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        基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)研究

        2014-04-29 04:05:06朱賽虎
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:核心網(wǎng)無線煤礦

        【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)、自動化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能化和自動化的煤礦安全生產(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、自動化、智能化的煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng),全過程對煤礦開采進(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)效益和社會效益。

        一、無線通信技術(shù)發(fā)展歷程概述

        對于無線通信技術(shù),主要經(jīng)歷了幾個階段[2]:第一階段,無線個域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術(shù),無線個域網(wǎng)具有活動半徑下、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,其通信方式相對較差,不僅可能會延長網(wǎng)絡(luò)傳輸時間,還不能用于實(shí)時監(jiān)測,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)對移動終端用戶的服務(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間、任何地點(diǎn)使用無線網(wǎng)絡(luò),其中,TD-LTE(分時長期演進(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,隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展,建立基于4G通信技術(shù)的無線移動通信系統(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)無線移動通信系統(tǒng)架構(gòu)

        針對當(dāng)前煤礦生產(chǎn)對無線移動通信系統(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)時傳輸,也可以有效避免數(shù)據(jù)丟包、延時等問題。下面對基于4G通信技術(shù)的無線移動通信系統(tǒng)進(jìn)行對比分析:

        表1 4G與3G無線通信系統(tǒng)參數(shù)對比

        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,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EPC核心網(wǎng)的優(yōu)勢來實(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。利用分布式高性能計(jì)算機(jī)框架架構(gòu)來建立一個安全、可靠、統(tǒng)一的綜合應(yīng)用系統(tǒng)平臺,為了構(gòu)建靈活、適用強(qiáng)的處理平臺,應(yīng)在軟件處理平臺基礎(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)存儲及應(yīng)用接口,從而實(shí)現(xiàn)自動化管理的應(yīng)用系統(tǒng)。

        (二)無線移動通信系統(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,主叫號碼識別顯示業(yè)務(wù),其主要功能是提供主叫用戶號碼給被叫用戶。

        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)自動化的信息共享功能,與公眾無線移動通信相比,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,對于視頻通話,通過手機(jī)實(shí)時進(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),同時也可以提供實(shí)時信息;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)時監(jiān)控等功能,將綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件實(shí)時顯示功能,當(dāng)煤礦井下出現(xiàn)異常情況,系統(tǒng)將會提供自動報(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、信號強(qiáng)、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn),將無線移動通信系統(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)的煤礦無線移動通信系統(tǒng)具有十分重要的意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃文勤.基于4G通信技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng)研究[J].信息通信,2013(07):190.

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        [3]李煒鍵,孫飛.基于4G通信技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)安全通信分析[J].電力信息與通信技術(shù),2014(01):127-131.

        [4]李美艷.基于LTE技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù),2014(02):54-55+96.

        [5]李培煊,強(qiáng)蕊.基于WiFi的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011(04):139-143.

        [6]陳湘源.煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工礦自動化,2009(01):33-36.

        [7]鄭學(xué)召.礦井救援無線多媒體通信關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué),2013.

        [8]楊斌,楊曉輝,宋永寶.基于TD-SCDMA技術(shù)的煤礦井下無線通信系統(tǒng)研究[A].煤礦綜合自動化與機(jī)電技術(shù)[C].2012:4.

        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。

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