霍振龙1，2， 顾义东1，2， 李鹏3
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；
2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015；
3.北京比邻信通科技有限责任公司， 北京 100085)
摘要：分析了当前煤矿无线通信系统的现状以及矿井信息化、智能化发展对无线通信系统的应用需求，介绍了LTE通信技术的优势，提出了矿用LTE无线通信系统的网络架构设计，展望了LTE通信技术在煤矿的应用前景。
关键词：煤矿； 无线通信； LTE
煤矿无线通信系统是矿井信息化和安全生产管理的重要组成部分。目前，中国煤矿井下使用的无线通信系统有早期的漏泄无线通信系统、PHS(Personal Handy-phone System)无线通信系统和现在的3G无线通信系统、WiFi无线通信系统等，这些系统在信道的传输特性、技术升级及性价比方面各有优缺点，基本满足了以往矿井语音通信和部分数据通信的需求。但从井下设备的移动性和智能化要求以及紧急救援的需求来看，目前的煤矿无线通信系统还有许多可完善和升级的地方，LTE通信技术的出现为煤矿无线通信系统的升级提供了可靠的技术保障。本文在分析现有煤矿无线通信系统的现状和应用需求的基础上，结合LTE通信技术的特点，提出LTE通信技术在煤矿的应用前景。
矿井特定的工作环境和作业流程对通信技术的应用提出了许多特殊要求：① 数据传输。井下环境、设备工况的监测监控数据、图像及视频信息的传输等。② 流动性。机车的运输调度、巡检员等流动作业人员之间以及和调度员之间的信号联络、对移动设备的数据采集等。③ 即时性。设备及时维修、发生事故时组织紧急撤离和安全救护等。针对这些要求，各通信公司和研究院所科研人员进行了不懈的努力，并伴随着通信技术的发展，先后开发了多种矿用无线通信系统，主要包括漏泄无线通信系统、中频无线通信系统、PHS无线通信系统、CDMA2000无线通信系统、WiFi无线通信系统、TD-SCDMA无线通信系统和WCDMA无线通信系统等，这些系统在不同阶段基本满足了矿井安全生产的无线通信需求。但随着矿井信息化、智能化水平的提高，对通信的需求不断增加，除语音通信外，井下视频监控、环境监测监控、地质构造监测、巷道数据采集、即时信息发布、井下视频会议、辅助运输管理、矿井应急救援等也都会搭载到无线通信系统平台上。因此对无线通信的网络架构和数据传输速率都提出了新的要求，主要体现在以下方面：
(1) 高带宽：满足移动视频监控等大数据的传输需求。
(2) 低时延：保证语音、视频的传输质量和部分无线遥控功能的及时性。
(3) 组网灵活：煤矿井下不同场合对网络的需求不同，不同的网络需要统一的组网方案。
(4) 多种接口：环境监测监控系统、视频监视系统、IP广播系统、信息发布系统以及各种传感器对接口的要求不同。
(5) 适应性：在工作面等场合，无线信号受粉尘、支护和采掘设备的影响，传输效率明显降低，常规的无线覆盖方法无法满足现场的需求。
与以往的无线通信技术相比，LTE通信技术具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、终端功能强大、智能性高、兼容性好、通信增值服务多、通信质量高、频带使用效率高等优势。
(1) 通信速率高：LTE通信技术支持可变带宽，最高可达20 MHz，其下行峰值速率为100 Mbit/s、上行峰值速率为50 Mbit/s，是3G无线通信系统的几十倍。
(2) 频谱效率高：LTE通信技术引入了载波聚合、OFDM等技术，频谱效率较3G无线通信系统有较大改善，其下行链路频谱效率达5 bit/(s·Hz)、上行链路频谱效率达2.5 bit/(s·Hz)。
(3) 以高数据速率、低延迟、分组域业务优化为主要目标，LTE无线通信系统在整体架构上基于分组交换。
(4) QoS保证：无线通信中不同的应用具有不同的QoS需求，LTE无线通信系统通过严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)、网络浏览等不同类型业务的服务质量。
(5) 延迟低：用户平面内部单向传输时延小于5 ms；控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间小于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms。
(6) 融合性好：LTE无线通信系统采用全IP分布式结构，可与WiFi等不同的无线通信技术在下一代网络(NGN)架构下实现融合、共存，形成多层次的无线网络环境；LTE无线通信系统支持更丰富的移动业务，包括多媒体信息、视频通话、宽带数据传输、会议电视、虚拟现实等，用户可方便地获得任何所需的信息服务。
(7) 灵活性高：LTE通信技术支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25～20 MHz多种带宽；LTE无线通信系统采用全IP化网络架构，系统网络架构扁平化，系统组网、扩容灵活性高[1-5]。
3.1 网络架构设计
随着矿井信息化建设的不断推进，井下工业以太环网已成为矿井传输设备的基本配置，因此LTE通信技术应依托成熟的环网技术，采用全IP化网络架构，支持星形、树形、环形组网。矿用LTE无线通信系统网络架构设计具体如下：
(1) 系统兼容性方面：支持LTE单独组网、3G/LTE混合组网。
(2) 无线通信基站方面：除了具备高吞吐量、高容量、低时延外，还具备接入交换能力。以LTE空口协议支持LTE手机终端和基于LTE数据卡终端的各种传感器、摄像头、分站接入；支持以太网接口接入3G基站、WiFi基站、广播设备、井下定位分站、监测监控分站、近端摄像头、各种传感器，同时支持多个RS485/RS232/CAN接口接入各种传感器。
