LTE通信技术在煤矿的应用研究.pdf

第 4 2卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ．1 J a n ． 2 0 1 6 ’⋯’⋯’ ⋯ i 分析研究 ◆ ． ◆’ 文章 编号 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 1 0 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ ] ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 4 霍振龙， 顾义东 ， 李鹏． L TE通信技术在煤矿的应用研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 0 1 2 ． L T E通信技术在煤矿的应用研究 霍振龙 ， 顾 义 东 ， 李鹏。 1 ． 中煤科工集 团常州研究院有限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 。 天地 常州 自动化股份有限公司 ， 江苏 常州2 1 3 0 1 5 ； 3 ． 北京比邻信通科技有限责任公 司， 北京 1 0 0 0 8 5 摘要 分析 了当前煤矿 无线 通信 系统 的现状 以及矿 井信 息化 、 智 能化 发展 对 无 线通 信 系统 的应 用 需 求 ， 介 绍 了 L TE通信技 术 的优势 ， 提 出了矿 用 L TE无 线通信 系统 的 网络 架构 设计 ， 展 望 了 L TE通信 技 术 在 煤 矿 的应 用前景 。 关键 词 煤 矿 ；无 线通信 ；LTE 中图分 类号 T D6 5 5 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 1 ． 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 1 ． 0 0 4 ． h t ml Ap p l i c a t i o n r e s e a r c h o f LTE c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y i n c o a l mi n e HU O Zhe nl o ng 一， GU Yi d on g 一，LI Pe n g 。 1． CCTEG Cha ng z h ou Re s e a r c h I ns t i t u t e ，Ch a ng z h ou 2 1 3 0 1 5，Chi n a； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n C o． ，Lt d． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 3 ． B e i j i n g B l i n g t e l Te c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 5 ，C h i n a Ab s t r a c t St a t us of c ur r e n t c o a l m i n e wi r e l e s s c omm u ni c a t i on s ys t e m s a n d a pp l i c a t i o n r e qu i r e me nt s of wi r e l e s s c ommun i c a t i o n s y s t e m f o r m i ne i nf o r ma t i z a t i o n a nd i nt e I l i ge nt i z a t i o n we r e a n a l y z e d，a d v a nt a ge s o f LTE c o m mun i c a t i o n t e c hn o l og y wa s i n t r o duc e d， n e t wo r k s t r uc t u r e d e s i g n o f m i ne us e d LTE wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on s ys t e m wa s pr o po s e d a nd a p pl i c a t i on pr o s pe c t o f t he LTE c o mm u ni c a