礦用4G無線通訊系統(tǒng)在千萬噸礦井的應(yīng)用研究

任 艷

0 引言

近年來，基于移動通信技術(shù)的礦用通信系統(tǒng)及信息融合系統(tǒng)已成為煤礦企業(yè)廣泛關(guān)注的熱點，對煤礦安全生產(chǎn)、搶險救災(zāi)，提升煤礦信息化水平具有重要意義。目前，公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)在礦井應(yīng)用的主要有小靈通無線通信系統(tǒng)、礦井WIFI 通信系統(tǒng)、TD-SCDMA 3G 無線通信系統(tǒng)，但是這些技術(shù)已經(jīng)不能滿足煤礦安全生產(chǎn)和無線可視多媒體服務(wù)的需要。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)相比，本文提出的TD-LTE 4G無線通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、部署靈活，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，多級分布式綜合自動化數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)的過程控制與企業(yè)管理有機結(jié)合，為塔山煤礦提供統(tǒng)一的通信平臺，實現(xiàn)調(diào)度通信和行政通信一體化、井下通信和井上通信一體化、有線無線一體化、通信定位一體化以及語音和數(shù)據(jù)通信一體化，對企業(yè)降低生產(chǎn)成本和減少安全隱患非常有利。

1 功能介紹

針對塔山礦工作特點，通過視頻監(jiān)控、視頻調(diào)度、寬帶接入、語音集群、人員定位、短信/彩信、應(yīng)急指揮調(diào)度等功能，提高了礦井無線移動通信能力。系統(tǒng)主要功能設(shè)計如下：

1.1 語音集群調(diào)度

語音集群通信系統(tǒng)將移動終端用戶分配到特定的集群組中；當(dāng)某終端用戶發(fā)現(xiàn)情況，需要通知組內(nèi)其他人員時，按下終端的PTT 鍵，成為組內(nèi)主講人，進(jìn)行一對多的通話；組內(nèi)其他人員能夠及時聽到組內(nèi)主講人說話，及時了解現(xiàn)場的情況；組內(nèi)有其他優(yōu)先級更高的人員，需要對現(xiàn)場情況進(jìn)行詢問或者給出指示，可以按下PTT鍵進(jìn)行話權(quán)搶占，打斷正在說話的人員，成為新的主講人；當(dāng)主講人釋放PTT鍵后，本次集群通話結(jié)束，組內(nèi)其他人員可以繼續(xù)使用PTT鍵申請話權(quán)，進(jìn)行及時的語音交流。

1.2 語音互通

4G 無線通訊系統(tǒng)語音通信應(yīng)用包含兩個物理區(qū)域，井下作業(yè)區(qū)、井上辦公區(qū)，TD－LTE終端可以井下作業(yè)區(qū)、井上辦公區(qū)兩個區(qū)域直接使用。

1.3 無線視頻監(jiān)控

礦井工業(yè)電視系統(tǒng)是數(shù)字化礦井的基礎(chǔ)，此次系統(tǒng)在礦井原有固定地點有線視頻監(jiān)視的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了無線視頻的互傳、回傳、錄像等實時視頻處理功能。

在頻譜資源20 M組網(wǎng)情況下，一個小區(qū)可以支持多路高清視頻的實時回傳，滿足無線網(wǎng)絡(luò)多監(jiān)控點同時回傳的需求，如圖1所示。

圖1 4G無線通訊視頻監(jiān)控組網(wǎng)圖

在4G 無線通訊網(wǎng)絡(luò)下所有手持手機終端同樣可以看到和調(diào)度中心相同的畫面，而且也可以選擇綜采工作面任意攝像頭回傳顯示。

1.4 礦井有線無線協(xié)調(diào)統(tǒng)一調(diào)度

通過網(wǎng)關(guān)可以和礦井現(xiàn)有PSTN 有線調(diào)度系統(tǒng)，PHS 小靈通通信系統(tǒng)，3G 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，解決目前礦井需要面對的異系統(tǒng)互聯(lián)問題。調(diào)度臺可以使用同一個平臺進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，方便用戶日常使用。

