煤矿无线通信系统的现状与发展.pdf

第 1 期 2 0 0 9 年 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on NO ． 1 J a n ．2 0 09 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 1 0 0 3 3 0 4 煤矿无线通信系统的现状与发展 陈 湘 源 1 ． 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中国神华金烽煤炭分公司科技信息部 ， 内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0 摘 要 文 章分析 比较 了 目前 煤矿 主 流的 无 线通 信 系统 的技 术特 性 ， 论 述 了煤 矿 无线 通 信 系统 的发 展 方 向， 指 出构建煤矿无线通信 系统应根据矿井实际情况， 结合各种无线通信技术的性能参数 ， 选择合适的无线 通信 系统进 行优 化组 合设 计 。 关键词 煤矿 ；无 线通信 系统 ；载波通 信 ；泄漏通 信 ；PHS；CDMA；WI F I 中图分 类号 T D 6 5 5 ． 3 文 献标 识码 A Pr e s e nt S i t u a t i o n a nd De v e l o p me n t o f W i r e l e s s Co mmu n i c a t i o n S y s t e m o f Co a l M i ne CHEN Xi a n g yu a n ’ 1 ． Co l l e g e o f Re s o u r c e s S a f e t y En g i n e e r i n g o f CUMT． Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a ． 2 ． De p t ．o f Te c h n o l o g y a n d I n f o r ma t i o n o f J i n f e n g Co o l Mi n e B r a n c h Co mp o n y o f Ch i n a S h e n h u a ， Ee r du os i 0 1 7 0 00，Chi na Ab s t r a c t The p a pe r a na l y z e d a nd c ompa r e d t e c hno l o gy c h a r a c t e r i s t i c s o f ma i ns t r e a m wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n s y s t e ms o f c oa l mi n e，di s c u s s e d de ve l op m e nt d i r e c t i o n o f wi r e l e s s c omm u ni c a t i on s y s t e m of c o a l m i ne ． I t p o i nt e d o ut t ha t c o ns t r u c t i ng wi r e l e s s c o m m u n i c a t i on s y s t e m o f c o a l mi ne s ho ul d a c c o r d t o a c t ua l c o n di t i on o f c o a l mi n e a nd c o mbi n e wi t h pe r f o r ma nc e pa r a m e t e r s o f e a c h wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n t e c hn ol o g y t o s e l e c t pr o pe r wi r e l e s s c o m muni c a t i on s y s t e m a nd ma ke c o m bi ni n g a nd d e s i g ni ng op t i ma l l y． Ke y wo r d s c oa l m i n e， wi r e l e s s c o m muni c a t i on s y s t e m ， c a r r i e r c o mm u ni c a t i on，l e a ki n g c ommun i c a t i o n，PH S，CDM A 。