t i on t e c hn ol o g y i n c oa l m i ne wa s p r os p e c t e d． Ke y WO r ds c oa l mi ne；wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on；LTE 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 ， 中 国煤 矿 井下 使 用 的 无 线通 信 系 统 有 早 期 的 漏 泄 无 线 通 信 系 统 、 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 和 现在的 3 G无线通信 系统 、 Wi F i 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 ， 基 本 满 足 了 以往 矿 井 语 音通 信 和部 分数据通信 的需求。但从井下设备的移动性和智能 化要求以及 紧急救援的需求来看 ， 目前的煤矿无线 通信系统还有许多可完善和升级 的地方 ， L TE通信 技术的出现为煤矿无线通信系统的升级提供了可靠 的技术保 障 。本文 在分 析现有 煤矿 无线 通信 系统 的 现状和应用需求的基础上， 结合 L TE通信技术的特 点 ， 提出 L TE通信技术在煤矿的应用前景。 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 l 一 2 4 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 1 2 1 7 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 3 B AK0 6 B 0 5 ； 天地 常州 自动化股份有 限公 司研发项 目 1 5 S Y0 0 1 0 7 。 作者简介 霍振龙 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江苏常熟人， 研究员 ， 硕士 ， 从事煤矿通信 、 矿井人员定位管理等技术 的研发工作 ， E ma il h z l c a r1 ． c o rn． c n 。 2 0 ] 6年第 1期 霍振龙等 L T E通信技 术在煤矿的应用研 究 1 煤 矿 无线 通信 系统 的 现状 和应 用需 求 矿 井特定 的工作 环境 和作 业流 程对 通信 技术 的 应用提 出了许多特殊 要求 ① 数 据传输 。井下环 境、 设备工况 的监测监控数据 、 图像及视频信息的传 输等 。② 流动性。机车的运输调度、 巡检员等流动 作业人员之间以及 和调度员之间的信号联络 、 对移 动设 备 的数 据采 集 等 。③ 即时性 。设备 及 时 维修 、 发 生事 故 时组织 紧急撤 离 和安全 救 护等 。针 对这 些 要 求 ， 各通 信公 司 和 研 究 院所 科 研 人 员 进 行 了不 懈 的努力 ， 并 伴 随着 通信 技术 的发 展 ， 先后 开发 了 多种 矿 用无 线 通信 系统 ， 主要包 括漏 泄无 线通 信 系统 、 中 频无线通信 系统、 P HS无线通 信系统 、 C DMA2 O 0 0 无 线通 信 系 统 、 Wi F i 无 线 通 信 系 统 、 TDS C DMA 无线通信系统和 WC DMA无线通信 系统等 ， 这些 系 统在 不 同阶段 基 本满 足 了矿井 安全 生 产 的无 线 通信 需求 。但随着矿井信息化 、 智能化水平的提高 ， 对通 信的需求不断增加 ， 除语音通信外 ， 井下视频监控 、 环境 监测 监 控 、 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 、 矿 井 应 急 救援等也都会搭载到无线通信系统平 台上 。因此对 无线通信的网络架构和数据传输速率都提出了新的 要求 ， 主要体 现 在 以下方 面 1 高带宽 满足移动视频监控等 大数 据的传 输需 求 。 2 低时延 保证语音 、 视频的传输质量和部分 无线 遥 控功 能 的及 时性 。 3 组 网灵活 煤矿井下不 同场合对 网络的需 求不 同 ， 不 同 的网络 需要 统 一 的组 网方案 。 4 多种 接 口 环境 监 测监 控 系 统 、 视频 监 视 系 统 、 I P广播 系 统 、 信 息 发 布 系 统 以及 各 种 传 感 器 对 接 口的要求 不 同 。 5 适应性 在工 作 面等 场合 ， 无 线信号受 粉 尘 、 支护和采掘设 备的影响， 传输效率明显 降低 ， 常 规 的无 线覆 盖方 法无 法满 足 现场 的需 求 。 