摘要：針對(duì)煤礦井下各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、基站數(shù)量多且無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬不足等問題，采用LTE技術(shù)設(shè)計(jì)了一種全礦井融合通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過綜合基站對(duì)井下無線通信、人車精確定位、IP電話、語(yǔ)音廣播等多業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一接入、承載和管理，并可與現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺(tái)對(duì)接。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的綜合基站覆蓋半徑為400m，信號(hào)接收強(qiáng)度不低于-105dB，基站間無線通信切換時(shí)間為21.67ms，無線通話質(zhì)量較好。

　　關(guān)鍵詞：煤礦通信;多系統(tǒng)融合;融合通信;無線通信;LTE;綜合基站

　　0引言

　　隨著煤礦開采規(guī)模不斷擴(kuò)大及煤礦安全生產(chǎn)要求不斷提高，煤礦井下環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人員管理、設(shè)備管理、通信、自動(dòng)化、信息化等各類系統(tǒng)越來越多[1]，井下接入的業(yè)務(wù)種類隨之增多，業(yè)務(wù)量越來越大，這就要求井下主傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠提供豐富的接口、足夠的帶寬和穩(wěn)定的性能，滿足各系統(tǒng)接入需求。但目前井下通信基站設(shè)備箱體多、無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬不足等問題仍然存在。針對(duì)上述問題，本文采用LTE(LongTermEvolution，長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種全礦井融合通信系統(tǒng)，采用綜合基站實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、統(tǒng)一共網(wǎng)回傳功能。

　　1LTE技術(shù)在煤礦的應(yīng)用

　　LTE是4G技術(shù)的典型代表，其基于OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交頻分多址)技術(shù)，包括采用成對(duì)頻譜的FDD(FrequencyDivisionDuplex，頻分雙工)和非成對(duì)頻譜的TDD(TimeDivisionDuplex，時(shí)分雙工)2種模式。LTE技術(shù)下行峰值速率為100Mbit/s、上行峰值速率為50Mbit/s，采用專業(yè)切換算法，移動(dòng)性好，具有專有頻段，井下抗干擾性強(qiáng)，可用于實(shí)時(shí)傳輸工作面、井下機(jī)車較密集區(qū)域等工作場(chǎng)所的語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較好，能夠避免丟包、延遲等問題，有效簡(jiǎn)化井下無線網(wǎng)絡(luò)部署數(shù)量，改善目前煤礦井下各子系統(tǒng)獨(dú)立布設(shè)的現(xiàn)狀，解決信息孤島問題[2]。

　　煤礦LTE技術(shù)要發(fā)展以數(shù)字廣帶為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，形成煤礦集無線局域網(wǎng)和基站寬帶網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，以實(shí)現(xiàn)井下通信系統(tǒng)在3G、4G、WLAN、固定網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)漫游。

　　目前煤礦井下4G無線通信、語(yǔ)音廣播、IP電話、程控調(diào)度、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)采用不同的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用獨(dú)立的顯示平臺(tái)。采用LTE技術(shù)建立全礦井融合通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)井下各子系統(tǒng)的SIP(SessionInitiationProtocol，會(huì)話初始協(xié)議)統(tǒng)一接入，如圖2所示，從而實(shí)現(xiàn)不同的用戶定位、會(huì)話建立、會(huì)話管理等功能。

　　2全礦井融合通信系統(tǒng)組成

　　基于LTE的全礦井融合通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)、信令網(wǎng)關(guān)、綜合數(shù)據(jù)服務(wù)中心平臺(tái)、礦用本質(zhì)安全(以下簡(jiǎn)稱本安)型綜合基站、礦用本安型天線、礦用本安型終端(包括礦用本安型手機(jī)、礦用本安型執(zhí)法記錄儀、礦用多參數(shù)氣體測(cè)定器等)及其他配套設(shè)備組成[3-5]，如圖3所示。

　　全礦井融合通信系統(tǒng)可滿足井下各子系統(tǒng)的接入和傳輸要求[6-8]，通過減少井下各站點(diǎn)站址，將數(shù)字監(jiān)控、人車定位、無線通信、IP電話、語(yǔ)音廣播等系統(tǒng)的多個(gè)基站合一，共電源、共傳輸，大大減少井下站址和線纜，降低員工日常維護(hù)量。

　　3綜合基站設(shè)計(jì)

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　礦用本安型綜合基站是全礦井融合通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，其采用ATN950B萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，集成FDD-LTE無線通信、人車精確定位、廣播通信、IP電話調(diào)度通信、工業(yè)自動(dòng)化接入、串口服務(wù)器接入、供電等模塊，如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)煤礦多系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度管理，并可根據(jù)實(shí)際需要接入安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

　　綜合基站通過內(nèi)置的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)自身級(jí)聯(lián)，通過4×RS485/RS232接口和空閑FE端口實(shí)現(xiàn)綜合接入功能，以減少對(duì)主干光纖環(huán)網(wǎng)的接入壓力。供電模塊采用統(tǒng)一的礦用隔爆型鋰離子蓄電池，統(tǒng)一電纜、光纖、供電部署。綜合基站采用模塊化、可插拔設(shè)計(jì)，各模塊均提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI(PeripheralComponentInterconnect，外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))插槽，可根據(jù)實(shí)際功能需要分合，擴(kuò)展性強(qiáng)。

　　3.2受限空間內(nèi)多系統(tǒng)間抗干擾設(shè)計(jì)

　　為消除多網(wǎng)融合而形成的干擾對(duì)綜合基站的影響，以井下受限空間電磁波傳輸理論為基礎(chǔ)，建立了干擾源模型[9-11]，對(duì)干擾源分析及建模、多系統(tǒng)近址共建共電源防護(hù)及空間布設(shè)、多網(wǎng)融合中各系統(tǒng)自身抗電磁干擾等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了綜合基站抗干擾機(jī)制，達(dá)到了靜電、脈沖群、浪涌抗擾度國(guó)家三級(jí)判據(jù)A性能。

