GSM900MHz無線通信系統在永平銅礦井下的應用

方福平

江西銅業股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334506

1 概述

永平銅礦是江西銅業集團公司所屬的一座大型露天銅礦。2006年該礦生產方式由單一的露天開采方式向井下開采與露天聯采的方式轉變。為了提高井下開采管理水平和調度通信的能力，以便加強管理力度，保證安全生產，提高生產效率，該礦在露轉坑工程項目中組建了一套井下有線和無線通信系統，以滿足上述通信需求。

目前，井下礦山針對各個應用業務采用的通訊技術與系統見下表1:

表1 井下礦山通信系統分類表

大多數井下礦山企業采用常規漏泄通信系統來實現井下無線通信，此方案應用的時間比較早、比較成熟。但是隨著移動通信的大眾化普及，手機已成為普通老百姓廣泛使用的通信工具，幾乎人手一機。泄露通信系統在應用上存在一定的局限性（只能用專用的對講機通信），而且井下需要敷設大量的泄露電纜，泄露電纜在井下不易維護。永平銅礦結合目前通信技術水平和自身的實際情況決定在新建的井下礦山中采用GSM900MHz無線移動通信系統。

2 系統介紹

2.1 系統概述

井下GSM900MHz移動通信覆蓋是通過對井下進行移動通信網絡信號覆蓋和優化，以提高井下的通話質量、網絡質量、系統容量。永平銅礦井下的通信系統由三個部分組成:無線信號源的設備（微蜂窩基站、宏蜂窩基站、直放站）；無線信號覆蓋設備:干線和支線放大器、功分器、耦合器、信號發射天線等設備；主要的布線（同軸饋線電纜、光纜線、電源線）；

根據永平銅礦井下巷道的地形結構，在井下內采用20套光纖直放站，近端采用一拖二、一拖三進行巷道的覆蓋。井下天線安裝在巷道頂上。重發天線的安裝位置和高度只對現有巷道環境進行分布覆蓋，只需考慮與現有井下頻率不重疊，即可避免同頻、鄰頻干擾問題。要求井下各個巷道覆蓋系統的信號平衡，要求通信系統不能出現單通或者手機上顯示有信號但是不能打電話。天線型號:使用全向吸頂天線、定向窄波束天線。為盡量節省信號在饋線的損耗，考慮到在井下巷道內走線，饋線主要采用阻燃的1/2″饋線，以達到最佳的性價比。

2.2 系統技術要求

1）上行噪聲分析:主機到基站的空間損耗=基站輸出功率-主機接收電平=43dBm-5dBm=38dB。基站口的噪聲電平=系統上行噪聲電平-系統主機到基站口的空間損耗，要求信源基站口的噪聲電平小于或等于-120dBm。所以系統上行噪聲電平小于或等于-120dBm加上-38dB等于-82dBm。系統上行噪聲電平等于121dBm加上系統上行噪聲系數再加上系統上行增益，系統的上行增益等于系統的上行噪聲電平加上121dBm再減去系統的上行噪聲系數等于35dB。因此由上面理論計算公式可以確定系統上行最大工作增益必須要大于35dB；

2）下行信號的計算:自由空間指的是相對的介電常數與相對的導磁都是為l（就是介電常數ε、導磁率μ分別等于真空介電常數ε。、真空磁導率μ。）的均勻介質所存在的空間。它是一種理想的無限大的空間，也是現實生活中的某些實際空間為簡化問題的研究而提出的一種科學的抽象。在研究無線電波在特殊環境的下傳播，若傳播介質、障礙物對無線電波傳播的可以忽略其影響程度，可以認為無線電波在這樣特殊的環境下是自由空間的傳播。自由空間傳播路徑信號的損耗，用下面的公式計算:Lbs=32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）。在上式中Lbs為自由空間傳播路徑信號的損耗，f取值范圍是從890MHz～960MHz，實際取值900MHz，代入上式中可以得到結果:L1（dB）=91.5+20lgd（km）。自由空間的損耗情況見表2；

表2 自由空間的損耗表

3）井下場強計算:通過查詢上表可知距離為15m的自由空間損耗值為:55.02dB。吸頂天線增益為:2.15dBi。多路徑衰落余量:10dB。發射天線的下行最小的輸入功率為:8.3dBm。在距離發射天線15m處手機的場強為:8.3+2.15-55.02-10-15=-69.57dBm，其它地方信號均高于此值；

4）井下話務量:永平銅礦共四個主要中段層、輔助斜坡道和長距離膠帶輸送道。假設某特定區域內最多有500人，有90%的人在井下使用手機，而且有90%的人使用中國移動信號，在井下巷道無線信號覆蓋的范圍內最忙時的話務量為0.02Erl來計算。區域最大人口數量乘以手機使用率在乘以移動使用率在乘以人均忙時話務量，結果為:500×90%×90%×0.02=8.1Erl。可以預計總話務量在最繁忙時為:8.1Erl。技術上要求呼損指標為:2%。可以通過愛爾蘭B公式來確定移動通信系統信道配置的選擇。呼損率為2%時在各個信道數下的容量（愛爾蘭）見表3；

表3 呼損率為2%時各個信道數容量表

查詢上表可得出結論:井下巷道覆蓋區所需的載頻數為直放站提供14個話音信道數和2個載頻數就可以滿足現有的話務量；

5）系統擴容性:本系統全部設備采用寬頻，設計時留有一定的功率及話務余量供以后擴容用。在增加基站載波數時，可以實現系統的平滑擴容，對現有覆蓋系統不會造成任何影響。中國移動、中國聯通、中國電信等多家運營商2G及3G通信系統都可以與井下通信系統無縫對接。國內各個通信運營商的工作頻段見表4。

表4 通信運營商工作頻段表

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3 應用效果及結論

目前，GSM900MHz無線移動通信系統在永平銅礦井下已經投運了一年多時間，使用效果非常好。井下人員處在有無線信號覆蓋的巷道內，手機幾乎滿格的信號，在接聽手機時語音質量很好，極少出現有手機顯示有信號但撥不出去或在接聽手機時聲音斷斷續續或斷線。基于GSM900MHz無線通信系統在井下使用運用收到良好的效果，該礦決定今后通過不斷的延伸無線通信系統擴大信號覆蓋范圍，實現井下完全的無線通信。

無線通信系統成功應用于井下礦山生產中，大大提高了井下人員的安全和生產效率。先進的無線通信技術有助于推行井下礦山企業管理的信息化和網絡化建設。現階段國家對煤礦、金屬及非金屬類礦山尤其是井下礦山的安全生產越來越重視，要求井下礦山必須配置安全生產六大避險系統。在井下六大避險系統中，通訊方式如何解決是一個關鍵性的技術難題，而井下無線通信技術恰好可以解決這一難題。

[1]尹久龍.大紅山銅礦井下綜合通訊系統的構建與應用研究[J].湖南有色金屬，2011(2).

[2]郭懷忠.直放站的應用淺析[J].廣東通信技術，2004(S1).