WiFi通信在薄煤層綜采工作面的應用

董文博， 高思偉

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

現(xiàn)有無線通信技術中，WiFi通信技術具有成本低、功耗低、安裝簡單、通信速率快等優(yōu)點[1-2]，更能滿足煤礦井下局域網(wǎng)環(huán)境的通信需求。目前，WiFi通信技術已經(jīng)在煤礦不同場景下得到了廣泛應用，如在煤礦巷道應用WiFi通信技術進行人員定位和安全管理[3-4]，組成無線傳感器網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡[5-6]實現(xiàn)氣體監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和應急通信[7]；但很少有針對WiFi通信在綜采工作面特定環(huán)境下的應用研究。薄煤層綜采工作面采高低、空間狹窄，應用于薄煤層綜采工作面的巡檢機器人對無線通信提出了高可靠性、高帶寬、低延時、廣覆蓋等需求[8-9]。因此，本文以神東煤炭集團榆家梁煤礦43101薄煤層綜采工作面為應用背景，提出了一種WiFi通信方案，可實現(xiàn)工作面無線信號全覆蓋和快速漫游切換。

1 WiFi通信方案

1.1 工作頻段

當遠距離通信時，要求收發(fā)天線之間實現(xiàn)“視線無阻擋”，其含義是在收發(fā)天線之間連一條線，以這條線為軸心，以R為半徑的一個類似于管道的區(qū)域內，沒有障礙物的阻擋。這個管道稱為菲涅爾區(qū)，菲涅爾區(qū)是一個橢球體，收發(fā)天線位于橢球的2個焦點上，R為菲涅爾半徑，如圖1所示。

圖1 菲涅爾半徑Fig.1 Fresnel radius

菲涅爾半徑計算公式為

R=0.5(λD)0.5

(1)

式中：λ為波長；D為收發(fā)天線之間的距離。

WiFi通信網(wǎng)絡通常工作在2.4，5.8 GHz頻段，假設WiFi收發(fā)天線距離100 m，根據(jù)式(1)可知：使用頻率為2.4 GHz的WiFi通信時，λ=0.125 m，R=1.77 m；使用頻率為5.8 GHz的WiFi通信時，λ=0.0517 m，R=1.14 m。薄煤層綜采工作面由于采高限制，地勢起伏，收發(fā)天線之間容易出現(xiàn)阻擋，因此菲涅爾半徑更小的5.8 GHz WiFi可減小反射帶來的干擾，有利于信號穩(wěn)定傳輸[10]。

此外，與2.4 GHz WiFi相比，5.8 GHz WiFi可用頻段范圍更寬，抗干擾能力更強；支持更先進的802.11ac無線上網(wǎng)標準協(xié)議，大大提升無線通信速率[11]。因此在薄煤層綜采工作面，5.8 GHz為WiFi通信優(yōu)選頻段。

1.2 網(wǎng)絡拓撲

根據(jù)WiFi技術特性，結合薄煤層綜采工作面環(huán)境特點，一般采用2種WiFi通信網(wǎng)絡拓撲[12]，如圖2所示。方案1是在缺少有線網(wǎng)絡的工作面，通過Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)多基站之間的互相通信。方案2是在已鋪設有線網(wǎng)絡的工作面，基站直接連接到有線網(wǎng)絡。

(a) 方案1

(b) 方案2

方案1無需依托有線網(wǎng)絡，拓撲結構簡單靈活，但基站之間通過無線Mesh傳輸，損耗較高，且在工作面過長、基站數(shù)量較多的情況下，通信速率無法得到保證，延時較高。方案2是在有線網(wǎng)絡的基礎上進行延伸擴展，無需基站之間的無線傳輸，具有高可靠性、低延時的特點。榆家梁煤礦薄煤層綜采工作面已經(jīng)鋪設了有線以太網(wǎng)，所以實際應用時選擇方案2。

1.3 基站布置

薄煤層綜采工作面WiFi信號傳輸損耗非常大，其傳播特性符合對數(shù)距離路徑損耗模型[12-14]：

P(d)=P(d0)+10γlg(d/d0)

(2)

式中：P(d)為發(fā)射端和接收端之間的路徑損耗；d為發(fā)射端和接收端之間的距離；P(d0)為參考距離處的路徑損耗；d0為參考距離，一般為1 m；γ為路徑損耗指數(shù)。

為確定WiFi基站之間的間距，在榆家梁煤礦薄煤層綜采工作面選取2個測試點進行信號強度測試?；驹谕ㄐ啪嚯x為14 m處的信號強度為-40 dB·m，基站在通信距離為21 m處的信號強度為-50 dB·m。由于路徑損耗是測試點信號強度與基站安裝位置信號強度的差值，根據(jù)測試數(shù)據(jù)并結合式(2)，可得該薄煤層綜采工作面的信號傳播損耗模型為P(d)=24-57lg(d/m)。根據(jù)客戶端的接收靈敏度(-90 dB·m)，計算得出基站覆蓋范圍為100 m，而工作面支架寬度為1.75 m，即基站覆蓋范圍約占57個支架的寬度。考慮到薄煤層綜采工作面傾斜、起伏，支架動作過程中產(chǎn)生的遮擋等因素，需要每隔約57個支架設置1個WiFi基站，確保相鄰WiFi基站之間無線信號重疊覆蓋，實現(xiàn)工作面WiFi信號無死角全覆蓋。

