融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網系統的設計與應用

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融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網系統的設計與應用

孫偉強

（江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，南京 210019）

摘 要通過結合成熟商用的TD-SCDMA技術和Wi-Fi網絡各自的技術優勢和業務特點，研究并設計了一種融合兩種通信技術的煤礦專網系統方案。通過實驗巷道測試數據的分析，體現設計方案中利用Wi-Fi網絡高速數據傳輸的極大優勢，也補充了TD-SCDMA系統熱點區域高速數據業務的覆蓋限制和容量不足，并對后續通信技術在煤炭行業的應用提供強力支持和指導借鑒。

關鍵詞TD-SCDMA; Wi-Fi; 礦井通信; 網絡融合; 無線通信

1　引言

伴隨著國家能源的市場化運行，煤炭行業在我國能源體系中的戰略地位越來越重要，國家多年前就提出建設“數字化礦井”，即用先進的高科技通信技術手段來提高煤礦企業的安全生產。由此，根據現有的多種無線通信技術特點，并與煤礦行業緊密結合設計出符合自身建設的專網系統尤為重要,其采用的通信技術如PHS小靈通、CDMA450大靈通、Wi-Fi無線局域網、TD-SCDMA無線通信技術等[1]。由于煤礦井下環境差、巷道分布多、干擾信號源繁雜,使得對礦用無線通信系統的設計提出了更高的標準和要求。但就當前通信技術而言，要實現全礦井的高質量通信，僅靠單一的通信體制或單一的通信設備是遠遠不能滿足的，所以必須依靠多種技術、多種通信設備的相互融合來實現。

2　系統性能對比分析

TD-SCDMA系統與Wi-Fi系統的主要功能對比，如表1所示。

表1　TD-SCDMA與Wi-Fi系統性能對比

對比上述兩種通信技術的特點，如果將Wi-Fi技術和TD-SCDMA技術在同一網絡系統中進行融合設計，其中Wi-Fi作為TD-SCDMA網絡系統中熱點區域數據業務的補充通道，可提供給網絡用戶基于TDSCDMA技術的移動性和高質量話音業務，同時又能使企業用戶享受基于Wi-Fi無線寬帶接入的高速數據多媒體業務。

3　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網系統方案

3.1 系統方案的融合分析

TD-SCDMA技術與Wi-Fi系統的融合涉及的層次主要有三種，分別為業務融合、技術融合和網絡融合[2]。

業務融合方面，對網絡用戶來說保障現有的服務質量是整個融合過程的基礎，在此基礎上提供更加豐富的擴展業務。

技術融合方面，TD-SCDMA技術要能在保持自己優勢技術的同時，吸收融合Wi-Fi的先進性能，使得兩大通信技術互相融合和促進，并相互最大限度的進行網絡補充。由此系統性能大幅度提升，支持更高速率的數據服務、更高質量的實時話音服務以及更高的用戶移動性。

網絡融合系統包括兩種通信技術，保證移動終端在融合網絡之間進行無縫漫游和切換，系統方案可提供廣域覆蓋下的話音服務和中低速數據服務，以及熱點覆蓋下的寬帶數據服務。

3.2 TD-SCDMA與Wi-Fi融合方案設計

由于Wi-Fi網絡技術定位為熱點地區覆蓋，因此在組網初期，優先考慮熱點區域覆蓋，后期根據需求擴大覆蓋范圍。在原有煤礦專網系統基礎上，減少對設備的改造，提升網絡穩定性，保障業務的QoS（Quality of Service,服務質量）。此方案以煤礦TDSCDMA無線通信系統為主干，在礦井熱點地區進行Wi-Fi網絡的覆蓋，具體組網方案如圖1所示。

融合方案系統采用分布式部署架構，即“光纖拉遠分布式基站”部署方案，這種方案部署場景更靈活，組網更簡單，充分滿足煤礦通信專網在各種復雜情況和地質條件下的組網要求[3]。融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網系統的主要設備包括：