W I F1 0 引言 煤矿无线通信系统是矿井信息化和安全生产管 理的重要组成部分。 目前 ， 我 国煤矿井下使 用的无 线通信系统有早期 的载波通信系统、 泄漏通信 系统 及 近几 年 发 展起 来 的 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 无线通信系统等 ， 这些系统在信 道的传输 特性 、 技术升级及性价 比方 面各有优缺点。本文从 矿井建设的经济性 、 实用性以及系统可拓展性方面 考虑 ， 结合我国煤矿 目前使用 的无线通信系统具体 收稿 E t 期 2 0 0 8 0 8 2 1 作者简介 陈湘源 1 9 7 2 一 ， 男 ， 工 程师 ， 现 为中国矿 业大学 北 京 在读工程 硕士研究生 ， 并在 中国神华金烽煤炭分公司从事矿井信 息 自动化方面的工作 。E ma i l c x y ma i l z b 1 6 3 ． c o rn 情况及相应 的技术指标 ， 对煤矿无线通信 系统 的设 计及传输平 台的搭建进行了深入 的研究 ， 并指 出了 下 一代 煤矿 无线 通信 系统 的发 展方 向。 1 煤矿 无线 通信 系统 的现 状 我国煤矿井下使用 的载波通信系统采用频分复 用技术 ， 利用通 信 线路 、 低压 动力 电缆 等载 频介 质进 行语音和小流量监测数据通信 ， 其有效通信距离较 短 ， 受载体负荷干扰较大 。 井下泄漏通信是利用泄漏 电缆作为传输信道的 无线通信方式 。泄漏电缆是一种特殊结构的同轴电 缆 ， 通过外导体上 的孔 、 槽或 网眼将 电波漏 泄出来 ， 可与收、 发信机进行无线通信， 传输特性与同轴 电缆 相似 。该通信方式可工作于数兆赫兹到数百兆赫兹 3 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 1月 的频段 ， 受环境影 响小 ， 7 O年代以来 在欧美各 国发 展较快 ， 但价格较高。我国煤矿早期引进该技术 ， 仅 用 于语 音及数 据量 较小 的监 测传输 。 2 0 0 3年 ， UT s t a r c o m 与 国 内矿 用设 备 制造 商合 作 ， 将 P HS无线通信技术引进到煤矿井下 ， 至此 ， 煤 矿无线通信快速发展的时代到来。国内大型通信设 备制造商 中兴科技也 以 P HS技术涉足煤矿无线通 信系统领域， 短短几年中， 相继又有大灵通 、 C D MA C o d e Di v i s i o n Mu l t i p l e Ac c e s s ， 码 分 多址 、 WI F I Wi r e l e s s F i d e l i t y ， 无 线保 真 等技 术进 入 煤 矿无 线 通信领域 。各种新技术的注入 ， 使煤矿 的信息化和 安全 生产 管理水 平 得 到 了空 前 的提 高 ， 同时也 需 要 对煤 矿井 下信息 网络 构架 的搭建 、 设备 选 型 、 功 能拓 展 、 技 术升 级 、 系统 投 资 效 率 等 做 大 量 的研 究 规 划 工作 。 2无 线通信 技 术在煤 矿 的应用 2 ． 1 泄 漏 通 信 系统 泄 漏 同轴 电缆通信 的基 本设 想最初 是 由英 国人 于 1 9 4 8年提 出来 的 。2 O世 纪 6 O年 代 以后 ， 随着 电 子信息技术的不断发展 ， 泄漏通信技术在英 、 法 、 日 等 国相 继研制 成 功 。早 期 由国外 引进 的泄漏 通信 系 统 ， 由于泄漏 电缆设 计 和制造 工艺 的 限制 ， 信 号在 泄 漏 电缆 中的功 率损 耗和 耦合损 耗 都较大 ； 另外 ， 泄 漏 电缆的价格较高 ， 煤矿井下采用泄漏 通信系统作 为 信 号全覆 盖造 价太 高 。 泄漏通信系统实质上是宽带传输 系统 ， 可传输 语音、 图象及遥控 、 遥测等信息。该系统功能扩展方 便 ， 可接 入各 种通信 系 统 ， 某些 型 号的泄 漏 电缆可 同 时 用 于P HS 、C DMA8 0 0 、GS M9 0 0 、G S M1 8 0 0 、 WC D MA、 WL AN 等系统 ， 实 现联合 组 网 。 泄漏 电缆 是 由同轴 电缆上 分装 多路 天线演 变 而 来 的连 续 天线 ， 主要 有辐 射 型、 耦合 型 和泄 漏 型 3种。泄漏通信系统 的优点是场强均匀 ， 可 以按设 计有效地控制覆盖范围， 且在适用频率范 围内， 使用 频段 的多少不 受 限制 。 ． 2 ． 2 PHS无 线通信 系统 煤矿 P HS无线通信系统于 2 0 0 3 年获得煤安认 证。P HS无线通信系统属于微蜂窝网， 通话质量较 好 。 