中级工程师职称论文基于4G通信技术的煤矿无线通信

来源：核心期刊咨询网时间：2014-11-14 16:0612

摘要：摘要：智慧矿山是指基于完善的数字化矿山基础设施，有效集成先进的信息技术、通信技术、工业控制技术、矿山感知技术、自动化采矿技术及物联网技术，能够实现精准采集、综合接人、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务，从而建立起集

　　摘要：智慧矿山是指基于完善的数字化矿山基础设施，有效集成先进的信息技术、通信技术、工业控制技术、矿山感知技术、自动化采矿技术及物联网技术，能够实现精准采集、综合接人、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务，从而建立起集信息化、智能化、自动化于一体的矿山智能安全生产管理系统，可使各种危害因素始终处于可知、可见、可控、可管的状态下。作为智慧矿山系统的重要组成部分，矿用无线通信系统具有通信、调度、控制及信息采集等功能，可应用于矿山的生产调度、指挥和单位内部通信。

　　关键词：智慧矿山 4G网络 中级工程师职称论文

　　1 无线通信技术发展

　　(1)PHS无线通信系统。小灵通(PHS)无线市话技术采用微蜂窝技术，通过微蜂窝基站实现无线覆盖，将用户端以无线的方式接入本地电话网，是固定电话的有效延伸和补充。2009年，政府主管部门已明确要求所有1900～1920 MHz频段无线接人系统在2011年底前完成清频退网工作。目前所有生产厂家均停止生产，设备及板件无法买到，对今后维护及故障处理造成很大困难。

　　(2)Wi—Fi无线通信系统。Wi-Fi是一种短程无线传输技术，能够在100 m左右范围内支持互联网接入的无线电信号。现在IEEE 802.11标准被统称作Wi—Fi。Wi—Fi传输带宽随环境动态变化，带宽越小，延时越大，因此，通话质量无法保障，通话中常发生吞字、杂音、回声、延时等问题。手机跨基站移动通话会导致掉线，影响通信质量。Wi—Fi工作在ISM国际开放2.4 GHz的频段上，网络易受到攻击，信息很容易被窃取，且终端的待机时间很短。Wi-Fi本身的技术限制一80 dbm就是其覆盖极限，其覆盖距离在200～300 m 。

　　(3)3G无线通信技术。TD—SCDMA 的中文含义为时分复用同步码分多址接入，是由中国第一次提出、在此无线传输技术(RTT)的基础上完成并已正式成为被ITU接纳的国际移动通信标准。CD—MA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，是一个3G移动通信标准，国际电信联盟ITU的IMT 2000标准认可的无线电接口，也是2G CDMA标准的延伸 。

　　(4)4G无线通信技术。4G是第4代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像的技术产品，其图像传输质量与高清晰度电视相近。4G系统可实现以100 Mb/s的速度下载文件，上传速度也可达50 Mb/s，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，TD—LTE(Time Division Long Term Evolution，分时长期演进)是基于3GPP长期演进技术(LTE)的一种通信技术与标准，属于LTE的一个分支。

　　2 煤矿无线通信技术需求分析

　　煤炭生产主要在井下作业，受技术、资金的限制，环境一般比较恶劣，存在工作区域狭小，照明条件差，温度高，潮湿，粉尘、瓦斯及腐蚀性有害气体浓度高等现象。各种规模煤矿产量不同，人员数量、设备规模均不相同。井下人员、设备流动性大，从生产作业流程上看，井下还具有多工种联合流水作业的特点，经常有很多重型设备参与其中，设备间的运输、安装、调试配合要求很高，往往必须井上井下协同作业完成。

　　由于无线移动通信技术具有便捷、灵活等优点，近年来，将无线移动通信系统应用于煤矿生产、生活通信领域已成为一个热点。鉴于工作面一般位于地下几十米甚至几百米的深度，工作人员流动性强，为保障生产顺利进行和紧急事故的迅速处理，要求煤矿通信系统尤其是井下通信系统必须具有极高的可靠性。