(3) 无线覆盖方面：主巷道空间大、空气干燥等条件相对较好的区域采用定向天线的方式；工作面粉尘浓度高、支护和移动设备多、无线信号传输相对困难的场合可采用漏泄电缆加中继器的方式。
(4) 地面系统方面：支持以3G/LTE融合核心网为中心的业务控制、业务路由、数据安全控制，支持以多媒体控制服务器为中心的语音、多媒体信息、多媒体会议、多媒体调度、集群等业务，并具备可扩充性和对第三方应用的开放性。
(5) 终端应用方面：支持一键呼叫、多媒体会议、集群呼叫、视频电话、即拍即传、实时视频上传、多媒体信息、位置导航等应用。
(6) 多网融合以及综合信息化方面：支持以LTE站点为接入节点的多系统设备接入，同时地面系统支持不同系统数据的分拣、转发[6-8]。
3.2 应用前景
LTE通信技术具备高带宽、高速、高效和即时等优势，可满足矿井不断增长的语音、数据尤其是视频通信的需求，具体可应用到以下方面：
(1) 远程安全监测：通过手机实时监测煤矿瓦斯、风速、温度、负压、CO等环境参数和各种机电设备开停、馈电、断电等设备运行参数；通过智能手机及其他移动终端查看监控现场的情况，也可点播历史监控录像。
(2) 安全量化管理：可对各级管理人员现场发现的隐患及整改情况进行实时监控，确保各类问题和隐患从查出到整改形成闭环。
(3) 辅助定位：通过LTE空口算法实现井下人员的精确定位功能(定位精度10 m)。
(4) 提供丰富多彩的多媒体业务应用：包括集群通信、语音通信、视频通信、多媒体调度、实时视频回传、即拍即传、视频会议、多媒体短信等业务服务，支持语音、数据及视频的多媒体融合调度。
(5) 井下设备的宽带接入：实现矿井各监测点(包括移动监测点和固定监测点，如机车、绞车、采掘工作面等场合)的实时数据和高清视频图像的无线传输功能。
(6) 多系统融合：支持LTE终端、LTE的各种CPE接入；支持WiFi基站、IP广播设备、井下定位分站、各种监测监控分站、近端摄像头、各种传感器的接入。可实现监测监控、人员定位管理、实时信息发布等功能。
(7) 有线/无线通信融合：LTE无线通信系统采用IP化架构设计，可方便地与采用软交换技术或IP-PBX交换机的有线网络调度通信系统融合，形成井上、井下有线、无线一体化的综合调度通信系统，提高矿井调度通信效率。
(8) 移动办公：可通过LTE网络及智能手机终端随时随地登录企业办公网络进行日常工作查看、处理，提高工作效率。
(9) 可视化应急指挥：利用LTE移动通信的便利性及高带宽传输特性，可在矿井发生紧急情况时，作为井上、井下可视化应急指挥系统使用，提高事故处理的及时性及针对性，减少灾害损失。
LTE通信技术能够提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的无线传输速率，其核心网通过IP传输网采用光纤网络或矿用工业以太网络将信号送到井下，再通过LTE无线通信系统的矿用井下基站及天线实现对矿井井下的无线网络覆盖，从而建立地面和井下的宽带综合网络通信承载系统，并以此为基础接入其他信息系统，以满足矿井信息化、智能化的通信需求，这将是矿井无线通信未来发展的一个主流。
参考文献：
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[8] 张晓莉,郭庆.基于TD-LTE技术的矿井宽带移动通信系统[J].煤矿安全,2015,46(2):112-114.
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，2016,42(1)：10-12.
HUO Zhenlong1,2, GU Yidong1,2, LI Peng3
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;
2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China;
3.Beijing Blingtel Technology Co., Ltd., Beijing 100085, China)
Abstract:Status of current coal mine wireless communication systems and application requirements of wireless communication system for mine informatization and intelligentization were analyzed, advantages of LTE communication technology was introduced, network structure design of mine-used LTE wireless communication system was proposed and application prospect of the LTE communication technology in coal mine was prospected.
Key words:coal mine; wireless communication; LTE
作者简介：霍振龙(1965-)，男，江苏常熟人，研究员，硕士，从事煤矿通信、矿井人员定位管理等技术的研发工作，E-mail:hzl@cari.com.cn。
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2013BAK06B05)；天地(常州)自动化股份有限公司研发项目(15SY001-07)。
收稿日期：2015-11-24；修回日期：2015-12-17；责任编辑：盛男。
中图分类号：TD655
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 15:51
文章编号：1671-251X(2016)01-0010-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.004