礦用雙模無線通信系統(tǒng)的研發(fā)

宋虎森 李金華 郭玉彪

（山西潞安集團司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

隨著科技的進步，人們的生活和溝通方式發(fā)生了巨大的改變。人與人之間的溝通變得更加便捷，生產(chǎn)效率得到極大提高，生產(chǎn)安全得到更多保障。目前國內三大運營商已經(jīng)全面建成以LTE 技術為基礎的4G 網(wǎng)絡，手機終端也從僅有語音、短信功能的“移動電話”發(fā)展為擁有各種豐富應用的智能手機。一般而言，專網(wǎng)通信技術會跟隨公網(wǎng)技術的發(fā)展，但同時專網(wǎng)通信又有自己獨立的號碼管理、設備管理、調度指揮等特點。在煤礦行業(yè)中，許多情況下需要利用先進的技術實現(xiàn)人與人之間的溝通，保障井下作業(yè)的順利進行。在開采煤礦的過程中，安全事故時有發(fā)生，盡管多數(shù)礦井已經(jīng)部署完全的煤礦通信系統(tǒng)，但是重大事故發(fā)生時，人員傷亡仍然不可避免。因此，在煤礦資源無法被代替的情況下，為了使礦井內外人員溝通穩(wěn)定，完善煤礦通信系統(tǒng)便是重中之重。本文以探索和實踐為特點進行煤礦通信系統(tǒng)的基礎性及方法技術研究工作，體現(xiàn)煤礦地面和井下礦用雙模無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)與語音的雙傳輸效果，進一步完善煤礦行業(yè)的通信系統(tǒng)[1-6]。

1 研發(fā)背景

司馬礦無線通信系統(tǒng)于2010 年建設并投入使用，采用了PHS 無線通信技術。該技術僅支持語音通話與短信功能，基站信號輻射范圍受地質條件限制。隨著礦井不斷深入開采，眼下所使用的無線通信系統(tǒng)“戰(zhàn)線”越拉越長，維護耗時耗力。隨著無線技術的飛速發(fā)展，目前新的4G 無線通信技術支持視頻、圖片等數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸，但4G 專網(wǎng)只支持數(shù)據(jù)業(yè)務，沒有獨立的語音業(yè)務，語音采用數(shù)據(jù)域的VOLTE 方式來實現(xiàn)，因其較高的技術門檻和昂貴的協(xié)議棧價格，很難被專網(wǎng)市場接受。而VOIP 方式的語音如沒有深度的融合與定制必將重蹈WIFI 的覆轍。B-TrunC 寬帶集群雖然基于LTE技術，但是從物理層到RRC 層都做了修改，無法和公網(wǎng)系統(tǒng)或者終端相互兼容。

隨著井下建設生產(chǎn)的發(fā)展，原有采區(qū)如膠帶巷有一些盲區(qū)需要進行信號覆蓋補充，通過采用無線通訊綜合調度交換機以滿足生產(chǎn)需求。煤礦可以利用生產(chǎn)有線結合無線一體化調度的優(yōu)勢，實現(xiàn)全新的信息通訊技術、基礎支撐技術以及完善的生產(chǎn)管理技術，在一定程度上完善煤礦作業(yè)的安全性。根據(jù)多年來的煤礦專網(wǎng)通信產(chǎn)品研發(fā)制造經(jīng)驗，在原有的PHS 礦用無線通信系統(tǒng)基礎上添加中心控制設備及相關設備后，開發(fā)一套礦用雙模無線通信系統(tǒng)，有利于礦井數(shù)據(jù)視頻的傳輸，實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的雙穩(wěn)定系統(tǒng)。應用該礦用雙模無線通信系統(tǒng)不僅能夠方便礦井的語音與數(shù)據(jù)雙移動調度指揮，而且更加符合現(xiàn)代化數(shù)字礦井的需求，為智慧礦山的建設打下良好基礎的同時還將對礦井安全生產(chǎn)的穩(wěn)定有著積極的作用。

2 礦用雙模無線通信系統(tǒng)設備組成

JEC-3000 EPC 核心服務器包含4G 核心網(wǎng)EPC、4G 核心網(wǎng)IMS 軟件以及網(wǎng)管軟件，并且其依托于已有的通信網(wǎng)絡，能夠提供有線、無線、分組一體化的接入手段，構筑多業(yè)務一體化的通訊平臺，具體參數(shù)見表1。JEC-677 LTE 基站包含基站控制器、大功率宏基站和定向天線，其中，PL-677 室外LTE基站支持主流公網(wǎng)頻段，也支持專網(wǎng)1.8 G 頻段，發(fā)射功率動態(tài)可調，還可以方便滿足礦區(qū)地面覆蓋，具體參數(shù)見表2。JEC-505（KT700）智能手機是嘉科電子研發(fā)的多模防爆礦用手機，支持PHS、GSM、WCDMA 和LTE 等多種制式，手機支持高階調制并且為雙SIM 卡槽，其雙頻無線網(wǎng)絡具備MUMIMO 技術，手機搭配12MP 索尼IMX 378 相機，像素可達1200 萬，電池容量為3500 mAh 超長續(xù)航，支持快速充電。

