礦用雙模無線通信系統的研發

宋虎森 李金華 郭玉彪

（山西潞安集團司馬煤業有限公司，山西 長治 046000）

隨著科技的進步，人們的生活和溝通方式發生了巨大的改變。人與人之間的溝通變得更加便捷，生產效率得到極大提高，生產安全得到更多保障。目前國內三大運營商已經全面建成以LTE 技術為基礎的4G 網絡，手機終端也從僅有語音、短信功能的“移動電話”發展為擁有各種豐富應用的智能手機。一般而言，專網通信技術會跟隨公網技術的發展，但同時專網通信又有自己獨立的號碼管理、設備管理、調度指揮等特點。在煤礦行業中，許多情況下需要利用先進的技術實現人與人之間的溝通，保障井下作業的順利進行。在開采煤礦的過程中，安全事故時有發生，盡管多數礦井已經部署完全的煤礦通信系統，但是重大事故發生時，人員傷亡仍然不可避免。因此，在煤礦資源無法被代替的情況下，為了使礦井內外人員溝通穩定，完善煤礦通信系統便是重中之重。本文以探索和實踐為特點進行煤礦通信系統的基礎性及方法技術研究工作，體現煤礦地面和井下礦用雙模無線通信系統數據與語音的雙傳輸效果，進一步完善煤礦行業的通信系統[1-6]。

1 研發背景

司馬礦無線通信系統于2010 年建設并投入使用，采用了PHS 無線通信技術。該技術僅支持語音通話與短信功能，基站信號輻射范圍受地質條件限制。隨著礦井不斷深入開采，眼下所使用的無線通信系統“戰線”越拉越長，維護耗時耗力。隨著無線技術的飛速發展，目前新的4G 無線通信技術支持視頻、圖片等數據業務的傳輸，但4G 專網只支持數據業務，沒有獨立的語音業務，語音采用數據域的VOLTE 方式來實現，因其較高的技術門檻和昂貴的協議棧價格，很難被專網市場接受。而VOIP 方式的語音如沒有深度的融合與定制必將重蹈WIFI 的覆轍。B-TrunC 寬帶集群雖然基于LTE技術，但是從物理層到RRC 層都做了修改，無法和公網系統或者終端相互兼容。

隨著井下建設生產的發展，原有采區如膠帶巷有一些盲區需要進行信號覆蓋補充，通過采用無線通訊綜合調度交換機以滿足生產需求。煤礦可以利用生產有線結合無線一體化調度的優勢，實現全新的信息通訊技術、基礎支撐技術以及完善的生產管理技術，在一定程度上完善煤礦作業的安全性。根據多年來的煤礦專網通信產品研發制造經驗，在原有的PHS 礦用無線通信系統基礎上添加中心控制設備及相關設備后，開發一套礦用雙模無線通信系統，有利于礦井數據視頻的傳輸，實現語音和數據的雙穩定系統。應用該礦用雙模無線通信系統不僅能夠方便礦井的語音與數據雙移動調度指揮，而且更加符合現代化數字礦井的需求，為智慧礦山的建設打下良好基礎的同時還將對礦井安全生產的穩定有著積極的作用。

2 礦用雙模無線通信系統設備組成

JEC-3000 EPC 核心服務器包含4G 核心網EPC、4G 核心網IMS 軟件以及網管軟件，并且其依托于已有的通信網絡，能夠提供有線、無線、分組一體化的接入手段，構筑多業務一體化的通訊平臺，具體參數見表1。JEC-677 LTE 基站包含基站控制器、大功率宏基站和定向天線，其中，PL-677 室外LTE基站支持主流公網頻段，也支持專網1.8 G 頻段，發射功率動態可調，還可以方便滿足礦區地面覆蓋，具體參數見表2。JEC-505（KT700）智能手機是嘉科電子研發的多模防爆礦用手機，支持PHS、GSM、WCDMA 和LTE 等多種制式，手機支持高階調制并且為雙SIM 卡槽，其雙頻無線網絡具備MUMIMO 技術，手機搭配12MP 索尼IMX 378 相機，像素可達1200 萬，電池容量為3500 mAh 超長續航，支持快速充電。

