礦井無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢綜述

趙曼

【摘 要】針對當今礦井無線通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出、總結(jié)近年來國內(nèi)研究的可應用于礦井無線通信系統(tǒng)中的新型無線通信技術(shù)，包括LTE技術(shù)、UWB技術(shù)、認知無線電技術(shù)，介紹各項新技術(shù)的技術(shù)特點，研究并設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析技術(shù)應用于礦井通信的技術(shù)優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】無線通信；礦井；LTE；超寬帶；認知

0 引言

目前，現(xiàn)有的礦井無線通信系統(tǒng)有3G無線通信系統(tǒng)以及基于WiFi、ZigBee的短距離無線網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)。隨著礦井信息化水平的不斷提高，大量的信息交互使得礦井對無線通信系統(tǒng)的帶寬等技術(shù)指標的要求的逐步提升，對系統(tǒng)的智能化要求也日益提高，這些系統(tǒng)已不滿足礦井信息化發(fā)展要求。[1]本文對LTE技術(shù)、UWB技術(shù)、認知無線電技術(shù)三種新型的無線通信技術(shù)進行分析與比較，并介紹新技術(shù)應用于礦井通信的技術(shù)優(yōu)勢。

1 LTE通信技術(shù)

LTE（Long Term Evolution）通信技術(shù)采用全IP化網(wǎng)絡架構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率高，為高容量、低時延的平面體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)組網(wǎng)靈活性高、易擴容；可靈活配置1.25～20MHz的多種帶寬；向下兼容，支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作；且延遲降低、廣域覆蓋。[2]

礦用LTE無線通信系統(tǒng)除具備LTE系統(tǒng)基本功能外，還支持通過移動終端實時監(jiān)測、查看煤礦瓦斯、風速等環(huán)境參數(shù)，以及各種機電設備的工作參數(shù)；實現(xiàn)井下人員的精確定位；可為工作人員提供豐富的多媒體業(yè)務，包括監(jiān)聽、會議、組播等語音調(diào)度功能，多媒體調(diào)度、實時視頻回傳、視頻會議等業(yè)務；實現(xiàn)井下的監(jiān)測視頻、圖像、音頻的實時無線傳輸；實現(xiàn)可視化應急指揮，提高事故處理的及時性，減少災害帶來的損失。

礦用LTE無線通信系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡管理設備、業(yè)務交換機、傳輸網(wǎng)絡、LTE無線基站、智能移動終端組成。其架構(gòu)基于IP網(wǎng)絡，可快速、簡便地接入現(xiàn)有的礦井工業(yè)以太網(wǎng)，縮短系統(tǒng)建設周期，降低建設、維護成本。[3]業(yè)務交換機為礦用LTE無線通信系統(tǒng)提供集群調(diào)度服務功能和數(shù)據(jù)業(yè)務功能，是系統(tǒng)的核心設備。LTE無線基站位于井下，具備本質(zhì)安全特性，是實現(xiàn)井下LTE信號覆蓋的關(guān)鍵設備，其包括無線信號處理模塊、射頻放大模塊及電源模塊。

礦井LTE通信系統(tǒng)可滿足礦井不斷增長的語音、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻通信需求，實現(xiàn)多系統(tǒng)融合管理及監(jiān)測，并可與現(xiàn)用的有線或無線網(wǎng)絡融合，形成有線、無線一體化的井上、井下綜合通信系統(tǒng)，提高礦井的生產(chǎn)安全性以及管理、調(diào)度效率，是礦井無線通信未來發(fā)展的主流。

2 超寬帶技術(shù)

超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）通信技術(shù)采用寬的頻帶實現(xiàn)高速傳送，電路功耗即使在幾十毫瓦以下，傳輸速率也能夠達到100Mb/s～500Mb/s；采用持續(xù)時間極短且占空比極低的窄脈沖信號，多徑信號在接收時易于分辨，抗多徑干擾能力很強；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。[4]上述的這些特點使得超寬帶技術(shù)非常適用于礦井通信。在礦井中，可以利用超寬帶信號頻帶寬的特點來增加信號傳輸距離，且由于超寬帶技術(shù)功耗低，有利于“本安型”電路的設計。

采用超寬帶技術(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，底層為UWB無線網(wǎng)絡，中層為無線傳輸網(wǎng)絡，頂層為井上監(jiān)控管理中心。UWB無線網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，其節(jié)點廣泛分布在礦井巷道和工作面。子節(jié)點將監(jiān)控區(qū)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸，并通過無線網(wǎng)絡與主節(jié)點進行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主節(jié)點；接收主節(jié)點發(fā)來的控制信息，完成監(jiān)測任務。主節(jié)點接收本區(qū)域子節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，并負責數(shù)據(jù)的融合、轉(zhuǎn)發(fā)，以及控制信息的交互。整個無線通信網(wǎng)絡及時、可靠、準確地完成底層信息的采集、匯總及傳輸。[5]

