赵曼

【摘 要】针对当今矿井无线通信系统的优缺点，提出、总结近年来国内研究的可应用于矿井无线通信系统中的新型无线通信技术，包括LTE技术、UWB技术、认知无线电技术，介绍各项新技术的技术特点，研究并设计系统结构，分析技术应用于矿井通信的技术优势。

【关键词】无线通信；矿井；LTE；超宽带；认知

0 引言

目前，现有的矿井无线通信系统有3G无线通信系统以及基于WiFi、ZigBee的短距离无线网络与通信系统。随着矿井信息化水平的不断提高，大量的信息交互使得矿井对无线通信系统的带宽等技术指标的要求的逐步提升，对系统的智能化要求也日益提高，这些系统已不满足矿井信息化发展要求。[1]本文对LTE技术、UWB技术、认知无线电技术三种新型的无线通信技术进行分析与比较，并介绍新技术应用于矿井通信的技术优势。

1 LTE通信技术

LTE（Long Term Evolution）通信技术采用全IP化网络架构，数据传输速率高，为高容量、低时延的平面体系结构；系统组网灵活性高、易扩容；可灵活配置1.25～20MHz的多种带宽；向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作；且延迟降低、广域覆盖。[2]

矿用LTE无线通信系统除具备LTE系统基本功能外，还支持通过移动终端实时监测、查看煤矿瓦斯、风速等环境参数，以及各种机电设备的工作参数；实现井下人员的精确定位；可为工作人员提供丰富的多媒体业务，包括监听、会议、组播等语音调度功能，多媒体调度、实时视频回传、视频会议等业务；实现井下的监测视频、图像、音频的实时无线传输；实现可视化应急指挥，提高事故处理的及时性，减少灾害带来的损失。

矿用LTE无线通信系统主要由网络管理设备、业务交换机、传输网络、LTE无线基站、智能移动终端组成。其架构基于IP网络，可快速、简便地接入现有的矿井工业以太网，缩短系统建设周期，降低建设、维护成本。[3]业务交换机为矿用LTE无线通信系统提供集群调度服务功能和数据业务功能，是系统的核心设备。LTE无线基站位于井下，具备本质安全特性，是实现井下LTE信号覆盖的关键设备，其包括无线信号处理模块、射频放大模块及电源模块。

矿井LTE通信系统可满足矿井不断增长的语音、监测数据、视频通信需求，实现多系统融合管理及监测，并可与现用的有线或无线网络融合，形成有线、无线一体化的井上、井下综合通信系统，提高矿井的生产安全性以及管理、调度效率，是矿井无线通信未来发展的主流。

2 超宽带技术

超宽带（UWB，Ultra Wide Band）通信技术采用宽的频带实现高速传送，电路功耗即使在几十毫瓦以下，傳输速率也能够达到100Mb/s～500Mb/s；采用持续时间极短且占空比极低的窄脉冲信号，多径信号在接收时易于分辨，抗多径干扰能力很强；系统结构简单。[4]上述的这些特点使得超宽带技术非常适用于矿井通信。在矿井中，可以利用超宽带信号频带宽的特点来增加信号传输距离，且由于超宽带技术功耗低，有利于“本安型”电路的设计。

采用超宽带技术的矿井无线通信系统架构分为三层，底层为UWB无线网络，中层为无线传输网络，顶层为井上监控管理中心。UWB无线网络采用网状拓扑结构，其节点广泛分布在矿井巷道和工作面。子节点将监控区内的监测数据采集、传输，并通过无线网络与主节点进行通信，将数据发送至主节点；接收主节点发来的控制信息，完成监测任务。主节点接收本区域子节点传送来的数据，并负责数据的融合、转发，以及控制信息的交互。整个无线通信网络及时、可靠、准确地完成底层信息的采集、汇总及传输。[5]

超宽带技术所具有的低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，能够很好地对矿井进行实时监测，尤其在水灾、火灾、塌方等恶性事故救生抢险中能起到至关重要作用。

3 认知无线电技术

目前煤矿使用的无线通信系统，如CDMA通信系统、WiFi通信系统等在长时间工作后常常使收发信号的灵敏度下降；在巷道拐点、坡道等无法正常传输数据；发生矿难时，现有通信系统完全瘫痪，降低救援效率。认知无线电（Cognitive Radio，CR）的核心思想是其具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。认知通信系统作为智能通信系统，对环境变化变化以及网络控制指令可做出及时反应，即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，为矿难救助等提供重要信息。因此，把认知无线电技术和现有通信系统结合起来，就可以克服目前矿井系统中存在的缺点，实现高可靠性的监测网络系统。[6]

矿井认知通信系统的结构分为3层，底层为认知网络，向上依次为传输网络、井上监控中心。底层无线认知网络的结构从下向上分别为认知节点、簇头节点、网关。认知节点采集信息，通过上级的簇头节点集中传送矿井内的数据、信息到网关，再由网关经传输网络上传到地面监控中心；同时地面监控中心将控制信息通过传输网络和认知网络传送至底层节点。底层的认知网络被分成许多的子小区，认知节点可采用分布式和集中式混合的方式进行组网，每个子小区中有一个簇头节点，认知节点在每个子小区内按照地理环境不同进行分布式放置，簇头节点作为子小区的中心和簇外进行通信转发或接入。[7]网关连接无线认知网络及互联网等外部网络，实现协议栈之间的通信转换；同时，发布监控中心的监控信息，并把收集到的数据通过传输网络传至井上的监控中心。

认知网络能够根据巷道的通信环境自适应的做出改变，并提供接入现有千兆工业网络的通信API实现井下生产环境的全方位监控和自动调整。

4 结论

本文分别简介了LTE、超宽带技术、认知无线电技术，并详述了这三种技术应用在矿井无线通信系统的优势，设计了相应的无线系统结构及组网方案，并进行了功能分析。三种无线通信系统在通信速率、可靠性、准确性都各有优点，在矿井无线通信系统中都具有广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]孙继平.现代化矿井通信技术与系统[J].工矿自动化，2013，39（3）：1-5.

[2]霍振龙，顾义东，李鹏.LTE通信技术在煤矿的应用研究[J].工矿自动化，2016（1）：10-12.

[3]杜安平.LTE在矿井无线通信系统中的应用[J].工矿自动化，2015，41（7）：88-89.

[4]樊荣，宋文，黄强.矿井无线通信系统研究与发展[J].西安科技大学学报，2010，30（4）：471-474.

[5]张文祥，马银花.UWB技术在矿井无线通信系统中的应用研究[J].移动通信，2008（10）：44-46.

[6]胡青松，张申，陈艳.煤矿认知网络体系结构设计[J].煤炭工程，2010（6）：108-111.

[7]王泉夫，陈丽华，钟强，等.认知无线电在矿井无线传感器网络系统中的应用[J].传感器与微系统，2009，28（8）：113-115.

[责任编辑：田吉捷]