（1）綜合網絡控制器（TDR100）：通過簡化并集成公網的RNC（無線網絡控制器，Radio Network Controller）及CN（核心網，Core Network），主要完成用戶業務的接入和綜合處理功能。

（2）交換調度機（TDS100）：主要完成系統用戶簽約數據的管理，核心交換與調度功能。

（3）網關：實現專網系統與外部網絡的互聯互通功能。

（4）井下本安型基站（TDU150）：井下礦用RRU（射頻拉遠模塊），屬于本質安全型基站，用于井下的無線網絡覆蓋。其中TDU150礦用本質安全型無線基站提供手機接入的無線接口，接收來自手機的射頻信號，進行解調提取出基帶數據，傳輸給基站主設備進行編解碼處理，或者將來自基站主設備的基帶數據進行AD/DA變換和變頻調制后，發送給移動終端。

（5）井上的主要設備還包括：調度臺，主要完成對井下手機終端的組呼、群呼等集群調度功能；操作維護中心，負責完成相關設備的配置、維護、故障和告警等管理功能；其他管理中心用于加載其他業務的服務軟件，包括視頻監控、瓦斯監控、煤炭產量監控系統等業務應用。

圖1　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網系統

3.3 專網系統方案的功能及特點

TD-SCDMA和Wi-Fi融合的煤炭專網通信系統的功能包括：

（1）話音業務、短消息業務、分組業務、可視電話業務等增強業務；

（2）話音調度功能，可以實現調度會議、組呼、錄音、監聽、強插、強拆等功能；

（3）支持寬帶數據的接入，支持非對稱高速數據業務，可搭載人員定位、高清圖像、環境監測等數據的傳送；

（4）支持專網內移動電話的互通，支持專網內移動電話和固話的互通，支持專網與公網的互通；

（5）提供開放的接口，支持與行業現存管理系統的互通。

另外還可以通過內置的802.11b/g模塊，為礦井現場提供更高傳輸速率的Wi-Fi無線信號覆蓋，滿足高清視頻監控等應用。

將TD-SCDMA系統基站與Wi-Fi基站融合，減少了井下工程施工、布線的復雜性。雙通道、合路天線設計，采用兩個不同方向的定向覆蓋技術，可以實現TD-SCDMA、Wi-Fi信號的拐角、拐點無縫覆蓋；可調的功率設計，靈活滿足企業的無線覆蓋要求[4]。

井下設備全部采用光纖連接，不涉及電信號，安全可靠，無打火危險，符合礦井作業規程的規定，嚴格滿足防塵、防水、耐腐蝕的要求。光纖通信具有頻帶寬、信號容量大、傳輸質量高、保密性好、可靠性高等諸多優點。

對于煤礦井下的工作面、采掘面等重點區域，需要布設多個無線傳感器，以實現把井下巷道的氧氣，甲烷和溫度等數據實時傳輸到井上；需要布設無線攝像機，對井下實施視頻監控，滿足指揮調度平臺的遠程視頻監控功能。消除視頻監控盲點；減少由于工作面環境惡劣、煤塵污染嚴重對作業人員帶來的身體危害[5]。

除此之外，這些區域還要能滿足高質量電話、可視電話、視頻會議，收發郵件等豐富的業務功能。這些井下的重點區域就是煤礦TD-SCDMA專網系統中的熱點區域，對數據業務的要求較高，單一的依靠TDSCDMA系統不能滿足這些業務的要求。因此，可以考慮利用Wi-Fi網絡有效分擔TD-SCDMA系統數據流量，使用戶可以享受高速數據業務, 而不受TDSCDMA網絡速率的限制，保障了數據業務的高速及可靠傳輸。

3.4 測試及結果分析

礦下無線Wi-Fi設備通過井下基站AP接入，經由AP模塊的RJ45接口連入專網系統設備，由光纖實現與地面綜合網絡控制器TDR100的Iub口數據透傳，直接轉到地面以太網交換機，經過交換機連接到地面調度中心或外部的網絡。