2 L T E通 信技 术优 势 与以往的无线通信技术相 比， L T E通信技术具 有 通信 速度 快 、 网 络 频谱 宽 、 通 信灵 活 、 终 端 功 能 强 大 、 智能性高、 兼容性好 、 通信增值服务多 、 通信质量 高 、 频带使用效率高等优势。 1 通 信 速 率 高 L TE通 信 技 术 支 持 可 变 带 宽 ， 最 高 可 达2 0 MHz ，其 下 行 峰 值 速 率 为 1 0 0 Mb i t ／ s 、 上 行 峰值 速率 为 5 0 Mb i t ／ s ， 是 3 G 无线 通 信 系统 的几十倍 。 2 频谱 效率 高 L TE通 信技 术 引 入 了 载波 聚 合、 OF DM 等技术 ， 频谱效率较 3 G无线通信系统有 较大改善 ， 其下行链路频谱效 率达5 b i t ／ S Hz 、 上行链路频谱效率达 2 ． 5 b i t ／ S Hz 。 3 以高 数据 速率 、 低延 迟 、 分 组域 业务 优 化为 主要 目标， L TE无线通信系统在整体架构上基于分 组 交换 。 4 Qo S保证 无线通信 中不 同的应用具有不 同的 Qo s需 求 ， L TE无 线通 信 系统 通 过严 格 的 Qo S机制 ， 保 证实 时业 务 如 Vo I P 、 网络 浏 览 等 不 同类 型业务 的服 务质 量 。 5 延迟低 用户平面内部单向传输 时延小于 5 ms ； 控 制平 面从 睡 眠状 态 到激 活 状 态 的 迁移 时 问 小于 5 0 ms ， 从驻 留状态到激活状态的迁移 时间小 于 1 0 0 ms 。 6 融合性好 L TE无线通信系统采用全 I P分 布式结构 ， 可与 Wi F i 等不同的无线通信技术在下 一 代 网络 NGN 架构下实现融合、 共存 ， 形成多层 次的无线 网络环境 ； L T E无线通信系统支持更丰富 的移 动业 务 ， 包 括 多 媒 体信 息 、 视 频 通话 、 宽 带数 据 传输 、 会议电视 、 虚拟现实等， 用户可方便地获得任 何所需的信息服务 。 7 灵活性高 L TE通信技术支持成对或非成 对频 谱 ， 并 可灵 活 配置 1 ． 2 5 ～ 2 0 MHz多 种 带 宽 ； L T E无线通信 系统采用全 I P化 网络架构 ， 系统 网 络架构扁平化， 系统组网、 扩容灵活性高[ 1 ] 。 3 L T E通 信技术 在煤 矿 的应用 3 ． 1 网络 架 构 设 计 随着矿井信息化建设的不断推进 ， 井下工业 以 太环网已成为矿井传输设备 的基本配置 ， 因此 L TE 通信技术应依托成熟的环网技术 ， 采用全 I P化 网络 架 构 ， 支 持 星形 、 树 形 、 环形 组 网。矿用 L T E无线 通 信系统网络架构设计具体如下 1 系统 兼容 性方 面 支 持 L TE单独 组 网 、 3 G／ L TE混 合组 网 。 2 无线通信基站方面 除了具备高吞吐量、 高 容 量 、 低 时延 外 ， 还 具 备 接入 交换 能 力 。 以 L TE空 口协议支持 L T E手机终端和基于 L T E数据卡终端 的各种传感器 、 摄像头、 分站接 入； 支持 以太 网接 口 接 人 3 G 基 站 、 Wi F i 基 站 、 广 播 设 备 、 井 下 定 位 分 站 、 监测监控分站 、 近端摄像头、 各种传感器 ， 同时支 持多个 R S 4 8 5 ／ R S g 3 2 ／ C AN接 口接人各种传感器 。 1 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 3 无 线覆 盖方 面 主 巷道 空 间大 、 空气 干 燥 等 条件相对较好 的区域采用定向天线 的方式； 工作面 粉尘浓度高、 支护和移动设备多、 无线信号传输相对 困难的场合可采用漏泄电缆加中继器的方式。 4 地 面 系统 方 面 支 持 以 3 G ／ L TE融 合 核 心 网为中心的业务控制、 业务路 由、 数据安全控制 ， 支 持以多媒体控制服务器为中心的语音、 多媒体信息 、 多媒体会议 、 多媒体调度、 集群等业务 ， 并具备可扩 充性 和对第 三方应 用 的开放 性 。 5 终 端 应 用 方 面 支 持 一 键 呼 叫 、 多媒 体 会 议、 集群呼叫、 视频 电话、 即拍 即传、 实时视频上传 、 多媒体 信 息 、 位置 导航 等应 用 。 6 多 网融合 以及 综合 信息 化方 面 支持 以 L T E站点为接人节点的多系统设备接入， 同时地面 系统支持不同系统数据的分拣、 转发[ 6 ] 。 