李蓉 彭秦 马晶晶 王安义

摘 要：文中针对矿用4G-LTE宽带移动通信系统的优势，依照复杂的矿井环境，提出了一整套完整有效的井下矿用4G应急指挥系统的测试理论及方法，并在某金矿进行实地外场测试，包括覆盖距离、掉话率、切换测试等，验证了所提出的测试方法完全可行。

关键词：4G-LTE；外场测试；覆盖距离；掉话率；切换测试

中图分类号：TP39；TN925 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

随着矿井工业化、信息化的发展，无线通信也经历了矿用程控电话、小灵通无线通信、WiFi通信、3G移动通信，以及4G移动通信[1]。虽然井下通信发展到4G通信，但却缺少一套行之有效的可以测试及评估矿用4G专网通信系统的测试手段，采用传统人工体验式测试方法得出的结论缺乏有效性，增加了人力成本和劳动强度，降低了测试效率。本文通过对矿井无线环境及通信链路进行仿真，并在仿真的基础上提出针对矿井无线覆盖和漫游切换的测试思路，构建了具体的测试方法，并通过实地测试验证了测试算法的有效性及测试方案的可行性。

1 概 述

长期以来，煤炭作为我国主要能源，有力支撑着国民经济和社会平稳较快发展。随着矿山多种综合业务的需要，处理各类应急事件时对井下无线通信要求较高，因此基于4G（TD-LTE）技术的无线通信技术必将成为矿山的主流配置。目前4G无线通信系统在我国煤矿井下大约已装备了60个。

矿用4G总体处于建设及维护阶段，目前虽然我国掌握并具备了矿井4G覆盖的核心技术，但仍存在许多不足，缺乏有效的手段来准确测量无线覆盖范围以及其他重要测试指标，例如切换成功率、通话掉话率等。本文针对这一系列问题提出了一整套有针对性的系统测试方案。

2 测试理论及测试方案的设计

2.1 矿用4G系统的构成

矿用4G系统由EPC（核心网）、eNodeB（基站）、UE（用户设备）组成[2]，4G矿用调度系统在4G系统的基础上引入了4G专网矿用无线调度通信系统，调度通信系统能够方便管理人员随时随地掌握人员、生产现场的情况，并实时对生产活动进行指挥和调度，为煤炭安全生产提供有力保障。

2.2 理论与仿真

隧道内的无线信号经直射、反射、散射后到达接收机[3]。隧道墙壁对无线电波有屏蔽、吸收和散射作用，理论上，隧道是超大尺寸的非理想波导，只有高于其截止频率的波才能在其中传播，如图1所示。

菲涅耳区域理论认为，电磁波在隧道中传播时，可将隧道分为近区和远区两个传播区域，波在近区主要为多模传播，而在远区波的传播方式主要是稳定的引导传播[4]。由图2可知，在巷道模型一定，介电常数一定的情况下，主波模衰减随频率的增加衰落减小。

矿井巷道可以被理解为超大尺寸的非理想波导，高于波导截至频率的电磁波才能在波导中传输，一般巷道截至频率为几十兆赫兹。

图3表明转折点前，f越大，路径衰减越大；转折点后，f越大，路径损耗的衰减趋势变缓慢。

通过软件及硬件方法将上述指标及无线链路的衰落情况进行自动测量并如实记录，再结合后台数据的统计分析给出基本的統计值，最后通过经验阈值与数据统计结果进行范围比对，就可以对矿井无线覆盖指标、切换指标、业务指标等关键指标进行评估和分析，这就是本文设计矿用4G无线覆盖测量方案的核心原理所在。

3 测试方案设计

3.1 测试方案准备

（1）综合业务交换机：集成了IMS和LTE核心网EPC功能，是4G无线系统的核心设备，提供4G特色功能VoLTE，对接入终端合法性和安全性进行控制，为用户在全网络提供无缝移动服务，为4G无线网络提供向外连接的接口。

