煤礦井下4G 無線通信系統(tǒng)的設計

潘明亮

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054001）

引言

4G 比較于上一代通信技術，實現(xiàn)了跨越式升級。在第四代通信技術的背景下，視頻及圖片等傳播速率明顯提高，上傳和下傳速率已經分別達到50 Mbps和100 Mbps。這些技術將OFDM作為核心，還添加較多語音話音服務。從抗噪能力以及抗信號干擾能力等角度來看，實現(xiàn)了高性價比[1]。

4G 系統(tǒng)在網絡結構設置方面，主要有物理和中間以及應用三個不同層次。中間層次屬于環(huán)境層，能達到地址轉化和管理等多方面效果。而物理層通常涵蓋接入和輸出等多項功能，還能完成路由器選擇。這兩個層次通常和環(huán)境之間保持開放接口，可實現(xiàn)深度拓展。因此在保證基本接口服務的同時能達到高質量無線服務。相關網絡架構情況如圖1 所示。

圖1 4G 系統(tǒng)網絡架構

1 井下通信系統(tǒng)概述

井下通信系統(tǒng)存在的最主要目的是使礦井的生產管理保持安全狀態(tài)。通常從通信種類情況來看，涵蓋有線和無線對講以及泄漏通信等多方面系統(tǒng)模式。對其進行充分分析，可發(fā)現(xiàn)有線通訊是在某些固定的地點所涉及到的通訊方式。而泄露通信涉及到的距離較短，需要再單獨組建網絡的情況下完成通訊重點用于機車調度等。小靈通和無線通訊兩項涉及到的設備更加繁瑣復雜，同時在進入到采掘工作面時，不能使用這種方式。所以本文在充分了解到系統(tǒng)情況后，從更深層次解決問題，充分分析某礦的實際情況，進一步構建更符合煤礦井下環(huán)境的4G 通信系統(tǒng)。

2 某礦工業(yè)環(huán)網結構

某礦已設置以太環(huán)網，而且從承載力和實際情況來看，達到萬兆之多。對應的主干和分支網絡是以環(huán)網拓撲結構為主，詳細內容如下圖所示。每一層以大環(huán)套小環(huán)的方式完成通信，基本滿足實際使用需求。在這當中，井下所安裝的交換機，共計分為5 臺萬兆和8 臺千兆兩種不同形式。在地面所涉及到的核心交換機，共計兩臺。這兩臺核心交換機都為萬兆級別，能滿足調度需求。在地面和主井以及新副井位置，每一位置安裝一臺交換機，且都屬于千兆級別。從整個網絡傳輸和通信系統(tǒng)構建情況來看，能達到日常的通信及使用需求[2-3]。見圖2。

圖2 某礦工業(yè)環(huán)網結構

3 某礦通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

某礦在通信系統(tǒng)設計方面，主要為數(shù)字程控和小靈通以及擴音電話三種不同形式，按照實際使用需求使用不同系統(tǒng)。數(shù)字程控電話是以調度室中的實際操作使用為主，通過這一系統(tǒng)可用于日常通信平臺使用，且能達到指揮的目的。小靈通通訊則是以微蜂窩技術為主，用戶可在進入網絡的情況下完成使用，且能達到無限覆蓋的效果。這一系統(tǒng)與前者有效配合，可靈活使用，隨時隨地監(jiān)控。在井下通訊時，通常使用擴音電話，這一電話分布位置較為豐富，主要位于掘進巷道和大巷人車等候點等多個地點。通過及時有效的對講系統(tǒng)完成信息傳播，但實際上在井上和井下進行系統(tǒng)構建時，不同通訊系統(tǒng)的廠家和系統(tǒng)建設時間并不完全相同[4]。所以系統(tǒng)容易出現(xiàn)重復設計鋪設且可靠性較差等方面的問題，在進行此方面維護時，實際成本較高，所以不能滿足目前的業(yè)務使用需求。系統(tǒng)本身的集成性較差，很難滿足礦井的綜合效益，容易產生安全生產問題。

4 通信系統(tǒng)設計方案

通信系統(tǒng)在設計時最重要的目的是完成全覆蓋化通信，且保證所有系統(tǒng)之間的靈活互通。這一通信功能是在4G 網絡的基礎上，保證信息之間的溝通交流更加順暢，且構建數(shù)字化中央平臺，完成安全信息的共享。整個系統(tǒng)要涵蓋視頻監(jiān)控和泵房排水自動化等多項系統(tǒng)的部分功能。在與現(xiàn)代化操作系統(tǒng)之間的有效融合的基礎上，充分了解到每一工況的發(fā)展現(xiàn)狀，對井上和井下的數(shù)據(jù)進行充分搜集和整理。系統(tǒng)還要做到及時故障報警，完成音頻和視頻等多方面聯(lián)動。

4.1 系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)是通過4G 無線通信網絡的方式作為基礎架構，完成整個覆蓋性網絡的建設。除此之外，還選用TCP／IP 通信協(xié)議來保證整體通信系統(tǒng)的真實性和可靠性。從主干連接和整個工業(yè)環(huán)網情況來看，此系統(tǒng)還要涉及到無線和有線兩種不同的連接方式。由于整個工作場所覆蓋范圍較廣，能將井上和井下連接起來。所以在實際使用的過程中包含的場景也會更加豐富。整個系統(tǒng)的建構分為井上和井下兩個不同部分：在井上設計有核心網絡及交換和調度基站等。而井下部分則是主要采用礦用本安型4G 基站等相關設備及設施。在傳播方面所涉及到的等級較高，而基站也可以接入到以太環(huán)網當中[5]。對應的系統(tǒng)架構情況如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構