1.4 快速漫游切換

快速漫游切換基于在線掃描、CCQ(Client Connection Quality，客戶端鏈接質量)排序、智能學習、預連接、數(shù)據(jù)緩存5種主要技術完成，其工作原理：客戶端在與當前基站連接的狀態(tài)下，通過空閑區(qū)間進行多信道掃描，并將掃描結果通過CCQ權重進行優(yōu)選排序；當達到設定閥值時，根據(jù)優(yōu)先列表進行預連接操作；在新基站收到預連接指令后，其會廣播網(wǎng)絡其他基站交接認證數(shù)據(jù)與未完成的數(shù)據(jù)包，在收到當前基站交接數(shù)據(jù)后在適當?shù)臅r機切換基站；如果此時客戶端仍有數(shù)據(jù)未傳完，則由客戶端緩存數(shù)據(jù)；當新的基站連接成功后由新基站進行數(shù)據(jù)轉發(fā)；每完成1次交接過程，智能學習模塊都會主動學習可能切換的下一個基站，在后續(xù)的切換中會優(yōu)先偵測之前的基站路徑。

快速漫游切換機制如圖3所示?？蛻舳嗽趨^(qū)域1中連接基站1；當客戶端移動至區(qū)域2，實際連接基站1且預連接基站2，此時減小掃描周期，快速搜索周圍WiFi信號，當客戶端檢測到預連接的基站2信號強度大于基站1時，客戶端切換連接基站2；當客戶端移動至區(qū)域3，增大掃描周期，保持與基站2的連接狀態(tài)。該機制可保證工作面的客戶端始終保持連接最佳信號的基站，并且實現(xiàn)快速漫游切換。

圖3 快速漫游切換機制Fig.3 Fast roaming switching mechanism

2 應用測試

榆家梁煤礦43101薄煤層綜采工作面總長度約為350 m，采高為1.4～1.6 m，共布置有206臺液壓支架(支架編號為1—206號)，分別在1，56，104，164，205號支架內部安裝體積小、質量輕的5.8 GHz WiFi基站，各基站均接入有線網(wǎng)絡。使用磁吸式安裝架將基站天線安裝在液壓支架頂板上，保證基站天線周圍無遮擋。工作面兩端空間較大，使用定向天線向工作面中部輻射無線信號；工作面中部空間有限，使用體積較小的全向天線向工作面兩側輻射無線信號。

2.1 信號強度

根據(jù)GB/T 32420—2015《無線局域網(wǎng)測試規(guī)范》的6.2.2.1條，煤礦綜采工作面屬于開闊區(qū)域，信號強度宜不低于-75 dB·m。

筆記本電腦使用信號強度測試軟件AirMagnet，利用測試網(wǎng)卡測量各基站信號強度分布，如圖4所示。

圖4 基站信號強度分布Fig.4 Signal strength distribution of base stations

在2個基站信號重疊處，選擇2個基站信號強度中的較大值作為該處的信號強度，根據(jù)圖4可得工作面信號強度分布，如圖5所示?？煽闯龉ぷ髅嫘盘枏姸茸钚≈禐?67 dB·m，最大值為-30 dB·m，平均值為-46.4 dB·m，滿足GB/T 32420—2015的要求。

圖5 工作面信號強度分布Fig.5 Signal strength distribution of working face

2.2 網(wǎng)絡穩(wěn)定性

根據(jù)GB/T 32420—2015的6.2.3.4條，不少于95%路徑的數(shù)據(jù)包丟失率宜小于5%。

筆記本電腦在工作面信號強度較小的位置(如25，80，130，180號支架處)，通過認證接入WiFi通信網(wǎng)絡，使用測試網(wǎng)絡連通性ping命令測試無線通信鏈路的網(wǎng)絡延遲時間并統(tǒng)計丟包率，每個測試點每次測試持續(xù)5 min。測試結果表明，網(wǎng)絡最大延時為3 ms，最大丟包率為1%，滿足GB/T 32420—2015的要求。

2.3 通信速率

筆記本電腦直接連接客戶端，利用IxChariot軟件測試從客戶端到監(jiān)控中心主機之間的通信速率。客戶端分別使用定向天線和全向天線情況下，通信速率測試結果見表1。可看出整個工作面通信速率在30 Mbit/s以上，滿足現(xiàn)場對于高帶寬的需求。

表1 通信速率測試結果

Table 1 Communication rate test results Mbit·s-1

架號通信速率定向天線全向天線架號通信速率定向天線全向天線27870105716777565110686115635511760522055531255543254040130433530504713553443764501446450456557152665555706816070606567611657063726057173635780423418050508557501875840906552195645597655720070581007060

2.4 漫游切換延時

監(jiān)控中心主機按固定的時間間隔100 ms給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計客戶端接收到數(shù)據(jù)包的時間間隔。當客戶端持續(xù)連接1個基站時，接收數(shù)據(jù)包的時間間隔保持100 ms。當客戶端進行漫游切換時，接收數(shù)據(jù)包的時間間隔發(fā)生變化，根據(jù)變化的間隔時間可計算出漫游切換延時。經(jīng)多次測試，漫游切換延時為25～50 ms，達到快速漫游目的。

3 結語

根據(jù)薄煤層綜采工作面實際工況，從頻段選擇、網(wǎng)絡拓撲、基站布置、快速漫游切換機制等方面給出了WiFi通信方案。測試結果表明，5.8 GHz WiFi通信在薄煤層綜采工作面的應用，可實現(xiàn)無線信號全覆蓋，具有較好的通信穩(wěn)定性，通信速率達30 Mbit/s以上，漫游切換延時為25～50 ms，實現(xiàn)了快速漫游功能。

要進一步提升5.8 GHz WiFi通信在薄煤層綜采工作面的應用效果，需要深入完善漫游切換機制，如探究雙模無縫漫游切換機制，進一步提升漫游切換速度，最終達到零延時漫游切換；還需要對無線信號在工作面的傳播進行大量實驗，建立可靠的無線信號傳播數(shù)學模型，用于指導不同工況下基站的布置。