29（10）：82.

[7]王婷婷.淺談浙江廣電錢江頻道高清非編網(wǎng)測試方案的設計[J].廣播電視信息，2016（8）：30-33.

[8]Ixia推出用于外場測試平臺的50 GbE高速以太網(wǎng)測試解決方案[J].數(shù)字通信世界，2016（2）：22.

[9]張葉峰.TD-LTE技術在電力無線通信系統(tǒng)中的應用[D].北京：華北電力大學，2015.

[10]任之良.100G OTN拉開400 G商用序幕中興通訊400 G方案現(xiàn)網(wǎng)測試獲肯定[J].通信世界，2015（13）：43.