（2）矿用本安型基站：按照矿用本安标准设计，4G FDD-LTE基站的单站覆盖范围（两个定向天线）可达1 km以上，对外提供千兆以太网接口（包括电口和光口），支持串接6级基站。

（3）矿用本安型手持终端：提供基础型和高端型矿用本安手持终端，支持接入专网及运营商网络。

（4）矿用煤安认证的基站电源：提供井下基站配套的矿用煤安认证电源，后备容量可供电4小时。

（5）地面基站：提供基于公网应用方式的BBU+RRU无线覆盖，满足地面无线信号覆盖的要求及提供业务传输通道。

（6）板状天线：提供单方向的定向覆盖，单基站拉远测试覆盖范围可达1 km。

3.2 测试场景

测试场景选取位于陕西省宝鸡市的某金矿，采用F频段同频组网，带宽20 MHz。矿井巷道与地面空间不同，是一种特别的受限空间，环境结构复杂，比较狭窄，巷道壁粗糙，还有运输车辆、列车轨道、动力线、机电设备等，如图4所示。

直巷主要采用定向板状天线覆盖，以矿内实际最高建筑物为基站安装点；根据巷道实际情况，站间距在800～1 000 m之间；巷道交错区域，在交叉路口可设立一个LTE基站，并采用多个天线进行分布式覆盖。

3.3 专网的系统测试方案

3.3.1 单小区覆盖测试

（1）测试场景

站点系统带宽20 MHz，工作频段Band3，一个单方向板状定向天线，站高2 m，天线增益（12±1）dBi，工作频段为1 710～2 700 MHz，驻波比≤1.5，极化方式±45°。选定矿井巷道为测试小区，无公网的频带干扰，巷道空直窄长，适合定向天线做覆盖测试。

（2）测试过程

a.选定空直巷道为测试小区，纵向长度可达500 m，测试方向无其他站点，相当于孤站测试；

b.测试人员A携带一台测试终端，定点于天线附近，测试人员B携带一台测试终端，两终端建立连接，保持通话状态；

c.以站点天线处为起点，设定停顿测试点为0 m，100 m，200 m，350 m，400 m，450 m，500 m，500 m后的测试点根据测试情况将间隔不断调小；

d.测试人员B沿巷道径向行走，在设定测试点停顿，记录1 min测试数据，主要包括当前测试点距离、信号强度；

e.为保证结果准确，拉远覆盖测试在关键位置，500 m以后的测试次数为10次，且遍历测试路线1次。

（3）测试结论

基站下信号是最强点，信号强度为-44 dBm；随着距离的增大，信号越来越弱，500 m处通话质量良好，信号强度约为-110 dB，500～550 m区间信号微弱，信号强度递减直至掉话。

3.3.2 切换测试

（1）测试场景

同单小区覆盖测试的场景。根据覆盖的测试结果，在巷道口以及巷道中布置四个站点，无公网的频带干扰，巷道的环境结构复杂，巷道比较狭窄，巷道壁粗糙，实验环境符合测试切换的条件。图5所示为整个矿井的部分巷道图，在巷道入口a处布置一台基站，在巷道拐弯处b和c处布置基站，a-b，b-c，c-d的距离均为800～1 000 m。

（2）测试过程

a.选定矿井巷道为实地测试环境，矿井环境复杂，选择合适的布站位置；

b.测试人员A携带一台测试终端，定点于天线附近，即a位置处，测试人员B携带一台测试终端，两终端建立连接，保持通话状态；

c.测试人员B沿巷道的行走轨迹为a-b-c-d，在设定测试点停顿，记录当前测试点距离、信号强度，观察终端侧信令流程或服务小区ID，确定是否切换成功，中间如有掉线，则及时停车重新建立连接，重新测试；

d.每部終端切换次数至少为50次，并至少遍历测试路线一次。

（3）测试结沦

基站下信号是最强点，从a-b随着距离的加大，信号越来越弱，由-40 dBm降到-100 dBm，b附近发现信号强度突然变强为-40 dBm，中间过程通话正常，观察终端侧信令流程以及服务小区ID，确认基站1到基站2切换成功，同样b-c-d基站2到基站3切换成功。

