LTE在矿井无线通信系统中的应用.pdf

第 4 1 卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut o ma t i on Vo 1 ． 41 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 5 ’ ’ ’ 经验 交流 ◆】 ◆ ． ◆Ⅲ◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 5 0 7 0 0 8 8 0 3 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 5 ． 0 7 ． 0 2 0 杜安平． L T E在矿井无线通信系统中的应用E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 8 8 9 0 ． L T E在矿井无线通信系统中的应用 杜安 平 天地 常州 自动化 股份 有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对现 有矿 井无 线通 信 系统 无法 满足矿 井信 息化 发展 需 求的 问题 ， 提 出 了一种 矿 用 L TE无 线 通 信 系统设 计 方案 ， 主要介 绍 了 系统 的组成 、 功 能特 点 。该 系统采 用 全 I P化 设 计 ， 可接入 矿 井 工业 以太 网 ， 实 现移动语音通信、 视频通信 、 集群调度、 多媒体短信等功能， 以及视 频监控 、 安全监控 、 移动 办公 、 隐患管理等 扩展 应 用 。 关 键 词 矿 井通信 ；无线 通信 ； L TE 中 图分类 号 TD 6 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 1 1 2 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 0 1 ． 1 1 2 4 ． 0 2 0 ． h t ml App l i c a t i o n o f LTE i n mi n e wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n s y s t e m DU An pi n g Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，L t d． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m t h a t e x i s t i n g mi n e wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m c a n n o t me e t de ve l o p m e n t r e qu i r e me nt o f m i n e i nf or ma t i z a t i on， a d e s i g n s c he me of mi ne us e d LTE wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m wa s p r o p o s e d，a n d c o mp o s i t i o n a n d f u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ．Th e s y s t e m u s e s a l l I P d e s i g n ，a n d c a n a c c e s s mi n e i n d u s t r i a 1 Et h e r n e t ，wh i c h c a n r e a l i z e f u n c t i o n s o f mo b i l e v o i c e c o mmu n i c a t i o n， v i d e o c o mmu n i c a t i o n， t r u n k e d d i s p a t c h i n g a n d mu l t i me d i a m e s s a ge，a nd e x t e n s i ve a pp l i c a t i o n o f v i de o m o ni t or i n g， s a f e t y m o ni t or i n g， mo bi l e of f i c e a nd hi dd e n d a n ge r m a na g e m e nt ． Ke y wo r d s mi ne c omm u ni c a t i on；wi r e l e s s c o mm u ni c a t i o n；LTE 0 引言 矿井无线通信系统是矿井通信联络系统 的重要 组成部 分 ， 对 矿井 的安 全生 产 、 日常 管理 具有 重要 作 用。近年 来 ， 中 国矿 井 无线 通 信 系统 迅 速 发 展 ， P HS ， Wi F i ， C DMA， TDS C DMA， WC D MA 等 无 线通信系统均被矿用化改造后引入煤矿井下 ， 满足 了各类矿井无线语音通信应用需求。然而 ， 随着矿 井信息化水平 的不断提高 ， 除了常规的语音 、 短信通 信外 ， 越来越多的信息需要在井下各类设备 之间或 井下设备与地面控制中心之 间进行交互 。大量的信 息交互使得矿井对无线通信 系统的带宽等技术指标 的要求也大大提高， 上述几种无线通信 系统 已不能 完全 满 足 矿 井 信 息化 发 展 的 需 求 。L TE L o n g T e r m E v o l u t i o n ， 长期演进 技术是 3 G移动通信技 术的演进技术 ， 具有传输带宽大、 全 I P化 网络结构 等特点。同时， L TE系统已在地面成功商用并形成 完整的产业链 ， 为 L TE系统在煤矿 的应用提供了必 要 的 技 术 支 撑口 ] 。 因 此 ， 笔 者 设 计 了 一 种 矿 用 L T E无线通信 系统， 可满足当前矿井对无线通信 系 收藕 日期 2 0 1 5 0 5 2 7 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 0 8 ； 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 o 1 3 B AKo 6 B 0 5 。 