康德明

摘 要：WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到煤礦井下是一種新的解決礦井無線通訊方案，其主要是發(fā)展一種低成本的無線網(wǎng)絡(luò)，在煤礦有較好的發(fā)展前景。本文根據(jù)煤礦對(duì)井下無線調(diào)度系統(tǒng)的需求，提出將WiFi無線技術(shù)與VOIP技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的方案。

關(guān)鍵詞：WiFi技術(shù)；VOIP技術(shù)；IP電話

井下通信系統(tǒng)是煤礦安全防護(hù)及生產(chǎn)調(diào)度必不可少的設(shè)施，目前我國(guó)井下主要通信為有線方式。由于井下環(huán)境差，巷道分布多，干擾信號(hào)源多，對(duì)井下無線通信造成極大的阻礙，但隨著技術(shù)發(fā)展，近年泄露技術(shù)、小靈通技術(shù)、無線對(duì)講技術(shù)及WiFi技術(shù)相繼用于煤礦井下。尤其是WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)的相結(jié)合具有很多優(yōu)勢(shì)，正大規(guī)模的應(yīng)用于井下的各個(gè)方面。

1 WiFi技術(shù)分析

1.1 WiFi技術(shù)簡(jiǎn)介

WiFi（Wireless Fidlity）又稱為802.11b標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4Ghz直接序列擴(kuò)頻，最大傳輸速率為54bit/s，并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸速率調(diào)整為5.5bit/s、2bit/s及1bit/s，在2.4Ghz及5ghz頻段上免許可，具有成本低、終端便攜、寬帶等特點(diǎn)，組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)，站點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)集線器的所有功能?？偟膩碚f，WiFi技術(shù)屬于短距離無線技術(shù)，覆蓋范圍可達(dá)幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。WiFi有著“無線版本以太網(wǎng)”的美稱，世界上至少有80%以上的局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，其幾乎可以視為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在無線領(lǐng)域的延伸。由于WiFi協(xié)議本身限制其設(shè)備的功率，使無線設(shè)備可以設(shè)計(jì)成符合煤礦安全要求的本質(zhì)安全型設(shè)備，增加在井下的使用范圍，并且可以改變井下無線通訊長(zhǎng)久以來一直徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀，使無線通訊方式在井下得到更多的運(yùn)用。

1.2 WiFi與相關(guān)技術(shù)的比較

目前國(guó)內(nèi)外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS（小靈通）通信、3G（大靈通）通信系統(tǒng)等。

與WiFi技術(shù)相比，漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導(dǎo)致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。而感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。面臨同樣問題的是透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大、重量重、信道容量小、地面設(shè)備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問題。

PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)都存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷?？紤]到礦井下的特殊性和經(jīng)濟(jì)性，還是選用WiFi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

1.3 WiFi網(wǎng)絡(luò)基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)Access Point（AP）及一個(gè)或多個(gè)客戶端。每個(gè)接入點(diǎn)（AP）每隔一定時(shí)間將服務(wù)單元標(biāo)識(shí)SSID（Service Set Identifier）經(jīng)由beacons（信號(hào)臺(tái)）封包廣播一次?；谌鏢SID這樣的設(shè)置，客戶端可以決定是否聯(lián)結(jié)到某個(gè)接入點(diǎn)（AP）。若同一個(gè)SSID的兩個(gè)接入點(diǎn)（AP）都在客戶端的接收范圍內(nèi)，客戶端可以更具信號(hào)的強(qiáng)度選擇與那個(gè)接入點(diǎn)的SSID聯(lián)結(jié)。

1.4 WiFi網(wǎng)絡(luò)的操作模式

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義兩種基本操作模式：infrastructure模式和ad hoc自組網(wǎng)絡(luò)模式。

（1）Infrastructure模式，屬于有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)。組成結(jié)構(gòu)至少包括一個(gè)與無線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接入點(diǎn)AP，模式也可以通過門橋提供與有線網(wǎng)絡(luò)即因特網(wǎng)入口相連接的可能性。這種配置（一個(gè)ap及若干站點(diǎn)的組合）可以構(gòu)成一個(gè)基本服務(wù)集合BSS。在通一個(gè)BSS覆蓋范圍內(nèi)，所有的站點(diǎn)都使用相同的無線頻率。

（2）ad hoc自組網(wǎng)絡(luò)模式。由一組客戶終端組成，作為獨(dú)立的基本服務(wù)單元BSS即IBSS（Independent Basic Service Set）。該模式不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施（如接入點(diǎn)AP或到分配系統(tǒng)的連接）的支持就可以實(shí)現(xiàn)其覆蓋范圍內(nèi)的站點(diǎn)之間的通信。每個(gè)站點(diǎn)不需要通過接入點(diǎn)AP就都可以與相同IBSS下的任何其他站點(diǎn)建立通信。