1.5 應(yīng)急救援指揮調(diào)度

本系統(tǒng)設(shè)計了多媒體應(yīng)急通信指揮車，將必備的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集成到一輛車中，所有設(shè)備均進(jìn)過加固處理，車輛可以快速部署到事故現(xiàn)場，并可以在各種惡劣環(huán)境中正常工作，完成對一個區(qū)域進(jìn)行無線寬帶覆蓋。多媒體應(yīng)急通信指揮車中安裝指揮調(diào)度臺，通過調(diào)度臺，救援人員可以在車內(nèi)建立起臨時指揮調(diào)度中心，完成該車無線寬帶覆蓋范圍內(nèi)所有終端用戶的語音/視頻集群調(diào)度、高清視頻回傳、寬帶數(shù)據(jù)接入、短信/彩信等業(yè)務(wù)[3]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OFDM 的多址接入技術(shù)

實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)信號高效率、高速率的可靠通信是本系統(tǒng)研究目標(biāo)。OFDM 技術(shù)是TD-LTE 的核心技術(shù)，它將整個信道帶寬劃分成若干個子信道，每一子信道用子載波調(diào)制時，允許相鄰子載波之間有很大程度的重疊，頻譜利用率高；OFDM技術(shù)將高速串行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸，從而使傳輸信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性的影響。與其他類似技術(shù)相比，OFDM擁有高度擴展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和良好的抗噪聲性能以及抵抗復(fù)雜環(huán)境下多種信道的干擾[2]。系統(tǒng)采用OFDM 和多址技術(shù)的結(jié)合，能夠允許多個用戶同時共享有限的無線頻譜，系統(tǒng)可獲得較高的容量。

2.2 分布式MIMO天線技術(shù)

針對現(xiàn)有礦井移動通信系統(tǒng)干擾和抗故障能力差、服務(wù)半徑和信道容量小，系統(tǒng)采用礦井分布式MI?MO 天線技術(shù)。礦井分布式MIMO 天線技術(shù)是由相互協(xié)作的定向天線和全向天線構(gòu)成，能夠借助信道的獨立性，更好地利用微波和宏波的衰減技術(shù)進(jìn)行協(xié)作性工作。因此，分布式MIMO 天線技術(shù)，從功能上看相當(dāng)于傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的多個基站子系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)更加靈活，擴展性更好。采用分布式MIMO 天線技術(shù)能降低對每個處理模塊的要求，使系統(tǒng)的基站天線根據(jù)實際地理位置和系統(tǒng)覆蓋需求進(jìn)行靈活布置，不僅降低了基站射頻信號發(fā)送功率，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸能力

塔山礦4G 無線寬帶集群解決方案基于目前最先進(jìn)的無線移動網(wǎng)絡(luò)TD－LTE 技術(shù)，不但繼承了所有TD－LTE的技術(shù)優(yōu)勢和業(yè)務(wù)優(yōu)勢，而且結(jié)合行業(yè)特點對系統(tǒng)性能做了大量優(yōu)化，在20 MHz帶寬配置時單小區(qū)峰值速率下行可以達(dá)到100 Mbps；：上行可以達(dá)到50 Mbps。塔山礦4G無線寬帶集群解決方案支持上下行業(yè)務(wù)帶寬的靈活配比，滿足塔山礦井特定應(yīng)用場景。根據(jù)現(xiàn)場使用特點，4G無線通訊系統(tǒng)可以把大部分時隙資源分配給上行業(yè)務(wù)，顯著提升了上行傳輸速率。

3.2 專業(yè)語音集群，提供無延遲移動通話體驗

塔山4G 網(wǎng)絡(luò)采用了大量創(chuàng)新技術(shù)可以提供專業(yè)語音集群的所有功能，語音集群業(yè)務(wù)指

標(biāo)達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先水平：群組建立時延小于300 ms，話權(quán)申請話權(quán)搶占小于150 ms。

3.3 視頻調(diào)度，提升溝通效率

本系統(tǒng)基于無線移動網(wǎng)絡(luò)提供了視頻調(diào)度功能：調(diào)度臺可以指定手持終端或固定攝像頭回傳視頻；手持終端自己也可以主動向調(diào)度臺發(fā)起視頻回傳；視頻畫面可以在調(diào)度臺顯示，也可轉(zhuǎn)發(fā)至大屏顯示；調(diào)度臺還可以選擇回傳視頻向網(wǎng)內(nèi)任意指定終端分發(fā)。視頻調(diào)度功能使礦井聯(lián)合工作團隊在執(zhí)行任務(wù)時實現(xiàn)遠(yuǎn)程面對面交流成為可能，讓調(diào)度指揮員及相關(guān)人員實時了解現(xiàn)場情況，轉(zhuǎn)変了以前單一語音溝通方式，提高了團隊工作效率。

