基于WiFi技術(shù)在井下無線通訊的應用

康德明

摘 要：WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)相結(jié)合應用到煤礦井下是一種新的解決礦井無線通訊方案，其主要是發(fā)展一種低成本的無線網(wǎng)絡，在煤礦有較好的發(fā)展前景。本文根據(jù)煤礦對井下無線調(diào)度系統(tǒng)的需求，提出將WiFi無線技術(shù)與VOIP技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的方案。

關(guān)鍵詞：WiFi技術(shù)；VOIP技術(shù)；IP電話

井下通信系統(tǒng)是煤礦安全防護及生產(chǎn)調(diào)度必不可少的設施，目前我國井下主要通信為有線方式。由于井下環(huán)境差，巷道分布多，干擾信號源多，對井下無線通信造成極大的阻礙，但隨著技術(shù)發(fā)展，近年泄露技術(shù)、小靈通技術(shù)、無線對講技術(shù)及WiFi技術(shù)相繼用于煤礦井下。尤其是WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)的相結(jié)合具有很多優(yōu)勢，正大規(guī)模的應用于井下的各個方面。

1 WiFi技術(shù)分析

1.1 WiFi技術(shù)簡介

WiFi（Wireless Fidlity）又稱為802.11b標準，使用2.4Ghz直接序列擴頻，最大傳輸速率為54bit/s，并可根據(jù)信號強弱把傳輸速率調(diào)整為5.5bit/s、2bit/s及1bit/s，在2.4Ghz及5ghz頻段上免許可，具有成本低、終端便攜、寬帶等特點，組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點、AP節(jié)點及網(wǎng)絡服務器，站點和節(jié)點之間可以實現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)，站點可以實現(xiàn)集線器的所有功能?？偟膩碚f，WiFi技術(shù)屬于短距離無線技術(shù)，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。WiFi有著“無線版本以太網(wǎng)”的美稱，世界上至少有80%以上的局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，其幾乎可以視為以太網(wǎng)標準在無線領(lǐng)域的延伸。由于WiFi協(xié)議本身限制其設備的功率，使無線設備可以設計成符合煤礦安全要求的本質(zhì)安全型設備，增加在井下的使用范圍，并且可以改變井下無線通訊長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀，使無線通訊方式在井下得到更多的運用。

1.2 WiFi與相關(guān)技術(shù)的比較

目前國內(nèi)外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應通信、透地通信、PHS（小靈通）通信、3G（大靈通）通信系統(tǒng)等。

與WiFi技術(shù)相比，漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災變能力差、大量的串聯(lián)中繼設備導致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。而感應通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。面臨同樣問題的是透地通信系統(tǒng)存在著設備體積大、重量重、信道容量小、地面設備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問題。

PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)都存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷?？紤]到礦井下的特殊性和經(jīng)濟性，還是選用WiFi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

1.3 WiFi網(wǎng)絡基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一個或多個接入點Access Point（AP）及一個或多個客戶端。每個接入點（AP）每隔一定時間將服務單元標識SSID（Service Set Identifier）經(jīng)由beacons（信號臺）封包廣播一次?；谌鏢SID這樣的設置，客戶端可以決定是否聯(lián)結(jié)到某個接入點（AP）。若同一個SSID的兩個接入點（AP）都在客戶端的接收范圍內(nèi)，客戶端可以更具信號的強度選擇與那個接入點的SSID聯(lián)結(jié)。

1.4 WiFi網(wǎng)絡的操作模式

IEEE802.11標準定義兩種基本操作模式：infrastructure模式和ad hoc自組網(wǎng)絡模式。

（1）Infrastructure模式，屬于有固定基礎(chǔ)設施的無線局域網(wǎng)。組成結(jié)構(gòu)至少包括一個與無線網(wǎng)絡連接的無線接入點AP，模式也可以通過門橋提供與有線網(wǎng)絡即因特網(wǎng)入口相連接的可能性。這種配置（一個ap及若干站點的組合）可以構(gòu)成一個基本服務集合BSS。在通一個BSS覆蓋范圍內(nèi)，所有的站點都使用相同的無線頻率。

（2）ad hoc自組網(wǎng)絡模式。由一組客戶終端組成，作為獨立的基本服務單元BSS即IBSS（Independent Basic Service Set）。該模式不需要任何基礎(chǔ)設施（如接入點AP或到分配系統(tǒng)的連接）的支持就可以實現(xiàn)其覆蓋范圍內(nèi)的站點之間的通信。每個站點不需要通過接入點AP就都可以與相同IBSS下的任何其他站點建立通信。