2 VOIP技術(shù)分析

2.1 VOIP的基本原理與實(shí)現(xiàn)方式

（1）VOIP的基本原理

VOIP（Voice Over IP）其實(shí)就是IP電話，是基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音傳輸技術(shù)。其基本原理是通過語音壓縮算法對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓縮處理后，恢復(fù)成原來的語音信號(hào)，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。IP電話系統(tǒng)把普通電話的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)也將接收到的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號(hào)。廣義的VOIP技術(shù)還可以進(jìn)行包括話音、傳真、數(shù)據(jù)甚至圖像的傳輸。

（2）VOIP的實(shí)現(xiàn)方式

目前，VOIP終端的實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：帶揚(yáng)聲器的個(gè)人電腦PC、傳統(tǒng)電話機(jī)、IP電話機(jī)。每種終端連接不同的網(wǎng)絡(luò)，并且都支持相互間的通信。其中，IP電話機(jī)是一種新的電話終端，具有以太網(wǎng)或非對(duì)稱數(shù)字用戶線路ADSL借口，只需將IP話機(jī)連接在家中的寬帶網(wǎng)接口上，并通過話機(jī)鍵向服務(wù)提供商進(jìn)行注冊(cè)，就可以像普通電話機(jī)一樣進(jìn)行通信。

3 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)原理與模型建立

3.1 井下無線通信系統(tǒng)工作原理

井下無線通信系統(tǒng)是基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議為基本構(gòu)架，以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個(gè)系統(tǒng)的主干傳輸平臺(tái)，形成有線主干與無線終端相結(jié)合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)煤礦寬帶無線通訊。

系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單來說就是位于地面的管理主機(jī)通過交換機(jī)為進(jìn)入到無線信號(hào)覆蓋區(qū)域的每一臺(tái)手持機(jī)分配一個(gè)IP地址，并自動(dòng)為其在管理軟件中注冊(cè)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，注冊(cè)后的IP話機(jī)即可進(jìn)行正常通話。

3.2 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)模型建立

在煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的需求與目標(biāo)，建立以下基于WiFi技術(shù)的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)模型，如圖1.1：

基于WiFi的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)實(shí)際上就是用軟交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)IP電話的控制系統(tǒng)即IPPBX；然后通過WiFi無線技術(shù)將承載話音的IP包傳輸?shù)骄?，?shí)現(xiàn)井下的WiFi無線通信；并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)IP電話的調(diào)度功能。該模型可分為三層結(jié)構(gòu)：（1）數(shù)據(jù)源：包括WiFi手機(jī)，IP電話，廣播等多媒體終端。這些終端的信息經(jīng)過VOIP處理器編碼，打包；經(jīng)過模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換；及射頻發(fā)射和接收來實(shí)現(xiàn)與WiFi網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。（2）承載傳輸層：包括井下WiFi無線網(wǎng)絡(luò)、及各種協(xié)議接口。該層負(fù)責(zé)將承載了語音的IP包通過傳輸網(wǎng)送達(dá)目的地。（3）應(yīng)用處理層：包括IPPBX、調(diào)度臺(tái)、調(diào)度主機(jī)、媒體服務(wù)器等。該層負(fù)責(zé)呼叫控制、強(qiáng)拆、錄音等功能。

3.3 WiFi技術(shù)在礦井應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)

WiFi技術(shù)就是基于802.11標(biāo)準(zhǔn)建立的，它具有部署方便、成本低廉、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。

（1）無線電波的覆蓋范圍廣

WiFi的覆蓋半徑基本上能達(dá)到100米左右，而普通的藍(lán)牙技術(shù)基本上只能覆蓋15米左右半徑的區(qū)域。

（2）價(jià)格低廉

WiFi網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本相對(duì)于傳統(tǒng)的局域網(wǎng)布線成本要低，WiFi網(wǎng)絡(luò)只需要安裝一定數(shù)量的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（AP）就可以滿足制定區(qū)域信號(hào)的覆蓋，可以避免固定局域網(wǎng)繁瑣的布線工程。

（3）傳輸速率快，網(wǎng)絡(luò)可靠性高

WiFi最高帶寬為11Mbps，在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可以調(diào)整為5.5或2.1Mbps，帶寬的調(diào)整有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

WiFi無線傳輸技術(shù)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，基于WiFi技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用層出不窮。本文緊跟通信技術(shù)前沿，分析了基于WiFi無線技術(shù)的井下無線通信系統(tǒng)，可以有效地將井下數(shù)據(jù)信息傳遞到地面調(diào)度中心。憑借WiFi技術(shù)的無線節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)、組網(wǎng)快速簡(jiǎn)單、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)等特點(diǎn)，該系統(tǒng)在礦井調(diào)度和應(yīng)急中有著很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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