【摘要】隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)已成為了煤礦安全生產(chǎn)的重要手段，在無線通信技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代下，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涌現(xiàn)在人們面前，因此，采用基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】4G;通信技術(shù);煤礦;無線通信系統(tǒng)

隨著全I(xiàn)P化的4G演進(jìn)[1]，4G無線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，由于煤礦開采是一項(xiàng)施工復(fù)雜、具有危險(xiǎn)性的工程，這就對(duì)煤礦無線通信系統(tǒng)提出了新的要求，采用4G通信技術(shù)來建立信息化、自動(dòng)化、智能化的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，全過程對(duì)煤礦開采進(jìn)行監(jiān)控管理，確保煤礦開采安全生產(chǎn)，從而提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、無線通信技術(shù)發(fā)展歷程概述

對(duì)于無線通信技術(shù)，主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段[2]：第一階段，無線個(gè)域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術(shù)，無線個(gè)域網(wǎng)具有活動(dòng)半徑下、面向特定群體的特點(diǎn)，如藍(lán)牙、RFID等，而無線局域網(wǎng)的的工作模式主要分為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、自組織網(wǎng)絡(luò)等兩種模式，通過利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來訪問有限網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行相互通信，從而實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的安全架構(gòu)模式;第二階段，2G通信技術(shù)，其全稱為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡稱為GSM，具有覆蓋面積廣、網(wǎng)絡(luò)可靠性高的特點(diǎn)，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，其通信方式相對(duì)較差，不僅可能會(huì)延長網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，還不能用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，雖然無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)（GPRS）的實(shí)現(xiàn)可以允許用戶實(shí)現(xiàn)端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且該技術(shù)不需要利用電路交換就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸，但該技術(shù)仍存在許多不足之處，如數(shù)據(jù)包丟失、調(diào)制方式滯后等;第三階段，3G通信技術(shù)，其主要是利用不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的無縫漫游技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端用戶的服務(wù)，3G通信技術(shù)的出現(xiàn)，不僅有助于提高通信的質(zhì)量，還可以提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，并且也具有一定的安全性，其充分考慮了網(wǎng)絡(luò)接入安全、應(yīng)用域安全及網(wǎng)絡(luò)域安全等，但是，3G通信技術(shù)也有一定的缺陷，包括：其語言交換系統(tǒng)仍然采用2G系統(tǒng)的電路交換方式;3G數(shù)據(jù)傳輸接入速度有限等;第四階段，4G通信技術(shù)，其是3G通信技術(shù)與無線局域網(wǎng)技術(shù)融為一體的，并能高速度傳輸視頻圖像的技術(shù)產(chǎn)品，其下載及上傳速度可以分別達(dá)到100Mb/s，50Mb/s以上，如圖1所示，表示 4G無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，4G無線通信技術(shù)的應(yīng)用，用戶則可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)使用無線網(wǎng)絡(luò)，其中，TD-LTE（分時(shí)長期演進(jìn)）是基于3GPP演進(jìn)的一種通信技術(shù)，TD-LTE屬于LTE的一個(gè)分支。

圖1 4G無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

二、無線通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采的重要意義

由于煤炭生產(chǎn)的施工環(huán)境比較復(fù)雜，井下人員較多，設(shè)備流動(dòng)性也較大，在生產(chǎn)操作中，常常采用多工種聯(lián)合流水作業(yè)的形式進(jìn)行煤礦開采，這就要求需要大量的重型設(shè)備參與到煤礦生產(chǎn)中，無論是在設(shè)備運(yùn)輸中，還是在安裝、調(diào)試中，其都有較高的要求，若不注重煤炭井上井下的協(xié)同生產(chǎn)，則容易發(fā)生瓦斯爆炸等事故。然而，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，建立基于4G通信技術(shù)的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，其不僅可以確保煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行，還可以完成緊急事故的處理，因此，煤礦4G無線通信移動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，具有十分重要的意義。

三、基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)

（一）無線移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)對(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求，利用4G中的TD-LTE通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，建立信息化、自動(dòng)化、智能化于一體的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，打破當(dāng)前煤礦系統(tǒng)安全生產(chǎn)局面，將煤礦井下傳感器、視頻等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)部署，有效解決信息孤島的問題，確保煤礦安全生產(chǎn)，從而提高煤礦的生產(chǎn)效率。因此，建立基于分時(shí)長期演進(jìn)（TD-LTE）的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，由于基于4G通信技術(shù)的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)可以在頻譜帶寬20MHz下可以實(shí)現(xiàn)上行峰值速率和下行峰值速率分別為50Mb/s，100Mb/s，其接入時(shí)延可以小于100ms，如表1所示[3]，表示4G通信系統(tǒng)與3G無線通信系統(tǒng)的對(duì)比，因此，采用TD-LTE無線通信技術(shù)不僅可以滿足語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸，也可以有效避免數(shù)據(jù)丟包、延時(shí)等問題。下面對(duì)基于4G通信技術(shù)的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析：

表1 4G與3G無線通信系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

1.基于TD-LTE通信技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)。TD-TLE煤礦無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)主要由基站、接入網(wǎng)關(guān)、BRAS及核心網(wǎng)通信構(gòu)成，其中，核心網(wǎng)網(wǎng)元可以實(shí)現(xiàn)語音通信、數(shù)據(jù)傳輸及集群呼叫功能，其主要通過IMS+EPC+DSS集群模式來實(shí)現(xiàn)的[4]。

