TDSCDMA無線通信系統煤礦應用研究

摘 要：基于TDSCDMA無線通信系統進行技術集成和改進，實現煤礦數字礦山專用通信調度系統，該系統由地面基站、交換控制設備、調度模塊、井下基站和多種手持終端組成，實現井上下語音通話、數據傳輸和指揮調度等功能，利用定向天線和功率控制，結合泄漏電纜實現井下信號全覆蓋，經實際應用系統穩定可靠，社會效益和經濟效益明顯。

關鍵詞：TDSCDMA；無線；通信系統

1 前言

根據國家安全監管總局、國家煤礦安監局《關于建設完善煤礦井下安全避險“六大系統”的通知》（安監總煤裝〔2010〕146號文）精神及要求，“煤礦和非煤礦山要制定和實施生產技術裝備標準，安裝監測監控系統、井下人員定位系統、緊急避險系統、壓風自救系統、供水施救系統和通信聯絡系統等技術裝備，并于3年之內完成”。對于建設完善礦井通信聯絡系統方面的要求為：煤礦企業必須按照《煤礦安全規程》的要求，建設井下通信系統，并按照在災變期間能夠及時通知人員撤離和實現與避險人員通話的要求，進一步建設完善通信聯絡系統；在主副井絞車房、井底車場、運輸調度室、采區變電所、水泵房等主要機電設備硐室和采掘工作面以及采區、水平最高點，應安設電話；井下避難硐室（救生艙）、井下主要水泵房、井下中央變電所和突出煤層采掘工作面、爆破時撤離人員集中地點等，必須設有直通礦調度室的電話；要積極推廣使用井下無線通訊系統、井下廣播系統；發生險情時，要及時通知井下人員撤離。綠水洞煤礦通過技術升級改造后采用KTJ4I型網絡調度通訊系統在井下采掘頭面或工作區域敷設光纜和安裝KTH3型井下本安電話實現地面與井下有線通訊，未實現無線通訊，當井下發生緊急狀況或險情時，無法在第一時間迅速傳達指令，不利于礦井生產調度和搶險救災工作。工信部明確要求所有1900～1920MHz頻段無線接入系統2011年底前完成清頻退網工作，以確保不對1880～1900MHz頻段TDSCDMA系統產生有害干擾，標志著礦井中目前使用的小靈通無線調度通信系統將伴隨著小靈通（PHS）無線市話網絡的整體退網在一年后停止使用。

2 TDSCDMA無線通信系統集成與改進

綠水洞煤礦與天地（常州）合作，研究開發基于TDSCDMA技術的應用于煤礦井下的無線通信系統，主要由交換調度機、綜合網絡控制器、本安型基站、室外型基站和不同種類的終端組成，該系統具有高話質、高帶寬數據能力、優良的無線特性，使得礦用移動通信和調度系統功能更加完善。

2.1 基于SIP技術的軟交換模塊和TDSCDMA無線接入網之間接口模塊研究：SIP（Session Initiation Protocol）是一個應用層的信令控制協議，基于IP協議，利用了IP網絡；TDSCDMA無線通信系統需要采用核心網交換機，價格較高；研究SIP與綜合網絡控制器的接口模塊極大降低了設備成本，同時通過SIP交換模塊開發出適應于煤礦生產的調度通信功能。

2.2 井下本安型基站的開發及TD無線電波在井下傳播特性研究：煤礦井下是一個特殊的工作環境，因此礦井無線通信系統不同于一般地面移動通信系統，應具有本安型電氣設備、設備體積小、發射功率小、抗干擾能力強、防護性能好、電源電壓波動適應能力強、抗故障能力強、信道容量大等特點；井下基站開發中主要完成了設備本安化處理、功率控制、防護處理（防水、防塵、防碰撞）等工作；其中設備本安化處理主要完成電源板的設計工作，通過延時和分步供電等解決大電流啟動問題，由于系統可以遠程升級程序，當升級完成后需要基站斷電重啟，電源自復位電路完成電源自復位功能；TDSCDMA無線通信系統的工作頻率在1880～1920MHz，通過對該頻段信號的測試和研究得出結論：基站在大巷覆蓋距離為800m左右，在人行輔助器等中間有金屬屏蔽的巷道覆蓋距離為600m左右。