超寬帶技術(shù)所具有的低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強、系統(tǒng)復雜性低等特點，能夠很好地對礦井進行實時監(jiān)測，尤其在水災、火災、塌方等惡性事故救生搶險中能起到至關(guān)重要作用。

3 認知無線電技術(shù)

目前煤礦使用的無線通信系統(tǒng)，如CDMA通信系統(tǒng)、WiFi通信系統(tǒng)等在長時間工作后常常使收發(fā)信號的靈敏度下降；在巷道拐點、坡道等無法正常傳輸數(shù)據(jù)；發(fā)生礦難時，現(xiàn)有通信系統(tǒng)完全癱瘓，降低救援效率。認知無線電（Cognitive Radio，CR）的核心思想是其具有學習能力，能與周圍環(huán)境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發(fā)生。認知通信系統(tǒng)作為智能通信系統(tǒng)，對環(huán)境變化變化以及網(wǎng)絡控制指令可做出及時反應，即使礦井結(jié)構(gòu)遭到破壞，仍能自動恢復組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。因此，把認知無線電技術(shù)和現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)合起來，就可以克服目前礦井系統(tǒng)中存在的缺點，實現(xiàn)高可靠性的監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。[6]

礦井認知通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3層，底層為認知網(wǎng)絡，向上依次為傳輸網(wǎng)絡、井上監(jiān)控中心。底層無線認知網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)從下向上分別為認知節(jié)點、簇頭節(jié)點、網(wǎng)關(guān)。認知節(jié)點采集信息，通過上級的簇頭節(jié)點集中傳送礦井內(nèi)的數(shù)據(jù)、信息到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)傳輸網(wǎng)絡上傳到地面監(jiān)控中心；同時地面監(jiān)控中心將控制信息通過傳輸網(wǎng)絡和認知網(wǎng)絡傳送至底層節(jié)點。底層的認知網(wǎng)絡被分成許多的子小區(qū)，認知節(jié)點可采用分布式和集中式混合的方式進行組網(wǎng)，每個子小區(qū)中有一個簇頭節(jié)點，認知節(jié)點在每個子小區(qū)內(nèi)按照地理環(huán)境不同進行分布式放置，簇頭節(jié)點作為子小區(qū)的中心和簇外進行通信轉(zhuǎn)發(fā)或接入。[7]網(wǎng)關(guān)連接無線認知網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信轉(zhuǎn)換；同時，發(fā)布監(jiān)控中心的監(jiān)控信息，并把收集到的數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡傳至井上的監(jiān)控中心。

認知網(wǎng)絡能夠根據(jù)巷道的通信環(huán)境自適應的做出改變，并提供接入現(xiàn)有千兆工業(yè)網(wǎng)絡的通信API實現(xiàn)井下生產(chǎn)環(huán)境的全方位監(jiān)控和自動調(diào)整。

4 結(jié)論

本文分別簡介了LTE、超寬帶技術(shù)、認知無線電技術(shù)，并詳述了這三種技術(shù)應用在礦井無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，設計了相應的無線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方案，并進行了功能分析。三種無線通信系統(tǒng)在通信速率、可靠性、準確性都各有優(yōu)點，在礦井無線通信系統(tǒng)中都具有廣闊的發(fā)展前景。

【參考文獻】

[1]孫繼平.現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)[J].工礦自動化，2013，39（3）：1-5.

[2]霍振龍，顧義東，李鵬.LTE通信技術(shù)在煤礦的應用研究[J].工礦自動化，2016（1）：10-12.

[3]杜安平.LTE在礦井無線通信系統(tǒng)中的應用[J].工礦自動化，2015，41（7）：88-89.

[4]樊榮，宋文，黃強.礦井無線通信系統(tǒng)研究與發(fā)展[J].西安科技大學學報，2010，30（4）：471-474.

[5]張文祥，馬銀花.UWB技術(shù)在礦井無線通信系統(tǒng)中的應用研究[J].移動通信，2008（10）：44-46.

[6]胡青松，張申，陳艷.煤礦認知網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)設計[J].煤炭工程，2010（6）：108-111.

[7]王泉夫，陳麗華，鐘強，等.認知無線電在礦井無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（8）：113-115.

[責任編輯：田吉捷]