煤矿井下无线通信技术的现状与发展.pdf

第 4 O卷 第 9期 2 0 1 4年 9月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 4 0 NO ． 9 S e p ．2 0 1 4 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 9 0 1 1 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 6 徐寿泉， 徐宝平 ， 张阳太． 煤矿井下无线通信技术的现状与发展[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 9 1 1 1 1 1 4 ． 煤矿井下无线通信技术的现状与发展 徐 寿泉 ， 徐 宝平 ， 张 阳太 ， 武钰。 1 ． 天地 常 州 自动化 股份 有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 重 庆 邮 电大 学 光 电工程学 院 ， 重庆4 0 0 0 6 5 ； 3 ． 潞安新疆煤化工 集 团 有限公司 机 电管理处 ， 新疆 哈密8 3 9 0 0 3 摘 要 分析 了小灵通 无线 通信 技 术 、 Wi F i 无 线通 信 技 术 、 TI _ S C D MA 无 线通 信技 术 、 WC D MA 无 线 通 信 技 术 以及 F e mt o c e l l 无 线 通 信 技 术 在 煤 矿 的 应 用 现 状 ； 针 对 煤 矿 井 下 的 环 境 特 点 ， 提 出 了 一 种 基 于 F e mt o c e l 1 的矿 用 WC D MA 无 线通信 系统 ， 详 细介 绍 了 系统 的 关键 技 术及优 势 ； 总结 了矿 用无线 通信技 术 的 发 展 趋 势 。 关键词 煤矿 ； 无线通信 ；T s C D MA； F e mt o c e l l ； WC DMA 中 图分 类号 TD 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 4 0 9 0 2 1 6 0 7 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 6 ． h t m1 Cu r r e n t s i t u a t i o n o f c o a l mi ne wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n t e c h n o l o g y a nd i t s d e v e l op me nt XU Sh ou qu a n ，XU Ba o pi n g ， ZH ANG Ya n gt a i ， W U Yu 。 1 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ；2． S c h o o l o f Op t o e l e c t r o n i c Eng i ne e r i ng，Cho ng q i ng Uni ve r s i t y o f Pos t s a n d Te l e c o mm u ni c a t i on s，Cho ng q i ng 4 0 0 06 5，Chi n a； 3． El e c t r i c a l a n d Me c h a n i c a l Ma n a g e me n t De p a r t me n t ，Lu a n Xi n j i a n g Co a l Ch e mi c a l I n d u s t r y Gr o u p Co ． ， Lt d． ，Ha mi 8 3 9 0 0 3，Ch i n a Ab s t r a c t Ap pl i c a t i o n s t a t u s o f v a r i o us m i n e u s e d wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n t e c h no l o gi e s wa s a na l y z e d， i n c l ud i n g wi r e l e s s c o mm u ni c a t i o n t e c hno l og i e s o f PH S， W i Fi ，TD- S CDM A ，W CDM A a n d Fe mt o c e l 1 ．