　　由于业务类型不同以及传输速率等问题，目前井下通信通道有线和无线并存，通信通道承载的业务类型各自独立，为满足语音、视频、数据等不同类型业务需求，需组建不同的通信网络，不利于综合性应用。统一各类业务承载通信通道，减少井下通信系统的复杂程度，实现数据统一传输、统一存储、统一分析挖掘十分必要。同时，建设井下无线通信系统，可实现井下隐患及时排查和动态跟踪，促进煤矿安全预警体系的建立和完善，使煤矿安全监察变被动为预防。

　　3 矿用LTE无线通信系统概述

　　基于TD—LTE的无线通信技术拥有高传输速率的宽带无线网络及统一的软件平台，可对井下传感器、视频、工业自动化等各类业务数据进行统一的传输、存储、挖掘，简化井下通信网络部署，打破目前煤矿系统独立局面，解决信息孤岛的问题，提高矿山的安全预测能力以及生产效率，进一步促进物联网在煤矿的综合运用，为矿山自动化、信息化的融合提供坚实的基础，进而促进矿山生产管理智能化。

　　基于TD-LTE的无线通信技术的宽带无线网络，可在频谱带宽20 MHz下实现下行峰值速率100Mb/s、上行峰值速率50 Mb/s。TD—LTE系统控制面时延小于100 ms，业务面时延小于10 ms，可满足语音和数据业务的实时传输，保证数据传输质量，避免丢包、延迟等问题。单个基站可激活用户数400，在线用户大于1 200，与PHS和wi-Fi井下无线通信系统单基站2路及8路用户接人数量对比，可应用于煤矿井下较为密集的工作环境，保障多业务通信的可靠运行 。目前3G无线通信技术的几种系统参数对比及煤矿井下通信系统参数见表1、表2。

　　3.1 TD.LTE煤矿无线通信系统架构

　　网络总体架构主要由BS8102基站、安全网关SeGW、接入网关AG/Ac/BRAS与小型化核心网通信，核心网网元包括IMS+EPC+DSS集群，实现语音、数据、集群呼叫功能。

　　3.2 TD-LTE基站通信系统

　　ZXSDR BS8102企业级Femto/Pico基站属集成型超小基站，具备部署灵活的优点，可用于增强区域覆盖，主要应用于数据速率需求相对较大的区域。基站通过自有的传输网络(EPON或工业以太网)统一接入到安全网关SeGW，并采用IP SEC方式来保障传输安全。

　　当BS8102同时提供LTE/WLAN AP功能来承载数据时，数据业务也可通过AC/BRAS和PDG直接接人Intranet网络。当Small Cell作为宏网络的延伸，同时提供高质量的数据和语音业务，则可根据不同的产品形态选择接人专用AG网元或直接接人3GPP核心网，以提供统一的业务体验。iAMS作为Small Cell的网管系统，管理所有Small Cell基站，为运营商提供可视可控的运维服务，并可以和上层网管BOSS系统对接。

　　3.3 基于EPC+IMS+DSS集群架构的小型核心网

　　核心网的功能主要是提供用户连接、管理用户以及业务承载，作为承载网络提供外部网络接口。核心网可提供的基本业务包括移动办公、电子商务、通信和基于位置的服务、遥感业务(Telemetry)、简单消息传递业务(监视控制)等。

　　TD-LTE无线通信系统采用基于EPC+IMS+DSS集群架构的融合核心网系统ZXUN iEPC-5。ZXUN iEPC.5小型化产品依托电信级EPC核心网优势，采用5u插箱，将EPC主要网元MME、SGW、PGW 和HSS的功能融为一体，可以给用户提供高速、安全、可靠的LTE接入。

　　IMS(IP Multimedia Subsystem)是IP多媒体系统，是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足目前终端客户更新颖、更多样化的多媒体业务需求。实现LTE的语音功能，并与传统的电路域核心网互通，实现4G语音与3G语音、固定电话的互联互通，与EPC一样采用ATCA架构，实现设备小型化。