2 VOIP技術(shù)分析

2.1 VOIP的基本原理與實現(xiàn)方式

（1）VOIP的基本原理

VOIP（Voice Over IP）其實就是IP電話，是基于IP網(wǎng)絡的語音傳輸技術(shù)。其基本原理是通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議進行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓縮處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網(wǎng)絡傳送語音的目的。IP電話系統(tǒng)把普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包，同時也將接收到的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號。廣義的VOIP技術(shù)還可以進行包括話音、傳真、數(shù)據(jù)甚至圖像的傳輸。

（2）VOIP的實現(xiàn)方式

目前，VOIP終端的實現(xiàn)方式主要有3種：帶揚聲器的個人電腦PC、傳統(tǒng)電話機、IP電話機。每種終端連接不同的網(wǎng)絡，并且都支持相互間的通信。其中，IP電話機是一種新的電話終端，具有以太網(wǎng)或非對稱數(shù)字用戶線路ADSL借口，只需將IP話機連接在家中的寬帶網(wǎng)接口上，并通過話機鍵向服務提供商進行注冊，就可以像普通電話機一樣進行通信。

3 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)原理與模型建立

3.1 井下無線通信系統(tǒng)工作原理

井下無線通信系統(tǒng)是基于WiFi無線網(wǎng)絡和TCP/IP協(xié)議為基本構(gòu)架，以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個系統(tǒng)的主干傳輸平臺，形成有線主干與無線終端相結(jié)合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，最終實現(xiàn)煤礦寬帶無線通訊。

系統(tǒng)工作原理簡單來說就是位于地面的管理主機通過交換機為進入到無線信號覆蓋區(qū)域的每一臺手持機分配一個IP地址，并自動為其在管理軟件中注冊，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，注冊后的IP話機即可進行正常通話。

3.2 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)模型建立

在煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)絡建設的基礎(chǔ)上，根據(jù)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的需求與目標，建立以下基于WiFi技術(shù)的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)模型，如圖1.1：

基于WiFi的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)實際上就是用軟交換技術(shù)實現(xiàn)IP電話的控制系統(tǒng)即IPPBX；然后通過WiFi無線技術(shù)將承載話音的IP包傳輸?shù)骄拢瑢崿F(xiàn)井下的WiFi無線通信；并通過軟件編程實現(xiàn)對IP電話的調(diào)度功能。該模型可分為三層結(jié)構(gòu)：（1）數(shù)據(jù)源：包括WiFi手機，IP電話，廣播等多媒體終端。這些終端的信息經(jīng)過VOIP處理器編碼，打包；經(jīng)過模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換；及射頻發(fā)射和接收來實現(xiàn)與WiFi網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。（2）承載傳輸層：包括井下WiFi無線網(wǎng)絡、及各種協(xié)議接口。該層負責將承載了語音的IP包通過傳輸網(wǎng)送達目的地。（3）應用處理層：包括IPPBX、調(diào)度臺、調(diào)度主機、媒體服務器等。該層負責呼叫控制、強拆、錄音等功能。

3.3 WiFi技術(shù)在礦井應用中的主要優(yōu)勢

WiFi技術(shù)就是基于802.11標準建立的，它具有部署方便、成本低廉、傳輸速率高、抗干擾能力強、靈活性好等優(yōu)點。

（1）無線電波的覆蓋范圍廣

WiFi的覆蓋半徑基本上能達到100米左右，而普通的藍牙技術(shù)基本上只能覆蓋15米左右半徑的區(qū)域。

（2）價格低廉

WiFi網(wǎng)絡的建設成本相對于傳統(tǒng)的局域網(wǎng)布線成本要低，WiFi網(wǎng)絡只需要安裝一定數(shù)量的無線網(wǎng)絡節(jié)點（AP）就可以滿足制定區(qū)域信號的覆蓋，可以避免固定局域網(wǎng)繁瑣的布線工程。

（3）傳輸速率快，網(wǎng)絡可靠性高

WiFi最高帶寬為11Mbps，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可以調(diào)整為5.5或2.1Mbps，帶寬的調(diào)整有效地保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

WiFi無線傳輸技術(shù)是當前信息領(lǐng)域的研究熱點，基于WiFi技術(shù)的開發(fā)應用層出不窮。本文緊跟通信技術(shù)前沿，分析了基于WiFi無線技術(shù)的井下無線通信系統(tǒng)，可以有效地將井下數(shù)據(jù)信息傳遞到地面調(diào)度中心。憑借WiFi技術(shù)的無線節(jié)點可以移動、組網(wǎng)快速簡單、成本低廉、網(wǎng)絡易維護等特點，該系統(tǒng)在礦井調(diào)度和應急中有著很大的推廣應用價值。

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