A mi ne us e d W CDM A wi r e l e s s c omm u ni c a t i on s y s t e m ba s e d o n Fe m t oc e l l wa s p ut f or wa r d a c c o r di n g t o e n v i r o n me n t c h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l mi n e u n d e r g r o u n d，k e y t e c h n o l o g i e s a n d a d v a n t a g e s o f t h e s y s t e m we r e i nt r od uc e d i n d e t a i l s． Fi na l l y， de ve l op m e nt t r e nd o f mi ne us e d wi r e l e s s c ommun i c a t i o n t e c hno l o gy wa s s umm a r i z e d． Ke y wo r ds c oa l mi ne；wi r e l e s s c omm u ni c a t i o n；TD- S CDM A ；Fe mt o c e l 1 ；W CDM A 0 引言 近年来随着煤炭行业 自动化、 信息化程度 的不 断提升 ， 煤矿无线通信系统 已经成 为煤矿信息化和 安 全生 产 的重要 组 成 部分 ， 煤 矿 井下 对 无 线 通 信 系 统的要求已不仅是满足语音通信与短信等业务 ， 数 据 、 无线视频 、 无线办公、 智能化调度等业务 已经是 信息化矿山的一个标志__ 1 ] 。 现 阶 段 矿 用 无 线 通 信 技 术 主 要 有P HS P e r s o n a l Ha n d y p h o n e S y s t e m 小 灵 通 无 线 通 信技 术 ] 、 Wi F i 无线通信技术 、 T D- S C DMA T i me Di vi s i o n Sy nc hr o no us Co de Di v i s i o n M u l t i p l e Ac c e s s 无 线通信 技术 、 wC D MA Wi d e b a n d C o d e Di v i s i o n Mu l t i p l e Ac c e s s 无 线 通 信 技 术 以 及 F e mt o c e l l 无线通信技术等 。本文将针对这些技术 在 煤 矿 中的使 用 情 况 逐 一 进行 分析 ， 着 重 阐 述 F e mt o c e l l 技术的特点与优势、 基于 F e mt o c e l l 的矿 用 WC DMA无线通信系统构架以及矿用无线通 信 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 3 ； 修 回日期 2 0 1 4 0 7 1 0 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 天地 常州 自动化股份有限公司通信 分院部 门项 目 1 3 S Y 0 0 8 。 作者简 介 徐寿泉 1 9 8 7 一 ， 男 ， 江苏盐城人 ， 助理工程师， 现主要从事煤矿通信产品 的硬件研发工作 ， E ma i l x u s h o u q u a n 5 2 0 1 2 6 ． c o rn。 1 1 2 工矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 O 卷 技 术 的发展 趋势 。 1 矿 用无 线通信 技术 现状 1 ． 1 P HS无 线 通 信 技 术 P HS即个人手 持式 电话 系统 ， 是 指 一种 无 线本 地 电话 技 术 ， 采 用 微 蜂 窝 通 信技 术 。P HS使 用 T D MA／ T DD无线 电通信 接 口， 采用 7 c ／ 4 一 Q P S K 调 制 以 及 3 2 k b i t ／ s A DP C M Ad a p t i v e D i f f e r e n t i a l P u l s e C o d e Mo d u l a t i o n ， 自适 应脉 冲编码 调制 进行 语 音编 码 ， 并 采用 微蜂 窝和信 道动 态分 配技术 ， 可 以 有 效地 提高频 率 利用率 ， 提 高系统 的通信 容量 。 