基于4G通信技術的煤礦無線通信系統(tǒng)研究

【摘要】隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，通信技術已成為了煤礦安全生產(chǎn)的重要手段，在無線通信技術不斷發(fā)展的時代下，4G網(wǎng)絡技術涌現(xiàn)在人們面前，因此，采用基于4G通信技術的煤礦無線通信系統(tǒng)，利用先進的計算機技術、通信技術、自動化技術來實現(xiàn)智能化和自動化的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

【關鍵詞】4G;通信技術;煤礦;無線通信系統(tǒng)

隨著全IP化的4G演進[1]，4G無線通信技術得到了廣泛應用，由于煤礦開采是一項施工復雜、具有危險性的工程，這就對煤礦無線通信系統(tǒng)提出了新的要求，采用4G通信技術來建立信息化、自動化、智能化的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，全過程對煤礦開采進行監(jiān)控管理，確保煤礦開采安全生產(chǎn)，從而提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

一、無線通信技術發(fā)展歷程概述

對于無線通信技術，主要經(jīng)歷了幾個階段[2]：第一階段，無線個域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術，無線個域網(wǎng)具有活動半徑下、面向特定群體的特點，如藍牙、RFID等，而無線局域網(wǎng)的的工作模式主要分為基礎結構、自組織網(wǎng)絡等兩種模式，通過利用網(wǎng)絡拓撲結構來訪問有限網(wǎng)絡，并進行相互通信，從而實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的安全架構模式;第二階段，2G通信技術，其全稱為全球移動通信系統(tǒng)，簡稱為GSM，具有覆蓋面積廣、網(wǎng)絡可靠性高的特點，但是，在實際應用中，其通信方式相對較差，不僅可能會延長網(wǎng)絡傳輸時間，還不能用于實時監(jiān)測，雖然無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務（GPRS）的實現(xiàn)可以允許用戶實現(xiàn)端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且該技術不需要利用電路交換就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的傳輸，但該技術仍存在許多不足之處，如數(shù)據(jù)包丟失、調(diào)制方式滯后等;第三階段，3G通信技術，其主要是利用不同網(wǎng)絡狀態(tài)下的無縫漫游技術來實現(xiàn)對移動終端用戶的服務，3G通信技術的出現(xiàn)，不僅有助于提高通信的質(zhì)量，還可以提高網(wǎng)絡的傳輸速率，并且也具有一定的安全性，其充分考慮了網(wǎng)絡接入安全、應用域安全及網(wǎng)絡域安全等，但是，3G通信技術也有一定的缺陷，包括：其語言交換系統(tǒng)仍然采用2G系統(tǒng)的電路交換方式;3G數(shù)據(jù)傳輸接入速度有限等;第四階段，4G通信技術，其是3G通信技術與無線局域網(wǎng)技術融為一體的，并能高速度傳輸視頻圖像的技術產(chǎn)品，其下載及上傳速度可以分別達到100Mb/s，50Mb/s以上，如圖1所示，表示 4G無線通信技術網(wǎng)絡體系結構，4G無線通信技術的應用，用戶則可以在任何時間、任何地點使用無線網(wǎng)絡，其中，TD-LTE（分時長期演進）是基于3GPP演進的一種通信技術，TD-LTE屬于LTE的一個分支。

圖1 4G無線通信技術網(wǎng)絡體系結構

二、無線通信技術應用于煤礦開采的重要意義

由于煤炭生產(chǎn)的施工環(huán)境比較復雜，井下人員較多，設備流動性也較大，在生產(chǎn)操作中，常常采用多工種聯(lián)合流水作業(yè)的形式進行煤礦開采，這就要求需要大量的重型設備參與到煤礦生產(chǎn)中，無論是在設備運輸中，還是在安裝、調(diào)試中，其都有較高的要求，若不注重煤炭井上井下的協(xié)同生產(chǎn)，則容易發(fā)生瓦斯爆炸等事故。然而，隨著移動通信技術的發(fā)展，建立基于4G通信技術的無線移動通信系統(tǒng)，并將其應用于煤礦生產(chǎn)中，其不僅可以確保煤礦生產(chǎn)順利進行，還可以完成緊急事故的處理，因此，煤礦4G無線通信移動系統(tǒng)的實現(xiàn)，具有十分重要的意義。

三、基于4G通信技術的煤礦無線通信系統(tǒng)

