基于LTE技术的煤矿无线通信系统

2014-05-12李美艳

山西电子技术 2014年2期

李美艳

(西安外事学院，陕西西安710077)

近些年来，煤炭企业经常发生重大安全生产事故，国家因此重点关注煤矿安全生产的信息化工作，煤炭企业的可靠和稳定的无线通信系统建设也得到了高度重视。煤矿企业的无线通信系统经过多年的建设和发展，取得了很大的成绩，但也存在着较多的问题，如系统抗干扰能力不强、通信效果差以及难以提供宽带综合通信能力等［1］。

随着我国煤炭企业整体技术的进步，越来越多的数字化和自动化的控制设备已投入到企业生产当中，稳定、安全和功能全面的煤矿无线通信系统变得越来越重要了。煤炭井下工作人员对实时无线语音业务和数据业务要求也越来越迫切，井下工作人员所处位置实时更新、井下生产的数据实时上报和数字化设备的高速率要求等都显示出煤矿无线通信系统的特殊性和重要性［2］。

1 LTE技术简介

LTE是3GPP在“移动通信宽带化”趋势下，为了对抗WiMAX等移动宽带无线接入技术的市场挑战而研发出来的“准4G”技术。LTE采用OFDM和MIMO技术作为其无线网络演进的唯一标准，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率;能够显著改善小区边缘用户的性能，提高小区系统容量，降低系统延迟，支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.4 MHz～20 MHz多种带宽［3］。

LTE系统的网络结构具有以下优势:

1)网络扁平化使得系统延时减小，从而改善了用户体验，可以开展更多业务;

2)网元数目减少，使得网络部署更为简单，更加容易进行网络维护;

3)取消RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络运行的稳定性。

2 现有通信技术

目前国内外煤矿井下通信方式主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS(小灵通)通信、WiFi通信和3G移动通信系统等。漏泄通信适用于局部通信，利用漏泄电缆实现无线覆盖;感应通信是借助钢轨、水管或导线等金属感应体实现;透地通信系统适用于应急救灾通信，通过铺设井下环形来实现井下超低频无线覆盖。以上通信系统存在功能单一、通信容量小、通话效果差等问题。PHS移动通信在2011年底中已经清频退网，属于淘汰产品，不再具有任何发展的前景。WIFi通信系统尚有不少难以攻克的技术难关，覆盖距离短，实际使用效果差，通信质量远不如小灵通好，且目前正处于技术研究阶段。3G移动通信系统是近年来研究的热门技术，具有全矿井无线通信、井下无线覆盖方式多、通信容量较大、通信质量较高等优势，可以在矿井下工作面区域使用，可无线传输数据及图像等业务［4］。

按照国家的十一五规划和煤炭行业十一五规划要求，数字化、信息化矿山的建设正如火如荼，其中重要的要求之一就是要系统联网。采用TCP/IP协议实现联网可以说是数字化矿山网络建设的唯一选择，其通用性是保证可扩展性的基础。全本安设计的宽带综合网络通信系统是未来煤矿井下通信系统的发展方向，煤矿无线通信系统未来将具备“全业务”能力，可以传输各种数据，比如瓦斯检测结果、氧气浓度检测结果、人员定位信息等，还可以传输语音、图像和高清视频等内容，所有这些都是以数据业务的方式传输的。

伴随着移动通信技术的发展，以及煤矿企业对高速率的实时无线数据业务的迫切需要，采用LTE技术的无线通信系统，将大大扩展井下调度通信系统的功能，对于煤矿无线通信技术的发展和新型现代化煤矿的建设有着重大的意义［5］。

3 系统实现

基于LTE技术的煤矿无线通信系统，通过IP传输网采用光纤将信号送到井下，通过LTE系统的eNB基站实现对矿井井下的无线网络覆盖，从而建立起地面和井下的宽带综合网络通信系统。如图1所示，该系统由核心控制设备和无线接入设备组成。核心控制设备包括:地面监测中心服务器，OMC(操作维护中心)服务器，多媒体调度台服务器等设备，监测中心电脑、调度中心电脑和OMC客户端等设备;无线接入设备包括井下基站，连接光缆，本安终端等组成。

图1 LTE无线网络组网示意图

各种网元具有的功能如下:

1)MME/S－GW:MME(Mobity Management Entity，移动管理实体)，S－GW(Serving Gateway服务网关);

2)CA:证书发放机构，用于给eNB、安全网关和OMC发放证书，管理证书等的标准CA服务器;

3)DHCP:标准IP地址动态分配的服务器;

4)IMS:IMS(IP Multimedia Subsystem)，IP多媒体子系统;

5)IP传输网:可以是L2/L3的IP网络，需提供DHCP请求包转发功能;

6)安全网关:提供IPSEC VPN服务器功能和防火墙的功能支持;

7)路由器:IP包路由存储转发功能的支持;

8)接入交换机:需要有VLAN支持功能，包括VLAN划分功能;

9)调度台服务器:提供整个矿区调度功能;

10)监测中心服务器:提供整个矿区监测功能，包括井下人员定位功能、井下区域瓦斯检测功能、井下开采作业区动态监控等功能;

11)OMC服务器:操作维护控制中心，用于管理和控制整个煤矿无线通信系统设备;

12)客户端:包括调度中心电脑、监测中心电脑和OMC客户端等;

13)eNB:LTE系统基站，提供无线接入功能;

14)UE:本安型终端设备，支持语音通话和数据业务传输功能。

井下无线信号覆盖采用光缆传输和射频无源天线分布系统相结合的方式实现。由于地下巷道的复杂性，井下覆盖时采用灵活处理方式，超长巷道采用定向高增益天线进行无线网络覆盖，稍宽阔区域采用全向天线进行无线网络覆盖，短巷道可以采用泄露电缆方式进行网络覆盖。

基于LTE技术的煤矿无线通信系统，提供以下系统功能:

1)通过 LTE标准定位协议(LTE Positioning Protocol，LPP)，实现井下人员的精确定位功能;

2)实现全矿区的无线通信功能，包括地面和井下的语音业务(通过IMS服务器提供VoIP语音业务)和数据业务;

3)提供丰富多彩的多项业务应用，包括VoIP语音通话、高清视频通话、高速无线上网等业务;

4)全IP架构的LTE系统，实现与固定宽带网络的无缝连接，充分利用现有互联网资源，提供全面和不间断的优质服务;

5)实现煤矿井下各监测点(包括移动监测点和固定监测点)的实时数据和高清视频图像的无线传输功能。

基于LTE技术的煤矿无线通信系统，与3G移动通信系统相比，具有以下优势:

1)纯IP网络架构组成;

2)系统容量大，单载频单扇区支持200个用户同时进行业务;

3)综合应用光纤、电缆和无线，提供多种无线覆盖形式(定向高增益天线，全向天线，泄露电缆)，满足煤矿井下复杂巷道的无线网络覆盖;

4)矿用本安型终端，可提供井下采矿工作面等高瓦斯区域的高速无线通信服务;

5)系统具有语音调度功能，且同时具备高清视频、大容量井下采集数据实时传输功能。

值得注意的是，煤矿井下区域是高危险的场所，井下使用的系统设备必须要进行防爆处理，井下设备必须通过国家防爆安全认证MA(煤安)认证，才能够在井下使用。综合考虑井下的特殊环境，系统设备对各方面的技术指标要求很苛刻:系统需要防爆能力特别强，井下设备密封性要特别好，外壳能够抵御强冲击力破坏和高温试验，移动终端应体积小巧，天线尺寸足够小，不影响井下开采工作的正常进行。