2.3本安型手持電話機開發：主要解決了鋰電池保護和手機防水等問題，針對不同人員開發了基本型本安手機、智能型本安手機。

2.4通過對TDJ-1915AM-30、TDJ-9012AM-65FT0、小靈通蘑菇天線等三種天線的測試分析，確定了天線的選型。選用定向天線，頻率范圍1890～1920MHz，對天線現場試驗，主要測試TDSCDMA系統的巷道內場強覆蓋、巷道內通話效果、基站切換等，單基站無線覆蓋范圍在直巷內無遮擋情況下最多可達700m（單方向），場強達到-85 dBm，能夠正常通話，距離單基站同樣距離處，巷道邊緣和中心部分RSSI指標大約相差10～15dBm，有無人體遮擋大約相差10～15dBm，在巷道邊緣的避風硐室中，RSSI指標較同樣距離的巷道處大約低10～20dBm，測試結果完全符合設計要求；在樣機制造過程中主要解決了天線背板和天線電纜太硬導致安裝困難問題。

3 井下應用分析

井下覆蓋區域巷道有平硐、工作面、機巷、風巷、運輸大巷、掘進巷道、變電所硐室多種區域：有環境較好的平硐，有粉塵大、潮濕、瓦斯濃度高的掘進巷，有液壓支架密集、金屬物密集的采煤工作面，有電器設備集中、干擾大的變電所。井下基站通過2個定向天線來覆蓋井下巷道，天線一邊可以覆蓋400m，一個基站可以覆蓋800m巷道。通過對定向天線合理安裝設置及固定方式確定，在主要平巷基站信號覆蓋距離最長可達1100m。TDSCDMA無線通信系統在綠水洞煤礦5141采煤工作面和3111機巷掘進工作面安裝、運行和使用，對井下沿途主要大巷使用定向天線和泄漏電纜（巷道連續拐彎段）進行無線信號覆蓋，在528主平硐1800m處、528主平硐2600m處、511分區變電所、512大巷岔口、561岔口1600m處、528主平硐800m處、528大巷3850m處、311軌道上山上車場、3111掘進機巷頭、512大巷3850m處、5141機巷機頭處、5141機巷400m處、314總風巷道拐彎處、5141機巷4680m處、5141機巷工作面頭、614大巷3500m裝車站處、514大巷4000m風巷絞車處、5141風巷三站650m處安裝基站、天線、電源等設備。采煤工作面無線信號覆蓋見圖2，掘進工作面無線信號覆蓋見圖3。交換調度機、綜合接入控制設備、地面基站的供電采用220V市電并配48V備用電源，設備之間通訊采用電纜連接；井下本安基站采用660V電源供電（配有不小于4h的備用電源），電源箱必須接地，使用單模、單芯光纜與地面主機通訊，基站與基站之間使用光纜通訊，最多只能級聯5次；每個基站接兩個定向天線。

4 結束語

4.1 基于TDSCDMA無線通信系統，進行技術集成和改進，實現了煤礦數字化礦山專用通信調度系統。系統由地面基站、交換控制設備、調度模塊、井下基站和多種手持終端組成，實現井上下語音通話、數據傳輸和指揮調度等功能，該系統成功應用于煤礦井下采煤工作面和掘進工作面。

4.2 基于SIP技術實現了專用系統的調度通訊功能，掌握了不同巷道環境下，如轉彎巷道、金屬架料巷道、電器設備多與無電器設備巷道等基站安設位置，合理利用信號反射來增加信號覆蓋面積，所選取的巷道具有代表性。利用定向天線和功率控制，結合泄漏電纜實現井下信號全覆蓋。對井下基站、手持終端進行了本安型改造，滿足井下安全通信使用。實現井上下無線通信聯絡、移動語音通信及與調度通訊系統無縫數據中繼連接。通過對基站及定向天線的合理設置與布設，信號覆蓋距離直徑800m范圍，在主要平巷基站信號覆蓋距離最長可達1100m。

4.3 TDSCDMA無線通信系統在煤礦井下的成功研究與應用使礦井通訊聯絡系統如虎添翼，該技術成果在同行業內達到國內先進水平，推廣應用前景廣泛。

作者簡介：周忠國（1985-），男，四川資中人，大學本科，管理學學士，采礦助理工程師，綠水洞煤礦科技中心副主任，從事礦井生產和科技管理工作。