P HS技术为数字移动通信技术 ， 属于第二代的 通信技术。P HS基站覆盖范围较小 ， 通信基站与终 端间距 离较 短 ， 因此 ， 大 面积 覆盖 式需要 较 多的基站 进 行无 线 网络覆 盖 。这 使 得 P HS较适 合 在 城 市环 境使用 ， 不适宜在人口密度较小的地区使用。 目前 ， 煤矿井下使用 的 P HS无线通信系统是将 地面成熟的基站等设备经防爆处理后应用到煤矿井 下 。P HS无 线 通 信 系 统 的 工 作 频 段 为 1 9 0 0 ～ 1 9 2 0 MHz ， 而 2 0 1 1年 工 业 和 信 息 化 部 已 完 成 1 9 O O ～ 1 9 2 0 MHz 频段 无 线 接 人 系 统 的 清 频 退 网 工作 ， 因此 ， 使用小灵通存在非法使用无线频段的政 策 问题 ； 而小灵通 的核 心技 术 制 造 商也 已停 止 生产 小 灵通 的相关 设 备 ， 这使 得小 灵通 产业链 已经断裂 ， 后 续 的维护 和升 级 困难 。 1 ． 2 Wi Fi 无 线通信技 术 Wi F i 无线 通信 技术采 用 OF DM Or t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g 正 交 频 分 复用 技 术 ， 其 优势 在于 具有较 高 的数据带 宽 ， 低 廉 的设备 成 本 ， 同时 使 用 2 ． 4 GHz的公 共 频 段 ， 不 需要 复 杂 的 审批手续。但 Wi F i 技术不属于国际电信联盟 I TU I n t e r n a t i o n a l Te l e c o mmu n i c a t i o n Un i o n 规 定 的 移动语音通信标准 ， 不具备规模组网通信 的理论基 础与技术标准 ， 其定位就是短距异步宽带数据无线 接入 。由于 Wi F i 采 用 的是 短 码 扩 频 技 术 ， 只适 合 视距无遮挡点对点直线通信 ， 而对矿井这种遮挡严 重 ， 多径反射剧烈 ， 场强衰落快速变化的现场 ， 将直 接导致 Wi F i 的通信距离大大缩短。 W i F i 通 信技 术 所 使 用 的通 信 体 制 、 占用 带 宽 、 调制方 式 与 目前 煤矿 井下人 员定 位 系统 的 RF I D和 Z i g B e e 完全相 同或近似， 使得系统之间会产生严重 的电磁干扰 ， 严重的还会使系统瘫痪 。 1 ． 3 TD S CDMA 无 线通信技 术 T D S C D MA技术是 I T U 发布的第三代移动通 信空 间接 口技 术 规 范 之一 。TD S C D MA 的特 点是 上下行 同频 段 ， 通 过 时 隙配 置 为 上 下行 信 道 提 供无 线 承载 。TD S C D MA 可 支 持 速率 为 8 k b i t ／ s ～ 2 Mb i t ／ s 的语 音 、 互 联 网等所有 的 3 G业 务 。 T D S C DMA 系 统 采 用 时 分 双 工 模 式 ， 它 的 一 个 载波 占用 1 ． 6 MHz的带 宽 ， 仅 能 提 供 速 率 为 2 Mb i t ／ s 的 3 G 数 据 业 务 。并 且 在 产 业 链 方 面 TD - S C DMA不够成熟 ， 终端数量较少。 目前 ， T D- S C DMA 矿 用 通 信 系 统 采 用 B B U B u i l d i n g B a s e b a n d Un i t RRU Ra d i o Re mo t e Un i t 拉 远方 式 ， B B U 部 署 在 地 面 ， R Ru 作 为 井 下 无线站点部署在井 下， 地 面与井 下采用 私有 的 I R 接口， 必须使用裸光纤 ， 无法直接使用井下工业以太 环网， 且当 B B U 出现故障时， 会导致全网无法工作 。 某个 中间 RR U故障会 导致整个链上的 RR U 无法 工作 ， 维护 、 扩容 较为 困难 。 1 ． 4 WC DMA 无 线通信 技 术 WC DMA 技术是 I TU 正 式 发 布 的第 三 代 移 动 通信空间接 口技术规范之～ ， 是集 c DMA、 F D MA F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e Ae c e s s ，频 分 多 址 技术 优势 于一体 、 系统 容量 大 、 抗 干扰能 力强 的移 动 通信技术l_ 4 ] 。