4.2 系統(tǒng)主要設備功能設計

1）井上設備。通過上述分析和探討可以發(fā)現(xiàn)，在進行井上設備設計時，需要充分保證核心設備及交換機和調度機等方面的功能。在這里針對每一項基本設備進行重點闡述：首先，4G 核心網設備重點放置在調度室當中，這一部分屬于所有設備中的重中之重。所以要完成交換機萬兆以上接入，同時也要保證所有數(shù)據(jù)之間的調度互通。其次，綜合業(yè)務交換機能使靜態(tài)數(shù)據(jù)保持一致，而且在數(shù)據(jù)自動增量的基礎上，保證數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。此功能主要是以冗余功能為重點。再次，網絡管理服務器可完成所有節(jié)點和命令方面的分析和執(zhí)行。這一要素屬于調度當中的中間者，而且在和其他設備相連接的過程中，需要及時監(jiān)測整體系統(tǒng)的安全性和可靠性，分析網絡健康等多方面情況。除此之外，多媒體調度機是在較為先進的軟件和硬件結合的基礎上，保證系統(tǒng)的真實性和可靠性，是所有的設備能達到可視化交互的效果。在調度的過程當中也能達到統(tǒng)一管理或分級調動等多種不同功能。最后，地面信息傳輸接口是在基站核心設備物理連接等多方面基礎上保證基帶處理或傳輸板的連接使用[6]。這一部分要考慮到具體的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)傳輸更加真實可靠。

2）井下設備。通過上述功能分析，可發(fā)現(xiàn)再進行井下設備安裝時，涉及到的主要有本安型4G 基站及配套電源、手機等多項基本設備。在這里針對每個設備做更深入的分析和探討：通常4G 基站主要是以集成BBU+RRU 功能為主。所以要在滿足基本使用條件下，保證所有的信號傳遞能覆蓋基本工作面。這里的覆蓋半徑通常在300～500 m 的范圍內，能夠達到礦用本安設計方面的基本要求，所以在具體的安裝位置確定時，需充分考慮人員密度和實際工作情況以及相關分區(qū)。一般情況下，會在巷道拐角或坡度拐點等位置進行提前安裝?？紤]每一部分的信號使用情況以及實際覆蓋面積，完成多方位共同連接。井下手機使用的是4G3 防手機，而且為礦用，不僅能夠達到對講按鍵使用效果，同時也可以在多項系統(tǒng)當中完全適配。因此這一部分的通信是以專網專用的方式通信為主，還可以和固定電話之間互相通信。電話需要具備中繼匯接功能，可以在開放性接口的基礎上，完成不同應用功能之間的互動溝通。所以這一設備本身屬于一體化共享平臺軟件當中的重要組成部分，能夠達到語音和通信功能的互動。除此之外，還可完成數(shù)據(jù)傳輸以及結痂安全管理等多方面功能。

4.3 系統(tǒng)主要技術參數(shù)設計

1）4G 核心網設備。這一部分的主要架構是以ATCA 為主，在實際使用操作過程當中，會以兩套設備的接入作為安全使用的基本。因此在組建網絡時要達到容災備份的效果，保證在出現(xiàn)問題或業(yè)務中斷時都有對應數(shù)據(jù)可搜尋。當業(yè)務中斷或倒換的時間在低于5 min 的情況下，可通過另一套架構來完成信息傳輸。整體基站用戶數(shù)要超過100 以上，但不能超過8 000。在這里所設定的最大并發(fā)群組數(shù)量要超過512，但不能超過1 024。轉發(fā)帶寬則是要超過2 Gbps，從系統(tǒng)化圖形結構設計情況來看，需要充分保證所有設計單元的可測量性以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計完整性。能夠在標準Office 應用程序當中完成QoS 數(shù)據(jù)的輸入和整理，所以從功能單元接入等多種情況來看，不僅可完成在線監(jiān)控的效果，同時也可以將終端信號信息等展現(xiàn)在共享平臺中。在這里所選用的硬盤需要具備RAID1 冗余的基本效果。除此之外，磁盤陣列需要達到RAID5+熱點冗余配置。

2）地面用射頻拉遠單元。這一部分在信息投射方面具備重要作用，所以對應的型號要在工信部門型號核準的基礎上使用。對應的視頻單元也要在具備核準證的情況下完成使用，不能隨意設計及使用。而且RRU 單級拉遠距離要超過10 km，對應的覆蓋半徑也要大于2 km。從天線增益情況來看，要真正超過15dBi，發(fā)射角度也要在超過120°的范圍內。同時，還需要滿足MTBF 大于100 000 h 以及4 通道RRU 等基本功能。不同基站之間要實現(xiàn)互聯(lián)，不能小于6 級。在正常工作情況下，電壓為直流48 V 范圍內。而且要充分保證2～4 個模塊接口，完成光口、電口的基本支撐。

5 結論

這一系統(tǒng)已經在礦井當中實際使用，同時從信號覆蓋以及使用需求等情況來看，達到了良好的使用效果，能滿足4G 信號全覆蓋的基本作用。從采煤和調度以及運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)分析，這個系統(tǒng)目前較具備影響力，而且能達到視頻和數(shù)據(jù)與語音三者的共同承載。在多樣化條件滿足的基礎上，不僅能夠打造更加安全現(xiàn)代化的礦井，還能提升整體工作和生產效率。因此，這一系統(tǒng)具備較強的覆蓋力和推廣價值。