　　DSS核心网用于实现LTE的集群呼叫功能，并具备兼容3G CDMA GOTA集群功能，与EPC一样采用ATCA架构，实现设备小型化。

　　3.4 综合应用系统平台

　　通过建立高速、可靠、统一的软件处理平台，提供一个适用多场景的分布式高性能云计算框架结构，在此基础之上，增加各种业务数据的分析处理引擎等专用支持工具，构建灵活的、可剪裁、可适配的综合处理平台。平台提供统一的数据存储、中间件平台和应用接口支撑生产自动化管理以及安全管理应用系统。支持LTE网络和Wi.Fi网络的基站系统，支持LTE终端和Wi—Fi终端同时接人，实现语音、视频、数据各类业务承载和统一的工业安全及生产数据软件平台及其应用系统，特别是安全形势智能分析预测系统以及各系统联动。

　　4 系统功能

　　4.1 传统语音业务

　　传统语音业务包括移动电话、紧急呼叫、主叫号码识别显示业务等。移动电话为矿用通信系统用户提供了与系统内外其他用户进行语音通信的功能;紧急呼叫业务是指集群用户发起呼叫到就近的紧急呼叫中心，它是电信业务中的一种，类似于电话业务，但建立呼叫相对简单且快速;主叫号码识别显示即向被叫用户提供主叫用户号码。

　　4.2 调度通信业务

　　调度系统是企业生产的主要通信手段。通过调度系统，生产调度指挥员可以统筹企业所有资源，并及时处理生产中出现的各种情况，主要功能包括生产进程管理、生产资源再分配及生产流程调整等。

　　4.3 无线集群通信业务

　　无线集群通信系统是指大量无线用户自动共享少量无线信道的系统。主要提供系统内部用户之间的相互通信，但也可提供与系统外(如市话网)的通信。集群通信系统区别于公众无线电移动通信系统的主要特点是，除了可以提供移动电话的双向通话功能外，还可提供系统内的群(组)呼、全呼;甚至建立通话优先级别，可以进行优先等级呼叫、紧急呼叫等一般移动电话所不具备的通信;提供动态重组、系统内虚拟专网等特殊功能。这些特点特别适合矿山安全部门专用通信指挥调度需要。

　　4.4 增值数据业务

　　(1)提供视频通话。通过手机实时传送语音和图像，无线视频业务可在有线视频监控的盲区传递实时图像，便于井上人员判断、决策。

　　(2)满足多种数据业务。高速分组无线数据业务可满足未来多种业务运行所需的高带宽需求。煤矿企业管理人员可以通过手机端定制软件接入内部系统，通过智能手机终端进行企业信息发布、移动办公、安全生产监测监控、视频监控、综合自动化系统监控等，可以实时监测煤矿的生产、安全等信息，操作界面友好，图像直观。综合自动化系统具有组态软件实时显示功能，异常情况下具有报警自动提示功能。

　　(3)物联网接人。可提供井下3G无线采集终端、无线传感器、无线摄像头等接口，为井下物联网的建设提供终端接人。

　　(4)手机终端定位。采用4G无线通信系统，不仅语音通话质量得到较大提高，利用4G通信平台，还可以开发出更多的应用模式。

　　矿用无线通信系统手机终端定位就是利用作业人员携带的手机与井下基站之间的信号传输时间，通过精密的算法，得出作业人员在井下巷道的位置信息。地面人员可通过计算机动态了解井下人员的位置和分布，为矿井生产及安全提供实时信息。

　　5 结语

　　TD—LTE技术在运营商市场已经进入大规模商用的关键阶段，目前基于TD—LTE的高速无线网络，特别是LTE转Wi.Fi覆盖技术，已经基本成熟。

　　LTE技术具有高带宽特性，上行带宽在50 Mb/s以上，并可实现传输网络的统一，避免网络建设重复投入。作为有线调度通信系统的有力补充，井下TD—LTE无线通信系统具备覆盖广、信号强的特点，便于矿井管理者对井下各个区域情况的实时掌握，准确下达生产任务指标，紧急调度各区域的人员，提高了生产效率，降低了生产人力成本。

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