作者简介 杜安平 1 9 5 9 一 ， 男 ， 四川绵 阳人 ， 高级工程师 ， 长期从事煤矿 自动化技术研究工作 ， E ma i l d a p c a r i ． c o rn． c a 2 0 1 5年 第 7期 杜 安 平 L TE在矿 井无 线通信 系统 中的 应 用 8 9 统 的应 用 需求 。 1 L T E特点 LTE 是 以OF DMOr t h o g o n a l Fr e q u e n c y Di v i s i o n Mu l t i p l e x i n g ，正 交 频 分 复 用 ／ 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 Ac c e s s ， 频 分 多址 为 核心 的技 术 ， 其 改 进 并 增 强 了 3 G 通 信 系 统 的空 中 接入技术 ， 且上／ 下行峰值速率是 3 G通信系统的几 倍至几十倍。L TE系统 网络架构更加扁平化 、 简单 化 ， 减 少 了 网络节 点 和系统 复 杂度 ， 从 而减 小 了系统 时延 ， 降低 了网络部署和维护成本[ 3 ] 。 L TE系统采用多载波 、 多天线 、 载波聚合及无 线分组交换等多项关键技术 ， 与 3 G通信系统相 比， 其性能得到较大提高 ， 具有如下技术特征_ 4 ] 。 1 通 信 速 率 高 。 下 行 峰 值 速 率 为 1 0 0 Mh i t ／ s ， 上行 峰值 速 率 为 5 0 Mb i t ／ s 。 2 为完全面 向分 组交换 的多业务系统 ， 不依 赖于面向连接的电路交换协议 ， 其所有业务都 由 I P 分组网络支持 ， 整体网络架构基 于高容量 、 全 I P、 低 时延的平面体系结构 。 3 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 ， 保证 了系统频谱分配 的 灵 活性 。 4 系统延迟小 。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 间小 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 。 5 移动性 高。能够为 3 5 0 k m／ h高速移动用 户提 供大 于 1 0 0 k b i t ／ s的接 人 服务 。 6 小 区容 量大 、 覆盖 范 围广。频 谱 分 配 为 5 MHz 情况下 ， 每小 区至少支持 2 0 0个用户处 于激 活状 态 ； 支 持 1 0 0 k m 半 径 的小 区覆 盖 。 7 强调 向下兼容 ， 支持 已有的 3 G通信系统和 非 3 GP P 3 r d Ge n e r a t i o n P a r t n e r s h i p P r o j e c t ， 第 3 代合作伙伴计划 规范系统的协 同运作 。 2矿用 L T E无线 通信 系统 2 ． 1 系 统 设 计 矿用 L TE无线通信系统通常由网管设备 、 综合 业 务交 换 机 、 地 面 L TE基 站 、 本 质 安 全 型 L TE基 站 、 天线、 本质安全型手机 、 矿 用电源及传输 网络等 组成。矿用 L T E无线通信系统架构基于 I P网络 ， 可方便地接入矿井现有工业 以太网 ， 缩短 系统建设 周期 ， 降低 建设 、 维 护成 本 。 综合业务交换机是矿用 L TE无线通信系统 的 核心设备 ， 其结构如图 1所示。综合业务交换机提 供 连 接I n t e r n e t 的S GI S e c u r i t y Ga t e wa y I n t e r f a c e ， 安全 网关 接 口 和连 接 基站 的 S 1接 口 ， 为 矿用 L TE无线通信系统提供集群调度服务功能和 数据业务功能。综合业务交换机对外物理接 口包括 数字中继 E 1接 口和以太 网接 口， 支 持 S S 7 ， P R A， S I P等接 口协议 。 核心处理 单元 图 1 综合业务交换机结构 本质安全型 L TE基站是实现井下 L T E信号覆 盖的关键设备， 其内部具备可处理 L TE无线信号的 基带处理功能模块 、 射频放大器功能模块及 电源模 块。其中基带处理功能模块可将用户的业务数据信 息进行编码交织等特殊处理 ， 形成符合矿用 L TE无 线通信系统的数字基带信号 ； 射频放大器功能模块 对数字基带信号进行调制 、 解调 ， 产生符合 L T E技 术规范的无线射频信号 ， 并 由天线形成电磁波信号 发射到空间 ， 使得在基 站周 围一定范围内的手机终 端可与基站进行通信。 2 ． 2 系统 功 能 矿用 L TE无线通信系统具备带宽大 、 全 I P化、 通信质量高、 增值服务多等优势 ， 除满足矿井不断增 长的移动语音通信需求外 ， 还可实现宽带数据、 多媒 体短信、 视频通 话、 视 频监 控等需 求， 其 主要 功能 如 下 。 1 高 质 量 的移动语 音 通信 功能 ， 支 持视 频 通话 。 2 多媒体调度功能 包括强拆、 强插 、 监听、 会 议、 组播等语音调度功能， 以及视频 回传 、 分发， 图片 抓拍 、 上传、 分发等功能。 3 多媒体短信功能 支持视频、 图片、 数据等 多媒体信息的点对点、 点对多点的发送 、 接收。 4 井下设备 的宽带接入 系统传输速率高， 井 下各 类设 备可 通过 L TE C P E C u s t o me r P r e mi s e E q u i p me n t ， 客户终 端设备 接人无线 网络 ， 实 现设 备工况 、 环境参数等数据的实时传输功能。 5 多系统合一 可融合有线通信 、 无线通信 、 人员定位、 视频监控等多个系统 ， 实现多系统的统一 第 4 1卷 第 7期 2 O l 5年 7月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo L 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 o 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 7 0 0 9 0 ～ 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 1 胡云 ， 吴银成 ， 张小波 ， 等． 矿用宽范围直流输入电源模块设计 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 9 0 ～ 9 4 ． 