3 ． 2 应 用前景 L T E通信技术具备高带宽 、 高速、 高效和 即时 等优势 ， 可满足矿井不断增长的语音 、 数据尤其是视 频通 信 的需求 ， 具体 可应用 到 以下方 面 1 远 程安 全 监 测 通 过 手 机 实 时监 测 煤 矿 瓦 斯 、 风速 、 温度 、 负压 、 C O等环境参数和各种机电设 备开停 、 馈电、 断电等设备运行参数 ； 通过智能手机 及 其他 移动 终端查 看 监 控 现 场 的情 况 ， 也 可 点 播历 史 监控 录像 。 2 安全量化 管理 可对各级管理人员现场发 现的隐患及整改情况进行实时监控， 确保各类 问题 和 隐患从查 出到整改 形成 闭环 。 3 辅助定位 通过 L TE空 口算法实现井下人 员 的精确 定位 功能 定位 精度 1 0 m 。 4 提供丰 富多彩的多媒体业务应用 包括集 群通信 、 语音通信 、 视频通信、 多媒体调度 、 实时视频 回传 、 即拍即传、 视频会议、 多媒体短信等业务服务 ， 支持语音、 数据及视频的多媒体融合调度。 5 井下设备 的宽带接人 实现矿井各监测点 包括移动监测点和固定监测点 ， 如机车、 绞车、 采掘 工作面等场合 的实时数据和高清视频图像 的无线 传输 功 能 。 6 多 系统 融合 支 持 L TE终 端 、 L TE的各 种 C P E接人 ； 支持 Wi F i 基站 、 I P广播设备、 井下定位 分 站 、 各种监 测监 控 分 站 、 近 端摄 像 头 、 各 种 传感 器 的接入 。可实现监测监控、 人员定位管理 、 实时信息 发布 等功 能 。 7 有线／ 无线通信融合 L T E无线通信 系统 采用 I P化架构设计， 可方便地与采用软交换技术或 I P P B X交换机的有线 网络调度通信系统融合 ， 形 成井上、 井下有线、 无线一体化 的综合调 度通信系 统， 提高矿井调度通信效率 。 8 移动办公 可通过 L TE网络及智能手机终 端 随时 随地登 录企 业 办公 网络 进 行 日常 工作 查 看 、 处理 ， 提 高工作 效率 。 9 可视 化应 急指挥 利用 L TE移动 通 信 的便 利性及高带宽传输特性， 可在矿井发生紧急情况时 ， 作为井上、 井下可视化应急指挥系统使用 ， 提高事故 处 理的及 时性 及针 对性 ， 减少 灾害损 失 。 4 结语 L T E通信技术能够提供下行 1 0 0 Mb i t ／ s 、 上行 5 0 Mb i t ／ s的无线传输速率， 其核心网通过 I P传输 网采用 光纤 网络 或矿用 工业 以太 网络将 信号 送到 井 下 ， 再通 过 L T E无线 通信 系统 的矿用 井下 基站 及天 线 实现 对矿 井井 下 的无 线 网络 覆 盖 ， 从而 建 立 地 面 和井下的宽带综合网络通信承载系统 ， 并 以此为基 础接入其他信息系统 ， 以满足矿井信息化 、 智能化 的 通信需求 ， 这 将是矿井 无线 通信 未来 发展 的一个 主流 。 参考文献 E 1 ] 赵然 ． L TE关键技术原理及 其应用探 讨L J ] ． 邮 电设 计 技 术 ， 2 0 1 2 2 2 1 2 6 。 E 2 ] 吴钟海 ， 王洪源 ， 钱文 霞． 基 于第 四代 移动通 信系 统 的 关键 技 术 研 究 [ J ] ． 数 字 技 术 与 应 用 ， 2 0 1 0 8 11 8 11 9． 1- 3 3 王令侃 ， 林 晓轩 ， 陈 炜 ， 等 ． TD L T E技 术发 展及 其应 用E J ] ． 移动通信 ， 2 0 1 1 ， 3 5 6 5 6 5 8 ． 1- 4 3 华燕． TD L TE关键技术及发 展趋势探 讨[ J ] ． 中国新 技术新产 品， 2 0 1 1 1 5 3 ． f s ] 王舒种 ， 杨瑶． T D L T E业务 分类 及应 用[ J ] ． 移动 通 信 ， 2 0 1 0 ， 3 4 5 5 8 6 2 ． [ 6 3 杜安平． L T E在 矿井无线通 信系统 中的应 用E J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 5， 4 1 7 8 8 9 0 ． [ 7 ] 李强． 基于 T D L TE的矿用无线专 网系统设计 与实现 [ D ] ． 北京 中国科学 院大学 ， 2 0 1 4 ． [ 8 3 张晓莉 ， 郭庆． 基于 T D L T E技术 的矿井 宽带移 动通 信系统E J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 5 ， 4 6 2 1 1 2 1 l 4 ．