由于进入 煤炭领 域较 早 ， 因此 ， 目前 在煤矿 的普 及率较高 。该系统由基站控制器、 基站、 局端接入设 备、 线路延伸器及线路复用器 、 本安型手机、 网管计 算机等组成 ， 采用微蜂窝和信道动态分配技术， 基站 与手机之间采用时分双工模式 TD D， 其无线信道基 于时 分 多 址 T DMA 结 构 ， 语 音 编 码 采 用 3 2 k b p s AD P C M 方式 ， 采用 分集 定 向天 线 接 收 。基 站 控制 器 通过 1 ～ 4 条 E 1线 路 与 局 端设 备 R T 相 连 ， 主要 用 于控 制基 站 ， 提 供 信 令 转 换 ， 分 配 话 音 和 信 令 时 隙 ， 提供 话路 的集 线处 理 、 存储 以及 确认 终端特征 数 据 ； 对基 站远 端供 电 ， 并 通过 RT设备 与交换 设 备进 行 双音 多频拨 号通 信 ； 提供基 站 的操作 维护通道 ， 包 括 程序 和参 数 的加 载 过 程 、 基 站 状 态信 息 和话 务 统 计数据的传递等 。 ． 基站 由发信机和控制单元组成， 通 过无线 接 口与手 机通 信 ， 另 一 侧通 过 U 接 口与基 站 控制器 进行 通信 。 P HS无线 通信 系统 主要用 于 煤 矿井 上 、 下语 音 通 信及人 员定 位 。基 站具 有 1个控 制信道 和 3个话 音 信道 ， 系统兼 有低 精 度 无 线定 位 和小 流量 数 据 传 输 功 能 。 P HS 无 线 通 信 系 统 工 作 在 1 9 0 0～ 1 9 0 5 MHz 频段 ， 无 线 覆 盖距 离 为 6 5 0 r l l ， 直 射 波 、 反射 波强度 远 远 大 于绕 射 波 ， 穿 透 能 力较 差 。P HS 无线 通信 系统 实测 电磁波 损耗 如表 1所示 。 表 1 PHS无 线 通 信 系统 实 测 电磁 波 损 耗 表 障碍物 损耗／ a B 砖 6 0 ram 混 凝 土 1 0 0 mm 木板 1 5 mm、 石灰板 7 mm 玻璃 普通墙壁反射 煤壁反射 2 ． 3 CDMA 无 线 通 信 系 统 C DMA 是在 扩 频 通 信 技 术 上 发 展起 来 的无 线 通信 技术 。C D MA技术 的原理是 基 于 扩频 技 术 ， 即 将需传送的具有一定信号带宽的信息数据， 用一个 带宽远大于信号带宽的高速伪随机码调制， 使原数 据信 号 的带 宽 被 扩 展 ， 再 经 载 波 调 制 后 发 送 出去 。 接收端使用完全相同的伪 随机码， 与接收的带宽信 号作相关处理 ， 将宽带信号转换成原信息数据的窄 带信号， 即解扩 ， 以实现信息通信 。 C DMA无线通信系统于 2 0 0 7年获得煤安认证 进入煤矿无线通信领域， 目前在煤矿井下普及率不 高。采用 C D MA2 0 0 0 1 X技术的煤矿无线通信系 统主要 由局端设备 包括服务器 、 操作维护子系统 、 无线交换机 、 基站控制器、 基站 、 功率分配器、 功率 捕艏 3 l 3 O 5 3 2 0 0 9年 第 1期 陈湘源 煤矿 无线 通信 系统 的现 状与 发展 3 5 合成器、 近端光模块 、 矿用无线信号变换器、 线路耦 合器、 无线 功 分器 、 数据 终 端 、 视 频 终 端、 手 机 等 组成 。 目前 ， 获得煤安认证的 C D MA无线通信系统工 作 频段 为 4 5 0 MHz ， 载波 带宽 为 1 ． 2 5 MHz ， 双 工方 式 为 F D D， 码 片 速率 为 1 ． 2 2 8 8 Mc h i p ／ s ， 单 载频 单 扇区通信信道为 3 0个 ， 手机发射功率为 2 ． 5 O mW ， 无线覆盖距离为 8 0 0 m。煤矿 C DMA无线通信系 统主要 用 于井上 、 下作 业人 员 的语音 通信 ， 同时还 具 备设备管理及监测数据和图象的传输功能。该系统 采用软切换技术 ， 从而降低 了掉话率 ， 话音质量好 。 2 ． 4 WI F I无线通 信 系统 W I F I 是 I E E E在 1 9 9 7提 出 8 0 2 ． 1 1无 线 网 络 规范的基础上发展而来 的， 其最大 的优点是无线传 输速度较高 ， 可达 到 1 1 Mb p s 。WI F I 系统是 由 AP Ac c e s s P o i n t 和 无 线 网 卡 组 成 的无 线 网 络 。AP 称为 网络 桥接器 或 接 人 点 ， 是 传 统 的 有线 局 域 网络 与无线 局 域 网 络 之 间 的 桥 梁 ， 其 工 作 原 理 相 当 于 一 个 内置无 线发 射器 的 HUB或路 由器 。 WI F I 无 线 通信系统于 2 0 0 7年获得煤安认证 ， 目前在煤矿井下 普及率不高 。