3.4 多業(yè)務(wù)并發(fā)，實現(xiàn)多媒體調(diào)度

系統(tǒng)提供語音、視頻、短信、彩信、定位等多種業(yè)務(wù)的并發(fā)功能，調(diào)度指揮員可以通過4G網(wǎng)絡(luò)同時進(jìn)行語音集群，視頻調(diào)度和圖文指令傳遞，實現(xiàn)了多媒體調(diào)度功能，帶來了更多應(yīng)用的融合，不僅改變了傳統(tǒng)的工作模式，更重要的是可以為塔山煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)帶來溝通、日常管理模式的變革，顯著提升礦井生產(chǎn)效率。

3.5 專業(yè)寬帶集群手持終端

4G手持終端根據(jù)礦井使用特點設(shè)計，一個終端同時支持專業(yè)語音集群、視頻調(diào)度和寬帶數(shù)據(jù)接入、短信彩信，定位等功能，是業(yè)界功能較為完善的行業(yè)終端。4G 手持終端可以同時接入TD－LTE 和GSM／WCD?MA網(wǎng)絡(luò)，在沒有專網(wǎng)覆蓋的區(qū)域可以接入公網(wǎng)通信。

3.6 兩級防護(hù)，保障4G無線通訊系統(tǒng)容災(zāi)能力

當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)、地震、水災(zāi)等不可抗力造成系統(tǒng)不同程度損毀時，4G通訊線系統(tǒng)提供兩級防護(hù)措施盡可能的保障用戶可以繼續(xù)無線通話。4G 兩級防護(hù)措施包括：單站運行、終端脫網(wǎng)直通（DMO）。

當(dāng)核心網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障或核心網(wǎng)和基站之間的傳輸中斷時，基站自動進(jìn)入單站運行模式，

保障該基站覆蓋范圍內(nèi)用戶仍然可以進(jìn)行集群通話。一旦故障恢復(fù)，基站自動恢復(fù)原有工作模式。當(dāng)終端所屬基站出現(xiàn)故障時，終端自動進(jìn)入脫網(wǎng)直通模式，在一定距離范圍內(nèi)仍然可以繼續(xù)語音集群通話。

3.7 開放系統(tǒng)，方便進(jìn)行二次開發(fā)

塔山4G網(wǎng)絡(luò)平臺是一個開放的系統(tǒng)，支持塔山用戶從終端到業(yè)務(wù)軟件的深度二次開發(fā)。在終端層面，對其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)開放終端模塊接口，并提供軟件開發(fā)工具包。在網(wǎng)絡(luò)層面，開放對上層應(yīng)用的接口，使現(xiàn)有終端系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)快速平移現(xiàn)有應(yīng)用，或低成本開發(fā)全新應(yīng)用軟件。

4 應(yīng)用效果

礦用4G無線通訊系統(tǒng)為塔山礦提供了強大的、精確的、實時的數(shù)字信息化服務(wù)，將井下的語音及視頻等各種數(shù)據(jù)實時上傳至地面，改變傳統(tǒng)的通訊方式，提高了工作效率。利用4G 無線數(shù)據(jù)互聯(lián)平臺的高帶寬優(yōu)勢，在礦井有線環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，增加無線寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋，井上井下無縫融合，使塔山煤礦數(shù)字化礦井信息高速公路更加完善。高帶寬的4G無線語音及視頻通話，單點、多點、語音集群呼叫，使礦井語音通訊方式更加靈活多樣。安全生產(chǎn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)手機終端整合，使入井人員實時了解井下皮帶運行、車輛運行、人員分布等實時信息，使現(xiàn)場作業(yè)人員、管理人員實時掌握礦井各系統(tǒng)相關(guān)動態(tài)信息，實現(xiàn)了礦井?dāng)?shù)據(jù)流、信息流的有效快速流轉(zhuǎn)。