3.3.3 掉话率测试

（1）测试场景

站点系统带宽20 MHz。实验场地选择为通信实验室，接入核心网与基站组成的专网网络，选择定向天线注册在专网的手机终端。

（2）测试过程

a.在自动测试情况下，选用自动测试软件，将两部终端挂到自动拨打电话的软件下，让一部终端作为主叫，另一部作为被叫；

b.打开自动测试软件，设置通话间隔与通话时长，使终端自动拨打电话；

c.在测试软件中可以看到自动测试的接通率、掉话率以及通话过程中的信令流程，可以很方便地查看通话过程中出现的问题，采取措施有效解决。

（3）测试结论

两部终端各连接100余次，全部成功，空载下未发生掉线。

掉话率、接通率统计图如图6所示，终端拨打电话进程图如图7所示，信令流程图如图8所示。

4 实地测试结果

实验地点选取位于陕西省宝鸡市的某金矿，每次实际测试天数15天，共三次，总计45天，统计实际测试结果如下：

（1）单小区覆盖测试：巷道细长且弯曲复杂，单站覆盖距离可达1 km以上，与传统矿井相比，覆盖距离以及移动性得到很大的提升，小区覆盖测试平均数据见表1所列。

（2）网络性能方面：与传统井下通信相比，4G的低时延、大容量、稳定性有很大优势。

（3）连接建立成功率、切换成功率均达到100%，掉线率为0，长时间的业务保持能力为井下通信提供可靠保障。

空载状态下掉线率测试数据见表2所列，全网切换测试数据见表3所列。

（4）通过对EPC进行负荷测试，得出EPC能经得住大负荷运行，系统稳定性较好的结论。

5 结 语

本文通过对矿用4G技术进行研究及仿真，提出了一套高效可靠、经济实用、技术先进的矿用4G无线覆盖测试方法及解决方案，从实际测试结果来看，这套测试方案行之有效，为我国煤矿在规划、建设及维护矿井4G系统方面提供了重要的保障。

虽然本文设计并提出的矿井4G测试方法经过实际验证完全可行，但是随着未来技术的发展还有如下几方面可以继续开展提升工作：

（1）由于此次实际测试矿井环境单一，测试环境相对较好，未来可以增加其他不同矿井的测试，进一步提升测试方案的兼容性。

（2）随着5G技术的发展，本方案在未来还要考虑进一步向5G技术扩充。

随着技术手段的不断进步和提升，我们有理由相信，在以后的应用过程中，矿用4G无线测试的方法及方案会发挥出更大的作用。

参考文献

[1]李睿.基于TD专网的煤矿语音调度系统的研究与实现[D].西安：西安工业大学，2011.

[2]周严.基于TD-LTE的中小企业专用核心网的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2015.

[3]高彦强.面向行业专网的软件无线电收发机数字中频处理技术研究[D].北京：清华大学，2015.

[4]李伟琪.电力负控无线专网组网设计与实现[D].重庆：重庆大学，2016.

[5]胡业.TD-LTE专网终端射频的指标仿真和测试系统开发[D].北京：北京邮电大学，2017.

[6]彭芳.Avnu联盟与思博伦通信共同发布实现汽车网络标准化互操作性测试的以太网测试解决方案[J].电信工程技术与标准化，2016，29（10）：82.

[7]王婷婷.浅谈浙江广电钱江频道高清非编网测试方案的设计[J].广播电视信息，2016（8）：30-33.

[8]Ixia推出用于外场测试平台的50 GbE高速以太网测试解决方案[J].数字通信世界，2016（2）：22.

[9]张叶峰.TD-LTE技术在电力无线通信系统中的应用[D].北京：华北电力大学，2015.

[10]任之良.100G OTN拉开400 G商用序幕中兴通讯400 G方案现网测试获肯定[J].通信世界，2015（13）：43.