矿用宽范围直流输入电源模块设计 胡 云 ， 吴银 成 ， 张 小波 ， 黄 绍锦 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对矿 用传 感 器与 直流供 电 系统 电源 电压 等 级 不一 致 、 电源 类型 不相 符 的 问题 ， 提 出了一 种 新 型 宽 范 围直流 输入 的本 安 型 电源模 块设计 方 案 。该 电源模 块 基 于 B u c k和 隔 离反 激拓 扑 设 计 ， 前 端采 用 Bu c k 电路 避免 了直接 采 用反 激拓 扑 而导 致 开关 管承 受 高耐压 所 带 来 的风 险 ， 后 端 采 用 隔 离反 激拓 扑 满 足 了非 本 安端 和本 安 端的 电 气隔 离要 求 ， 具 有 输 入 防反 接 、 D C 9 ～ 3 5 0 V 范 围 直 流 输入 、 本 安 电 源输 出、 易 于 集 成 的 优 点 。 关键 词 矿 用 电源 ； B u c k拓 扑 ；隔 离反 激拓 扑 ；限流 电路 ； 启 动 电路 ；宽范 围直流 输入 中图分类 号 T D6 l l 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 1 l 2 5 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 0 7 0 1 ． 1 1 2 5 ． 0 2 1 ． h t ml De s i gn o f wi d e r a n ge DC i np u t p o we r mo d u l e us e d i n c o a l mi ne HU Yu n， WU Yi n c h e n g， ZHANG Xi a o b o ， HUANG S h a o j i n CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of pr o bl e ms t ha t po we r s u ppl y v o l t a g e l e v e l a n d p o we r t y pe b e t we e n m i ne us e d s e ns o r s a nd DC p o we r s up pl y s ys t e m i s i nc o ns i s t e nt ，a d e s i gn s c h e m e o f ne w t yp e o f wi de r a n ge DC i n pu t a nd i nt r i ns i c s a f e t y t y p e po we r m o du l e wa s pu t f o r wa r d．The po we r mod ul e i s b a s e d o n Buc k a nd i s o l a t e d f l y b a c k t o p o l o g y ，f r o n t e n d u s e s t h e Bu c k c i r c u i t t o a v o i d r i s k c a u s e d b y d i r e c t u s e o f t h e f l y b a c k t o p o l o g y wh i c h ma y b r i n g h i g h p r e s s u r e t o s wi t c h t u b e ，a n d t h e b a c k e n d u s e s i s o l a t e d f l y b a c k t o p o l o g y t o me e t i s o l a t i o n r e qu i r e me nt s o f e l e c t r i c a l e qu i pme nt wi t h n o n i nt r i ns i c s a f e t y a n d i n t r i ns i c s a f e t y． The p o we r mo dul e h a s a dv a n t a g e s o f a nt i r e ve r s e i npu t ，DC9 3 5 0 V i n put ， i nt r i n s i c s a f e t y po we r out put a n d e a s y i n t e g r a t i o n． 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 5 1 I ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 中国煤炭科工集 团科技 创新基 金青年基 金项 目 2 0 1 4 QN O l 6 。 作者简介 胡云 1 9 8 8 一 。 男， 重庆云阳人 ， 实习助理研 究员 ， 硕 士， 研 究方 向为煤 矿监控技术及仪 器仪表 ，E ma i l z l d a n e 1 2 6 ． c o rn。 综合 管 理 。 6 可通过 L TE网络及智能手机终端实现视 频监控 、 安全监控 、 移动办公、 隐患管理等扩展应用。 3 结语 矿用 L TE无线通信系统的基站等设备可方便 地接人矿井现有工业 以太网来构建井上井下一体化 无线通信网络 ， 实现移动语音通信 、 视频通信 、 集群 调度、 多媒体短信等功能 ， 以及视频监控、 安全监控 、 移动办公 、 隐患管理等扩展应用 。系统 的建设符合 矿井信息化 、 智能化发展的需求 ， 具有较好的市场推 广 应 用前 景 。 参考文献 [ 1 ] E e l [ 3 ] [ 4 - 1 [ 5 ] 李强． 基于 T D L T E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 ． 张 晓莉 ， 郭庆． 基 于 TD ～L T E技术 的矿井 宽带 移动通 信 系统 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 5 ， 4 6 2 1 1 2 1 1 4 ． 王令侃 ， 林 晓轩 ， 陈炜 ， 等 ． TDL TE技术 发展 及其 应 用 口] ． 移动通信 ， 2 0 1 1 ， 3 5 6 5 6 5 8 。 赵然． L T E关键技 术原理及 其应用 探讨 [ J ] ． 邮 电设 计 技术 ， 2 0 1 2 2 2 1 2 6 ． 华燕． T D L T E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 ．