（一）無線移動通信系統(tǒng)架構

針對當前煤礦生產(chǎn)對無線移動通信系統(tǒng)的需求，利用4G中的TD-LTE通信技術來實現(xiàn)高傳輸速率的寬帶無線網(wǎng)絡，建立信息化、自動化、智能化于一體的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，打破當前煤礦系統(tǒng)安全生產(chǎn)局面，將煤礦井下傳感器、視頻等各類業(yè)務數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的網(wǎng)絡部署，有效解決信息孤島的問題，確保煤礦安全生產(chǎn)，從而提高煤礦的生產(chǎn)效率。因此，建立基于分時長期演進（TD-LTE）的寬帶無線網(wǎng)絡，由于基于4G通信技術的無線移動通信系統(tǒng)可以在頻譜帶寬20MHz下可以實現(xiàn)上行峰值速率和下行峰值速率分別為50Mb/s，100Mb/s，其接入時延可以小于100ms，如表1所示[3]，表示4G通信系統(tǒng)與3G無線通信系統(tǒng)的對比，因此，采用TD-LTE無線通信技術不僅可以滿足語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的實時傳輸，也可以有效避免數(shù)據(jù)丟包、延時等問題。下面對基于4G通信技術的無線移動通信系統(tǒng)進行對比分析：

表1 4G與3G無線通信系統(tǒng)參數(shù)對比

1.基于TD-LTE通信技術的系統(tǒng)架構。TD-TLE煤礦無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡總體架構主要由基站、接入網(wǎng)關、BRAS及核心網(wǎng)通信構成，其中，核心網(wǎng)網(wǎng)元可以實現(xiàn)語音通信、數(shù)據(jù)傳輸及集群呼叫功能，其主要通過IMS+EPC+DSS集群模式來實現(xiàn)的[4]。

2.建立基于TD-LTE通信技術的基站通信系統(tǒng)。將Femto/Pico基站應用于無線通信系統(tǒng)建設中，增強區(qū)域的覆蓋范圍，通過自身的傳輸網(wǎng)絡統(tǒng)一接入到安全網(wǎng)關中，采用IP SEC的方式，以保證網(wǎng)絡傳輸安全。當基站通過提供WLAN AP來承載數(shù)據(jù)業(yè)務過程中[5]，其也可以通過PDG直接接入網(wǎng)絡來承載數(shù)據(jù)業(yè)務，為了確保提高高質(zhì)量、高傳輸速率的數(shù)據(jù)和語音業(yè)務，則可以通過直接接入3GPP核心網(wǎng)來滿足不同的產(chǎn)品需求，實現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務活動，建立以Small Cell為基站的網(wǎng)管系統(tǒng)，從而實現(xiàn)下層無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)與上層網(wǎng)管系統(tǒng)的對接。

3.建立基于IMS+EPC+DSS集群模式的核心網(wǎng)[6]。在系統(tǒng)中設置核心網(wǎng)，其主要作用是提供用戶連接、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡承載等功能，分析該系統(tǒng)的核心網(wǎng)系統(tǒng)AXUN iEPC-5[7]，其主要依托電信級EPC核心網(wǎng)的優(yōu)勢來實現(xiàn)網(wǎng)元MME、PGW等功能融為一體的模式，該核心網(wǎng)實現(xiàn)了移動辦公、遙感業(yè)務、監(jiān)視控制及電子商務等基本業(yè)務，其可以為用戶提供安全可靠的LTE接入。另外，核心網(wǎng)系統(tǒng)還利應用了IMS系統(tǒng)，其是一種全新的多媒體業(yè)務形式，其不僅可以滿足多樣化的多媒體業(yè)務需求，還可以實現(xiàn)LTE語音業(yè)務系統(tǒng)，并且DSS核心網(wǎng)可以實現(xiàn)LTE的集群呼叫功能，DSS與EPC相比，其都采用了ATCA架構，并且都可以實現(xiàn)設備小型化的核心網(wǎng)。

4.建立綜合應用無線通信系統(tǒng)平臺。利用分布式高性能計算機框架架構來建立一個安全、可靠、統(tǒng)一的綜合應用系統(tǒng)平臺，為了構建靈活、適用強的處理平臺，應在軟件處理平臺基礎上增加分析處理數(shù)據(jù)的專用支持工具，如支持LTE、Wi-Fi網(wǎng)絡和終端的基站系統(tǒng)[8]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、視頻及語音等各類業(yè)務，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲及應用接口，從而實現(xiàn)自動化管理的應用系統(tǒng)。