WC D MA发展空间较大 ， 技术成熟性 最佳 ， 有较 高 的扩频增 益 ， 可 支持 速 率 为 8 k b i t ／ s 5 ． 7 6 Mb i t ／ s的语 音 、 互 联 网等所 有 的 3 G业 务 。 WC DMA 作 为产业链 最 为成 熟 、 网络部 署 最 为 广泛 、 终端 最为 丰富 的 3 G 技 术 ， 其 网络 除 能实 现语 音通信功能外 ， 还可提供高速率数据和图像传输功 能。但是 ， 传统 WC DMA 系统总体造价相对较高， 不利 于大 规模 推广 ， 而且井 下巷 道错综 复杂 ， 其无 线 信号 的全 矿井 无缝覆 盖 困难大 。 1 ． 5 Fe mt o c e l l 无线通信 技 术 1 ． 5 ． 1 F e mt o c e l l 技 术 简介 F e mt o c e l l 又 可称 为 毫 微 微 小 区 、 家庭 基 站 l 5 l ， 是 近年来 根据 3 G 发展 和移 动宽 带化 趋 势 推 出 的低 功率 、 超小型化移动基站 。F e mt o c e l l 使用 I P协议 ， 通过用户 已有的 ADS L、 L A N 等宽带电路连接， 远 端 由专用 网关实现从 I P网到移动 网的联通 。它 的 大小与 AD S L调制解调器相似 ， 具有安装方便 、 自 动配 置 、 自动 网规 、 即插 即用 的特点 。 1 ． 5 ． 2 F e mt o c e l l 技术 优势 1 可 覆盖宏 小 区不能 覆盖 的地方 。 2 可 以减少来 自于宏小区基站的高功率开销 并 提高 宏小 区基站 的性 能 。 3 辐射更低 ， 手机电池也更耐用 。 1 1 4 工矿 自动化 2 0 1 4年第 4 O卷 2 ． 1 系统 的关键技 术 2 ． 1 ． 1 即插 即用 F e mt o c e l l 所扮演 的角色类似 于终端设备 ， 因 此 ， 其使用方法必须简单明确 ， 安装好 F e mt o c e l l 基 站 后 ， 只要接 通 电源 和 网络 就 可 以使 用 。F e mt o c e l l 和服务器之间必须能 自动完成 I P连接和 I P分配 ， 能 够进 行远程 的 自动软件 升级 、 自动 网络 规划 包括 最小干扰频点的选择、 扰码的 自动分配、 邻 区列表的 自动创 建及 发射 功率 的 自动 调整 。 2 ． 1 ． 2 接人 控制 接 人 控 制 主要 有 3个 层 面 ① 接 人 层 的 UE Us e r E x p e r i e n c e 接 入 鉴 权 。用 户 必 须 可 以设 置 F e mt o c e l l 的接入模式 ， 如是否允许所有 用户接入 、 能否设置不同的接入用户、 F e mt o c e l l 信号是否可以 独享等 。因此， F e mt o c e l l 必须设置一个 白名单编辑 功 能 ，以 满 足 对 F e mt o c e l l接 入 终 端 的 控 制 。 ② F e mt o c e l l 基站设备的接人控制。服务器要能够 监控 F e mt o c e l l 基站的使用， 并 控制其 I P接入 。目 前主要 采用 在 F e mt o c e l l 基 站 内置 一 张类 似 于 S I M 卡的信息鉴权设备 ， 运营商可以在 S I M 卡上烧制相 应的鉴权 信息。③ 核心 网 3 GP P标准的 UE接人 鉴权 。F e mt o c e l l 对 用 户 的接 入 必 须 满 足 3 GP P对 3 G 的各项标 准规 定 ] 。 2 ． 1 ． 3 I P传输 网络 质量要 求 因为 F e mt o c e l l 是完全通过 I P网络 实现与核 心网的连接 ， 因此 ， 如何保证业务的 Qo s服务等级， 特别是语音业务的 Qo S要求非常关键。因此 ， 对于 I P传输网络需要有一定的性能要求 ， 如对满足语音 业务 、 满 足视 频 电话 及 P S 3 8 4 K 业 务 在 时 延 、 抖 动 、 丢包率、 带宽等方面的指标均有最低要求 。 2 ． 1 ． 4 时钟同步技术 F e mt o c e l l 基 站主要通过接收周 围宏基站信号 来提取同步 时钟信号 ， 如果 F e mt o c e l l 完全处于孤 岛环境 ， 就需要通过 自身的时钟振荡器来获取时钟 。 