该系统采用 8 0 2 ． 1 1 U ／ g网络标准， 主 要 由管理主机 、 UP S电源、 P B X网关 、 矿用网络交换 机 、 矿用本 安手 机 、 矿用 无线 通信 基站 组成 。 目前 ， 获得 煤 安 认 证 的 WI F I 无 线 通 信 系 统 工 作频段为 2 ． 4 ～2 ． 4 8 3 5 GHz ， 基站与手机发射功率 为 5 0 mW， 无线覆盖距离为 5 0 0 I T I ， 单台基站通信信 道 为 1 2个 ， 调 制 方 式 为 D s s s ／ OF DM、 DQP S K、 D B P S K、 Q P S K、 B P S K、 1 6 QAM 、 6 4 QAM ， 通 信 协议 支 持C S MA／ C A、TC P ／ I P，有 效 数 据 带 宽 为 2 2 MHz 。煤 矿 WI F I 无 线通 信 系统 可 用 于井 上 、 下 无线通信 、 人员定位、 监测监控数据无线 收发 、 视频 信号无线传输 、 多媒体通信及构建井下无线局域网。 3 煤 矿无 线通 信 系统 的构 建设 计 和发展 方 向 3 ． 1煤矿无 线通 信 系统 的构建 设计 由于受煤 矿井 下 复杂环 境 和无线 传输 特性 的限 制 ， 煤矿无线通信系统必定是搭建在矿井高速光 网 络干线上的子系统 ， 其无线链路的构建也应 因地制 宜、 优化组合， 对新矿井和老矿井的通信系统建设要 区别对待 ， 本着超前规划 、 技术改造 、 充分利用的原 则进行建设 ， 以在技术领先 、 系统扩展和节约投资方 面找到平 衡点 。 对现有煤矿无线通信系统的分析非常重要 。载 频通信由于受到线路负载、 高压耦合等 因数 的影 响， 通信效果很不理想 ， 但为 了将来解决机载数据采集 设备的供电问题 ， 该 系统可能会 成为无线数据耦合 通道， 在此不做讨论 。泄漏通信 系统是我 国引进较 早的无线通信系统 ， 在通信功能方面没有优势可言 ， 但泄漏电缆技术的发展 ， 却使泄漏通信系统中的泄 漏电缆成为无线通信系统 的重要角色， 特别 是在煤 矿井下的小截面巷道 、 弯道及一些特殊环境下作为 无线通信系统的天线使用 ， 有着无可替代的作用 ， 在 此 也不 将 它 作 为 通 信 系 统 讨 论 。本 文 仅 对 P HS 、 C D MA、 WI F I 无 线 通 信 系 统 的部 分 技 术 特性 进 行 比较 ， 如 表 2所示 。 表 2 煤矿 无线 通信系统部分技术特性表 以上 3 类无线通信技术 的工作频段都为 UHF， 无线通信 系统制造 商给 出的覆盖距 离只能作为参 考。在进行煤矿井下无线信号覆盖设计 时， 必须考 虑巷 道 的截面 大小 、 巷壁 介质 和几 何形 状 、 设备 设施 布置 、 移动设 备 流 量 等 因 素 。 电磁 波 衰 减 率 的近 似 计 算公 式 为 n k h z [ 南 而 ]㈩ 式 中 k 为 统 计 常 数 ； 为 电 磁 波 波 长 ； a为巷 道宽度方 向的最大值 ； b为巷道高度方 向的最大值 ； e 为介 电常 数 。 由式 1 可知 ， 衰减率同巷道的宽和高的 3次方 成反 比。巷道尺寸越大 ， 电磁波的传播空间越宽阔， 衰减率越小 ； 巷道尺寸越小 ， 电磁波的传播空间越受 限制 ， 衰减率越大 。在巷道尺寸相同的情况下， 工作 频率越高 ， 衰 减率 越小。巷道截 面较大， 巷道平 直 时， 由于波导效应 ， UHF中的较高频段 电磁波的传 输距离会大大增加 ； 对于弯曲巷道 ， 高频段电磁波的 衰减非常严重 ， 而低频段 的电磁波的绕射能力和穿 透能力都 较强 ， 对 车辆和 弯 曲巷 道 的覆盖 相对 好 一 些 。 在煤矿无线通信系统的设计中， 既要考虑信号 的覆盖 ， 也要兼顾数据 带宽 的要求。根据 目前煤矿 无线通信系统 的现状 ， 笔者认为 ， 构建千兆级工业以 第 1 期 2 0 0 9年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n No ． 1 J a n ．2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 1 0 0 3 6 0 4 电力电子装置谐波污染及其抑制对策的研究* 郑征 ， 张 东霞 河南 理工 大学 电气工 程与 自动化 学 院 ， 河南 焦作4 5 4 0 O 3 摘要 文章分析 了作为电网主要 污染源的电力电子装置中谐波产生的原因及其危害， 介绍 了几种常规抑 制谐 波和 提 高功 率 因数 的方 法 和技 术 以及 各 自的特 点 。