　　圖5為基站脈沖群抗干擾電路。電容C1接在輸入線兩端，用于消除差模干擾。電容C2，C3接在輸入線和地線之間，用于消除共模干擾。T1為共模線圈，用于消除共模干擾，其共模電感的兩臂作為線路隔離電感，可對(duì)波頭電壓產(chǎn)生一定的延遲，保證瞬變電壓抑制二極管D1，D2優(yōu)先動(dòng)作，D3延遲動(dòng)作，從而減少回路大電流，有效保護(hù)電路中元件免受浪涌沖擊而損壞。

　　4煤礦4G專網(wǎng)與電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)接

　　全礦井融合通信系統(tǒng)中的4G專網(wǎng)用戶與中國(guó)電信公網(wǎng)用戶進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)互通時(shí)，要求專網(wǎng)用戶手機(jī)統(tǒng)一使用中國(guó)電信發(fā)放的USIM(UniversalSubscriberIdentityModule，全球用戶識(shí)別卡)，在中國(guó)電信信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)優(yōu)先使用中國(guó)電信網(wǎng)絡(luò)，作為公網(wǎng)用戶;在中國(guó)電信信號(hào)無法覆蓋的區(qū)域使用無線專網(wǎng)，作為專網(wǎng)用戶。公網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶之間可進(jìn)行語(yǔ)音及短信互通。煤礦4G專網(wǎng)與電信網(wǎng)絡(luò)對(duì)接拓?fù)淙鐖D6所示。

　　煤礦4G專網(wǎng)與電信網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接技術(shù)包含EPC(EvolvedPacketCore，演進(jìn)的分組核心網(wǎng))對(duì)接和IMS(IPMultimediaSubsystem，IP多媒體子系統(tǒng))對(duì)接兩部分。

　　(1)EPC對(duì)接。中國(guó)電信對(duì)專網(wǎng)EPC(4G核心網(wǎng))開放了S6a接口。專網(wǎng)EPC通過標(biāo)準(zhǔn)S6a接口———Diameter/SCTP與電信HSS(HomeSubscriberServer，歸屬用戶服務(wù)器)互聯(lián)，接入電信網(wǎng)絡(luò)，獲取鑒權(quán)數(shù)據(jù)。礦用本安型終端取得專網(wǎng)核心網(wǎng)的雙向鑒權(quán)后，可駐留使用專網(wǎng)。

　　(2)IMS對(duì)接。煤礦4G專網(wǎng)的IMS采用TDM(TimeDivisionMultiplex，時(shí)分多路復(fù)用)方式與中國(guó)電信2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)口局對(duì)接，采用E1線及標(biāo)準(zhǔn)ISUP(ISDNUserPart，ISDN用戶部分)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)井上下“一機(jī)一號(hào)”語(yǔ)音互通。

　　該對(duì)接技術(shù)除了4G專網(wǎng)用于鑒權(quán)的S6a對(duì)接通路外，專網(wǎng)與電信公網(wǎng)只有1條通路且為局間對(duì)接，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立，耦合性小，最大限度地降低了專網(wǎng)對(duì)電信網(wǎng)絡(luò)的影響。

　　5全礦井融合通信系統(tǒng)測(cè)試

　　5.1系統(tǒng)部署方案

　　全礦井融合通信系統(tǒng)在井下布置56臺(tái)綜合基站、250部礦用本安型終端。綜合基站通過光纖接入井下交換機(jī)，最終與井上綜合數(shù)據(jù)服務(wù)中心平臺(tái)通信。交換機(jī)與各基站采用星狀組網(wǎng)，每臺(tái)交換機(jī)最多可連接24臺(tái)基站。

　　井下綜合基站采用定向天線，根據(jù)巷道不同情況分別進(jìn)行布設(shè)。其中直巷的天線分別向前后2個(gè)方向覆蓋，覆蓋范圍為600～800m;在彎曲巷道或巷道交錯(cuò)區(qū)域的彎曲處或拐彎處布設(shè)1個(gè)基站，并根據(jù)巷道的走向調(diào)整天線角度進(jìn)行覆蓋。綜合基站布設(shè)方法如圖7所示。

　　5.2測(cè)試結(jié)果

　　在井下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了信號(hào)強(qiáng)度和通話效果測(cè)試，結(jié)果見表1。

　　測(cè)試結(jié)果表明，2個(gè)基站之間距離不超過800m、終端與基站之間通信距離不超過400m時(shí)，基站天線增益不低于11.0dBi，接收靈敏度不大于-105dB·m，基站最遠(yuǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度不低于-105dB，通話質(zhì)量較好。

　　采用Flywireless測(cè)試基站切換時(shí)間，結(jié)果如圖8所示。經(jīng)多次測(cè)試后取平均值，得到基站切換時(shí)間為21.67ms，滿足工控信息接入需求。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　基于LTE技術(shù)的全礦井融合通信系統(tǒng)可在大中型煤礦井下實(shí)現(xiàn)數(shù)字監(jiān)控、人車定位、無線通信、IP電話、語(yǔ)音廣播等多系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、承載、管理，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享和調(diào)用，可提供通用的數(shù)據(jù)接口和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺(tái)的對(duì)接。測(cè)試結(jié)果表明，綜合基站覆蓋半徑為400m，在該范圍內(nèi)無線信號(hào)接收強(qiáng)度不低于-105dB，通話質(zhì)量較好，且基站間切換時(shí)間為21.67ms，滿足礦井實(shí)時(shí)、可靠通信要求。

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