2.建立基于TD-LTE通信技術(shù)的基站通信系統(tǒng)。將Femto/Pico基站應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)建設(shè)中，增強(qiáng)區(qū)域的覆蓋范圍，通過自身的傳輸網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一接入到安全網(wǎng)關(guān)中，采用IP SEC的方式，以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸安全。當(dāng)基站通過提供WLAN AP來承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過程中[5]，其也可以通過PDG直接接入網(wǎng)絡(luò)來承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了確保提高高質(zhì)量、高傳輸速率的數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)，則可以通過直接接入3GPP核心網(wǎng)來滿足不同的產(chǎn)品需求，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)活動(dòng)，建立以Small Cell為基站的網(wǎng)管系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)下層無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與上層網(wǎng)管系統(tǒng)的對(duì)接。

3.建立基于IMS+EPC+DSS集群模式的核心網(wǎng)[6]。在系統(tǒng)中設(shè)置核心網(wǎng)，其主要作用是提供用戶連接、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)承載等功能，分析該系統(tǒng)的核心網(wǎng)系統(tǒng)AXUN iEPC-5[7]，其主要依托電信級(jí)EPC核心網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元MME、PGW等功能融為一體的模式，該核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)辦公、遙感業(yè)務(wù)、監(jiān)視控制及電子商務(wù)等基本業(yè)務(wù)，其可以為用戶提供安全可靠的LTE接入。另外，核心網(wǎng)系統(tǒng)還利應(yīng)用了IMS系統(tǒng)，其是一種全新的多媒體業(yè)務(wù)形式，其不僅可以滿足多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求，還可以實(shí)現(xiàn)LTE語音業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并且DSS核心網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)LTE的集群呼叫功能，DSS與EPC相比，其都采用了ATCA架構(gòu)，并且都可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化的核心網(wǎng)。

4.建立綜合應(yīng)用無線通信系統(tǒng)平臺(tái)。利用分布式高性能計(jì)算機(jī)框架架構(gòu)來建立一個(gè)安全、可靠、統(tǒng)一的綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，為了構(gòu)建靈活、適用強(qiáng)的處理平臺(tái)，應(yīng)在軟件處理平臺(tái)基礎(chǔ)上增加分析處理數(shù)據(jù)的專用支持工具，如支持LTE、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和終端的基站系統(tǒng)[8]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、視頻及語音等各類業(yè)務(wù)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及應(yīng)用接口，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理的應(yīng)用系統(tǒng)。

（二）無線移動(dòng)通信系統(tǒng)功能概述

1.調(diào)度功能。調(diào)度系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要通信手段，生產(chǎn)調(diào)度員通過利用調(diào)度功能來統(tǒng)籌調(diào)度所有資源，并對(duì)煤礦生產(chǎn)中各種突發(fā)狀況進(jìn)行處理，以保證煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行。調(diào)度功能主要包括生產(chǎn)進(jìn)程管理、煤礦生產(chǎn)流程整合及資源分配等功能。

2.語音業(yè)務(wù)。其主要包括以下幾種業(yè)務(wù)：第一，移動(dòng)電話，其可以提供語音通信功能;第二，緊急呼叫業(yè)務(wù)，當(dāng)煤礦井下的集群用戶發(fā)起緊急呼叫，呼叫中心將會(huì)做出答復(fù)，其類似與電話業(yè)務(wù)，具有簡單方便、快速的特點(diǎn);第三，主叫號(hào)碼識(shí)別顯示業(yè)務(wù)，其主要功能是提供主叫用戶號(hào)碼給被叫用戶。

3.集群通信。為了實(shí)現(xiàn)用戶之間的通信，利用無線集群通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的信息共享功能，與公眾無線移動(dòng)通信相比，無線集群通信系統(tǒng)不僅可以提供系統(tǒng)內(nèi)部的全呼、組呼之外，還可以提高雙向通話功能，通過建立優(yōu)先等級(jí)呼叫和緊急呼叫功能，以滿足煤礦生產(chǎn)安全部門指揮調(diào)度的需求。

4.增殖數(shù)據(jù)服務(wù)。在增殖數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，主要包括提供視頻通話、物聯(lián)網(wǎng)接入、手機(jī)終端定位、多種數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，其中，對(duì)于視頻通話，通過手機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行無線視頻業(yè)務(wù)，以便于井上工作人員的判斷和決策;數(shù)據(jù)網(wǎng)接入，通過利用3G通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)終端及無線傳感器等接口的采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)提供終端接入;手機(jī)終端定位，即利用4G無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)語音通話及礦用無線通信手機(jī)終端定位，即通過操作人員攜帶的手機(jī)與基站之間的信號(hào)傳輸來獲得操作人員在井下的信息，這樣地面上的工作人員則可以通過計(jì)算機(jī)來了解井下工作人員的信息，其可以確保煤礦井下的安全生產(chǎn)，同時(shí)也可以提供實(shí)時(shí)信息;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了滿足煤礦井下多種業(yè)務(wù)對(duì)寬帶的需求，實(shí)現(xiàn)高速分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并通過智能手機(jī)綁定內(nèi)部系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、視頻監(jiān)控及安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，將綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示功能，當(dāng)煤礦井下出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將會(huì)提供自動(dòng)報(bào)警提示功能。

四、結(jié)束語

建立基于4G無線通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)，利用TD-LTE無線通信技術(shù)來建立寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，由于TD-LTE無線通信技術(shù)具有覆蓋面積廣、信號(hào)強(qiáng)、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，將無線移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，不僅可以煤礦地面井下實(shí)時(shí)通信，也可以確保煤礦井下安全生產(chǎn)，因此，建立基于4G通信技術(shù)的煤礦無線移動(dòng)通信系統(tǒng)具有十分重要的意義。

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作者簡介：朱賽虎（1984—），男，江蘇丹陽人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，主要從事煤礦通信方面的技術(shù)支持、工程管理工作。