最后 指 出， P WM 整 流及 其控 制技 术 能 实现 网侧 电 流和功 率 因数 可控 及“ 绿 色电能 变换” ， 是 电力 电子 装置谐 波抑 制 的研 究方 向， 具有 广 阔的应 用前 景 。 关键 词 电力电子 装置 ；谐 波抑制 ；功率 因数 ； P WM 整流 中图分 类号 T D 6 7 9 ； T M7 1 4 文献标 识码 A 收稿 日期 2 0 0 8 0 8 2 7 *基金项 目 河南省教育厅 自然科学基金项 目 2 0 0 8 1 0 4 6 0 0 1 1 作者简介 郑征 1 9 6 5 一 ， 女 ， 河 南新野人 ， 教授 ， 现主要从 事 电力电子与电力传动 、 控制理论与控制工程方 面的教学与研究工作 。 E ma i l 1 2 41 8 0 8 3 4 q q ． c o rn 0 引言 随着 电力 电子技术和计算机技术 的快速发展， 电力 电子装 置越来 越广 泛地应 用 于冶金 、 化工 、 煤 炭 和运输等诸多领域 。但由于电力电子装置是一种非 线性时变拓扑负荷 ， 它们在交流侧会造成电流波形 太环 网为基础的矿井信息高速公路 ， 应根据矿井投 资和新建或改造矿井 的具体情况 ， 确定建设 P Hs ／ WI F I 还 是 C D MA／ WI F I组 合 模 式 的 系 统 ， 采 用 P HS ／ WI F I 或 C D MA ／ WI F I 双模手 机 ， 在 设 备集 中 布置 区域 和重 要 场 所 装设 WI F I 基 站 ； 新 建 矿 井 可 采用单一系统组 网方式。井下无线覆盖根据巷道的 具体情况可采用定 向天线和泄漏 电缆 混合组 网方 式 ， 截 面大 、 平 直 的巷 道 采 用 定 向天 线 ， 截 面小 、 弯 道 、 地 形 复杂 的巷 道 采用泄 漏 电缆覆 盖 。 3 ． 2煤矿 无 线通信 系统 的发展 方 向 下一代煤矿无线通信 系统中， 语音通信只是煤 矿信息处理的一小部分 ， 井下视频监控 、 自动控制、 各种无线传感器 、 地质构造监测、 巷道数据采集、 即 时信息发布、 井下视频会议 、 辅助运输管理等都会搭 载到无线通信系统平 台上。下一代无线通信 WI F I 标准与 8 0 2 ． 1 1 n标准的融合， 将使无线传输速率达 到 1 2 8 Mb p s以上 ， 8 0 2 ． n采用了 O F D M 正交频 分复用调制技术 与 MI MO 多人多出 技 术， 形成 MI M00F D M 系统 ； 智能天线和软件无线电等技 术的应用 ， 能够很好地提升 WI F I 性能 ； 天线及传输 技术的改进将使无线局域网的传输距离大大增加 ， 可达到几公 里； 煤矿现 有 C DMA2 0 0 0 1 x无 线通 信系统也可能升级到 3 G， 煤炭企业 的良好经济效益 将会加快前沿信息技术的引进速度。 4 结 语 本文通过对我国煤矿正在使用的几种无线通信 系统的分析比较得 出 载波通信系统和泄漏通信系 统是较早使用的无线通信系统 ， 因其通信性能差而 无法适应煤矿综合信息化的要求 ； P HS无线通信系 统 目前 在 煤 矿 中普 及 率 较 高 ， 技 术 较 成 熟 ； C DMA 和 WI F I 煤矿无线通信系统起步较晚， 普及率不高， 但发展迅速 ， 且 因其 良好 的性能成 为煤矿无线通信 系统的主要发展方向。笔者认为 ， 煤矿无线通信系 统的设计应根据矿井的实际情况 ， 兼顾信号覆盖和 数据带宽的要求 ， 选择合适 的无线通信系统进行优 化组 合 ， 从而构 建 高 性 能 、 易扩 展 、 成 本 合 理 的煤 矿 无线通信系统 ， 提高我国煤矿的信息化水平。 参考 文献 E l i B E R L O NY H L ． 现 代 无线 通 信 系 统 电波 传 播 [ M] ． 顾金 星 ， 译． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 1 ． E 2 ] TR AP P A P O R T S ． 无 线 通 信 原 理 与 应 用 E M] ． 周 文安 ， 译． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． E 3 ] 徐福新． 小灵通 P AS 个 人通 信接 人系 统 I- M] ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 孙继平． 截面 尺 寸对 矩 形 巷 道 中 电磁 波 传 播 的影 响 口] ． 北 京 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 5 5 9 6 9 9 ．