2 ． 2 系统优 势分 析 综合 了 F e mt o c e l l 技术 与 wC D MA 技术 的特 点 ， 基于 F e mt o c e l l 的矿用 WC DMA无线通信系统 主要有 以下 优势 。 1 组 网灵 活。由于系统采用 F e mt o c e l l 技术 和小型化设备 ， 且可 即插 即用， 系统安装维护方便 ， 组 网更 加灵 活 。 2 稳定可靠 。系统 内设备采用电信级标准设 计 ， 确保系统可靠性 。无线资源池共享技术 的应用 使得系统稳定性和可靠性大大提高， 且满 足突发情 况下设备的资源需求 ； 在正常情况下， 设备运行负荷 均衡 ， 工作状 态稳 定 。 3 业务丰富。系统不仅支持基本 的高质量语 音通信和短信业务 ， 而且基于 WC D MA的高带宽特 性 ， 可 灵活 承载移 动 办 公 、 无线 监 控 、 生 产 巡 检 等 各 种数据 业务 。另 外 ， 可 根据数 字化 矿 山的特点 ， 灵 活 定制适 应 于矿 山安全生 产 的多种移 动业 务 。 4 兼 容 性 高。基 于 F e mt o c e l l的 矿 用 wc DMA矿用无线 通信 系统设备采用 国际通用 通 信标 准设计 ， 设备 可 以和 不 同制 造商 生 产 的公 网模 式 的 wC D MA制 式终 端兼容 ； 可 以和多 家主 流设 备 制造商生产的用户级交换机和局用交换机互通。 3 结语 随着 社 会 的进 步 和科 学 技术 的发展 ， 我 国煤 炭 的信息化水平已经大幅提高 ， 矿用无线通信技术也 在不断的发展 以适应煤矿信息化 进程， 从 P HS技 术 ， Wi F i 技术到现在的 3 G技术及今后 的 4 G技术 。 下一代矿用无线通信系统 中， 高质量的语音通信必 不可少 ， 但是其 只是煤矿信息处理的小部分。随着 4 G网络到来， 井下高清无线视频监控 、 无线传感器 、 无线数据采集、 视频会议等无线业务将会是今后数 字化 矿 山的重 要 标 志 。4 G 技术 的引 进 也是 下 一 代 矿用无线通信系统 的必然趋势 ， 其将会是未来煤矿 信 息化 的一个 重要平 台。 参 考 文 献 E I J 陈湘源． 煤矿无线 通信系统 的现状 与发展 E J 3 ． 工矿 自 动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 3 3 3 6 ． [ 2 3 TR AP P A P O R T S ． 无 线 通 信 原 理 与 应 用 [ M] ． 周文安 ， 译． 北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 1- 3 ] 徐福新． 小灵 通 P AS 个人 通信接 人系统 E M] ． 北京 电 子 工 业 出 版社 ， 2 0 0 1 ． E 4 ] 孙宇彤 ， 何侃 ， 王东 ， 等． WC D MA无 线 网络实 战指 南 E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． E s ] 马志 锋． F e mt o技 术及 网 络 部 署 探 讨 [E B ／0 L] ． 2 0 0 9 1 2 3 0 [ 2 0 1 4 0 3 2 1 ] ． h t t p ／ ／ ww w． c e s a ． o r g ． c n ／ a r t i c l e n e w／ d l o a d a r t i c l e ． p h p a r t i c l e i d t e c h n i c a a 4 8 7 0 c c qf 6 0 一 a 0 7 5 一 f 3 2 a 一 4 b 3 a b a 3 8 4 a b d i d 一 1 3 2 ． [ 6 ] C HE N J ，R AUB E R P， D AMAN J I T S ，e t a 1 ． Ar c h i t e c t u r e a n d n e t wo r k a s p e c t s [ E B ／ 0L ] ． E 2 o 1 4 0 3 一 l 6] ．h t t p ／ ／ ww w． q u a l c o mm． c o rn／ c o mmo n ／ d o c u me n t s ／ wh i t e p a p e r s ／ Fe mt o Ove r v i e w Re v C． pd f ．