專網系統基站側網絡處理器（NP）在主控板上，每個BBU板卡上有一個Wi-Fi數據傳輸專用DSP （Digital Signal Processor,數字信號處理器），DSP對應3個光口的Wi-Fi傳輸，每個光口可以級聯6級RRU，最大拉遠傳輸40 km。在減少礦用中繼設備的同時，極大的節約成本。

在實際模擬巷道實驗室測試井下終端接入AP的上傳、下載，TDR100位于地面機房，在巷道中分別布設TDU100，與地面系統之間用光纖連接，由于井下沒有GPS信號，需要在巷道中每10 m設置一個標記點，在每個標記點進行數據速率測試。建立測試小區并開啟，設置發射功率為10 dBm，進行FTP下載并處于連接保持狀態，在每個標記點處停留1 min并記錄測試值。測試記錄見表2、表3所示。

通過表2和表3的結果分析，測試終端上傳最大速率可達14.47 Mbit/s，平均值均能大于8 Mbit/s，下載速率也有大幅度的提高，平均傳送速率在20 Mbit/s，還說明上下行速率都隨著距離服務小區的增加而依次降低，符合無線通信的速率要求。不論上傳還是下載速率相比單一的TD-SCDMA系統理論值有了很大的改觀，這將實現了Wi-Fi技術與TD-SCDMA系統的折中，以此可確保融合方案的可行性。

4　總結

測試結果確定了系統工作的穩定性以及深井巷道環境下電波傳播情況，由此也可得到井下的傳播模型。結合TD-SCDMA煤炭專網系統的特點和Wi-Fi網絡的高速數據業務的優勢，在滿足煤炭行業用戶高質量話音通話和視頻通話業務的TD-SCDMA主干網絡基礎上，提供井下熱點區域布配Wi-Fi網絡，以此很好的解決這些區域內的高速數據上傳下載業務的需求。這種相互融合和互補滲透的系統方案對煤礦無線通信的組網提供了借鑒和指導，采用小區合并的組網技術和不采用此技術時網絡性能的區別，為后期的網絡規劃優化工作奠定基礎[6]。鑒于TD-SCDMA系統與Wi-Fi網絡的融合還處于起步階段，如何充分發揮不同網絡的優點，更好的保障煤炭專網的可靠性、安全性和有效性，將成為一個通信技術和煤炭行業用戶深入研究的課題，并為我國煤炭企業的安全生產和有效管理提供即時的服務。

表2　Wi-Fi上傳測試

表3　Wi-Fi下載測試

參考文獻

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

[2]劉曉明. TD-SCDMA與Wi-Fi網絡融合技術的研究[D]. 北京：北京郵電大學, 2010.

[3]張欣, 劉冬華. 淺析礦井通訊技術[J]. 煤炭技術, 2012 (1):182-184.

[4]何偉剛. 基于EPON技術的煤礦通信應用研究[J]. 煤炭技術, 2012(3):192-193.

[5]孫繼平. 煤礦安全監控技術與系統[J]. 煤炭科學技術, 2010,38(10):1-4.

[6]孫繼平. 礦井通信技術與系統[J]. 煤炭科學技術, 2010,38 (12):1-3.

Design and application of TD-SCDMA network system for coal mine integrated with Wi-Fi

SUN Wei-qiang

(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

AbstractThrough the combination of proven commercial TD-SCDMA technology and Wi-Fi network, this paper researched and designed a network system solution for coal mine. The analysis of experimental tunnel test data showed the great advantages of using Wi-Fi networks high speed data transmission, and also made up for the coverage limit and capacity lack of TD-SCDMA system hotspot high-speed data service, and provided strong support and guidance for subsequent application of communication technology in the coal industry.

KeywordsTD-SCDMA; Wi-Fi; mine communication; network convergence; wireless communication

收稿日期：2014-11-17

文章編號1008-5599（2015）01-0019-04

文獻標識碼A

中圖分類號TN929.5