基站控制器（圖1）需要固定到15 寸的機架上，上面留出至少1 U 的空間，便于散熱，其電源使用DC48 V，需要的接口包括到RRU 的單模光纖、到核心網(wǎng)EPC的超6類網(wǎng)線以及到時鐘盒的HDMI線。時鐘盒和BBU 一樣，安裝于機房，GPS 天線通過饋線連接到時鐘盒，其饋線最長可以支持200 m。時鐘盒和BBU 通過HDMI 線連接，從BBU 處取得電源。需要注意的是GPS 天線必須安裝于樓頂或者窗外1 m 的位置，保證收星正常，同時GPS 天線必須安裝牢固，防風。

圖1 基站控制器

H3CS 系列交換機（圖2）所有以太網(wǎng)端口均支持全線速無阻塞交換以及端口自動翻轉功能，集成專業(yè)防雷電路，可提供共模防護6 kV 級別的安全防護保護設備和用網(wǎng)安全。

圖2 網(wǎng)絡交換機

表1 JEC-3000 EPC 核心服務器具體參數(shù)

表2 JEC-677 LTE 基站具體參數(shù)

3 礦用雙模無線通信系統(tǒng)的工藝流程

礦用雙模無線通信系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)視頻傳輸通話等功能，還具有保持原語音通話穩(wěn)定功能，產(chǎn)品軟件更加人性化。對于一個典型的使用PHS 礦用無線通信設備的煤礦，改造成4G 雙模系統(tǒng)只需要增加核心網(wǎng)少量的設備和若干個4G 基站，使用新型的多模智能終端，就能完美解決以前未達到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)确N種問題，并且為將來升級5G 打下良好的基礎。該技術基本方案如下所述，礦用雙模通信系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 礦用雙模通信系統(tǒng)框圖

網(wǎng)絡改造前的系統(tǒng)僅有基本語音、簡單調度、遺漏呼叫、收發(fā)短信、強插強拆、通話錄音、群組呼叫等功能，并不能保證煤礦通信的順暢交流；改造后的網(wǎng)絡豐富了多項業(yè)務，調度更加全面，擴展性好并且可以升級為VOLTE 業(yè)務模式，同時在原有功能的基礎上增加了視頻、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡業(yè)務功能。網(wǎng)絡改造前后如圖4、圖5。

圖4 網(wǎng)絡改造前

圖5 網(wǎng)絡改造后

4 礦用雙模無線通信系統(tǒng)的先進性

EPC 具備的特點：（1）核心網(wǎng)趨同化，交換功能路由化；（2）業(yè)務平面與控制平面完全分離；（3）網(wǎng)元數(shù)目最小化，協(xié)議層次最優(yōu)化；（4）網(wǎng)絡扁平化，全IP 化。

雙模融合系統(tǒng)的優(yōu)勢：（1）揚長避短，語音數(shù)據(jù)完美融合，能夠與各種系統(tǒng)完美兼容，為高效的智慧礦山打下基礎；（2）無線有線統(tǒng)一調度，解決各個系統(tǒng)相互獨立的問題；（3）建設成本低，而且很好地保護了原有投資；（4）工程建設簡單，周期短，主要工作都在地面，系統(tǒng)可靠性高，日常維護方便；（5）系統(tǒng)可擴展性好，便于后續(xù)升級演進。

5 礦用雙模無線通信系統(tǒng)實際應用

司馬煤礦使用該雙模通信系統(tǒng)以來，設備運行正常。該礦在煤礦口處設置一臺計算機，工作人員需要通過計算機識別個人信息后才能進入礦下，管理人員與礦下工作人員時刻保持聯(lián)系，遇到緊急問題可以及時作出決策，對智慧礦山的安全建設提供了便利條件。

6 結論

礦用雙模無線通信系統(tǒng)在不打破原有通信資源的基礎上融入新技術，揚長避短，有效保護了原有通信資源，節(jié)約了重新構建系統(tǒng)所需資金，又能發(fā)揮新技術的最大優(yōu)勢，很好地解決了煤礦通信的真實需求。運用科技結合的技術既能保障煤礦內外的實時通信，還可以確保煤礦現(xiàn)場的作業(yè)安全，確保工作人員的生命安全。