基站控制器（圖1）需要固定到15 寸的機架上，上面留出至少1 U 的空間，便于散熱，其電源使用DC48 V，需要的接口包括到RRU 的單模光纖、到核心網EPC的超6類網線以及到時鐘盒的HDMI線。時鐘盒和BBU 一樣，安裝于機房，GPS 天線通過饋線連接到時鐘盒，其饋線最長可以支持200 m。時鐘盒和BBU 通過HDMI 線連接，從BBU 處取得電源。需要注意的是GPS 天線必須安裝于樓頂或者窗外1 m 的位置，保證收星正常，同時GPS 天線必須安裝牢固，防風。

圖1 基站控制器

H3CS 系列交換機（圖2）所有以太網端口均支持全線速無阻塞交換以及端口自動翻轉功能，集成專業防雷電路，可提供共模防護6 kV 級別的安全防護保護設備和用網安全。

圖2 網絡交換機

表1 JEC-3000 EPC 核心服務器具體參數

表2 JEC-677 LTE 基站具體參數

3 礦用雙模無線通信系統的工藝流程

礦用雙模無線通信系統不但可以實現數據視頻傳輸通話等功能，還具有保持原語音通話穩定功能，產品軟件更加人性化。對于一個典型的使用PHS 礦用無線通信設備的煤礦，改造成4G 雙模系統只需要增加核心網少量的設備和若干個4G 基站，使用新型的多模智能終端，就能完美解決以前未達到的數據傳輸等種種問題，并且為將來升級5G 打下良好的基礎。該技術基本方案如下所述，礦用雙模通信系統框圖如圖3。

圖3 礦用雙模通信系統框圖

網絡改造前的系統僅有基本語音、簡單調度、遺漏呼叫、收發短信、強插強拆、通話錄音、群組呼叫等功能，并不能保證煤礦通信的順暢交流；改造后的網絡豐富了多項業務，調度更加全面，擴展性好并且可以升級為VOLTE 業務模式，同時在原有功能的基礎上增加了視頻、數據及網絡業務功能。網絡改造前后如圖4、圖5。

圖4 網絡改造前

圖5 網絡改造后

4 礦用雙模無線通信系統的先進性

EPC 具備的特點：（1）核心網趨同化，交換功能路由化；（2）業務平面與控制平面完全分離；（3）網元數目最小化，協議層次最優化；（4）網絡扁平化，全IP 化。

雙模融合系統的優勢：（1）揚長避短，語音數據完美融合，能夠與各種系統完美兼容，為高效的智慧礦山打下基礎；（2）無線有線統一調度，解決各個系統相互獨立的問題；（3）建設成本低，而且很好地保護了原有投資；（4）工程建設簡單，周期短，主要工作都在地面，系統可靠性高，日常維護方便；（5）系統可擴展性好，便于后續升級演進。

5 礦用雙模無線通信系統實際應用

司馬煤礦使用該雙模通信系統以來，設備運行正常。該礦在煤礦口處設置一臺計算機，工作人員需要通過計算機識別個人信息后才能進入礦下，管理人員與礦下工作人員時刻保持聯系，遇到緊急問題可以及時作出決策，對智慧礦山的安全建設提供了便利條件。

6 結論

礦用雙模無線通信系統在不打破原有通信資源的基礎上融入新技術，揚長避短，有效保護了原有通信資源，節約了重新構建系統所需資金，又能發揮新技術的最大優勢，很好地解決了煤礦通信的真實需求。運用科技結合的技術既能保障煤礦內外的實時通信，還可以確保煤礦現場的作業安全，確保工作人員的生命安全。