（二）無線移動通信系統(tǒng)功能概述

1.調(diào)度功能。調(diào)度系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要通信手段，生產(chǎn)調(diào)度員通過利用調(diào)度功能來統(tǒng)籌調(diào)度所有資源，并對煤礦生產(chǎn)中各種突發(fā)狀況進行處理，以保證煤礦生產(chǎn)順利進行。調(diào)度功能主要包括生產(chǎn)進程管理、煤礦生產(chǎn)流程整合及資源分配等功能。

2.語音業(yè)務。其主要包括以下幾種業(yè)務：第一，移動電話，其可以提供語音通信功能;第二，緊急呼叫業(yè)務，當煤礦井下的集群用戶發(fā)起緊急呼叫，呼叫中心將會做出答復，其類似與電話業(yè)務，具有簡單方便、快速的特點;第三，主叫號碼識別顯示業(yè)務，其主要功能是提供主叫用戶號碼給被叫用戶。

3.集群通信。為了實現(xiàn)用戶之間的通信，利用無線集群通信系統(tǒng)來實現(xiàn)自動化的信息共享功能，與公眾無線移動通信相比，無線集群通信系統(tǒng)不僅可以提供系統(tǒng)內(nèi)部的全呼、組呼之外，還可以提高雙向通話功能，通過建立優(yōu)先等級呼叫和緊急呼叫功能，以滿足煤礦生產(chǎn)安全部門指揮調(diào)度的需求。

4.增殖數(shù)據(jù)服務。在增殖數(shù)據(jù)業(yè)務中，主要包括提供視頻通話、物聯(lián)網(wǎng)接入、手機終端定位、多種數(shù)據(jù)等業(yè)務，其中，對于視頻通話，通過手機實時進行無線視頻業(yè)務，以便于井上工作人員的判斷和決策;數(shù)據(jù)網(wǎng)接入，通過利用3G通信技術來實現(xiàn)終端及無線傳感器等接口的采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)提供終端接入;手機終端定位，即利用4G無線通信技術來實現(xiàn)語音通話及礦用無線通信手機終端定位，即通過操作人員攜帶的手機與基站之間的信號傳輸來獲得操作人員在井下的信息，這樣地面上的工作人員則可以通過計算機來了解井下工作人員的信息，其可以確保煤礦井下的安全生產(chǎn)，同時也可以提供實時信息;數(shù)據(jù)業(yè)務，為了滿足煤礦井下多種業(yè)務對寬帶的需求，實現(xiàn)高速分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務，并通過智能手機綁定內(nèi)部系統(tǒng)，實現(xiàn)信息發(fā)布、視頻監(jiān)控及安全生產(chǎn)實時監(jiān)控等功能，將綜合自動化系統(tǒng)應用于系統(tǒng)中，實現(xiàn)組態(tài)軟件實時顯示功能，當煤礦井下出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將會提供自動報警提示功能。

四、結束語

建立基于4G無線通信技術的煤礦無線通信系統(tǒng)，利用TD-LTE無線通信技術來建立寬帶無線網(wǎng)絡，由于TD-LTE無線通信技術具有覆蓋面積廣、信號強、傳輸速率高的優(yōu)點，將無線移動通信系統(tǒng)應用于煤礦生產(chǎn)中，不僅可以煤礦地面井下實時通信，也可以確保煤礦井下安全生產(chǎn)，因此，建立基于4G通信技術的煤礦無線移動通信系統(tǒng)具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]黃文勤.基于4G通信技術的應急通信系統(tǒng)研究[J].信息通信，2013（07）：190.

[2]王心剛.基于4G通信技術的煤礦無線通信系統(tǒng)研究[J].中州煤炭，2013（09）：37-39+118.

[3]李煒鍵，孫飛.基于4G通信技術的無線網(wǎng)絡安全通信分析[J].電力信息與通信技術，2014（01）：127-131.

[4]李美艷.基于LTE技術的煤礦無線通信系統(tǒng)[J].山西電子技術，2014（02）：54-55+96.

[5]李培煊，強蕊.基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統(tǒng)的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2011（04）：139-143.

[6]陳湘源.煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工礦自動化，2009（01）：33-36.

[7]鄭學召.礦井救援無線多媒體通信關鍵技術研究[D].西安科技大學，2013.

[8]楊斌，楊曉輝，宋永寶.基于TD-SCDMA技術的煤礦井下無線通信系統(tǒng)研究[A].煤礦綜合自動化與機電技術[C].2012：4.

作者簡介：朱賽虎（1984—），男，江蘇丹陽人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于天地（常州）自動化股份有限公司，主要從事煤礦通信方面的技術支持、工程管理工作。