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融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫偉強(qiáng)

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210019）

摘 要通過結(jié)合成熟商用的TD-SCDMA技術(shù)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)各自的技術(shù)優(yōu)勢和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了一種融合兩種通信技術(shù)的煤礦專網(wǎng)系統(tǒng)方案。通過實(shí)驗(yàn)巷道測試數(shù)據(jù)的分析，體現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O大優(yōu)勢，也補(bǔ)充了TD-SCDMA系統(tǒng)熱點(diǎn)區(qū)域高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的覆蓋限制和容量不足，并對(duì)后續(xù)通信技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用提供強(qiáng)力支持和指導(dǎo)借鑒。

關(guān)鍵詞TD-SCDMA; Wi-Fi; 礦井通信; 網(wǎng)絡(luò)融合; 無線通信

1　引言

伴隨著國家能源的市場化運(yùn)行，煤炭行業(yè)在我國能源體系中的戰(zhàn)略地位越來越重要，國家多年前就提出建設(shè)“數(shù)字化礦井”，即用先進(jìn)的高科技通信技術(shù)手段來提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。由此，根據(jù)現(xiàn)有的多種無線通信技術(shù)特點(diǎn)，并與煤礦行業(yè)緊密結(jié)合設(shè)計(jì)出符合自身建設(shè)的專網(wǎng)系統(tǒng)尤為重要,其采用的通信技術(shù)如PHS小靈通、CDMA450大靈通、Wi-Fi無線局域網(wǎng)、TD-SCDMA無線通信技術(shù)等[1]。由于煤礦井下環(huán)境差、巷道分布多、干擾信號(hào)源繁雜,使得對(duì)礦用無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。但就當(dāng)前通信技術(shù)而言，要實(shí)現(xiàn)全礦井的高質(zhì)量通信，僅靠單一的通信體制或單一的通信設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的，所以必須依靠多種技術(shù)、多種通信設(shè)備的相互融合來實(shí)現(xiàn)。

2　系統(tǒng)性能對(duì)比分析

TD-SCDMA系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)的主要功能對(duì)比，如表1所示。

表1　TD-SCDMA與Wi-Fi系統(tǒng)性能對(duì)比

對(duì)比上述兩種通信技術(shù)的特點(diǎn)，如果將Wi-Fi技術(shù)和TD-SCDMA技術(shù)在同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，其中Wi-Fi作為TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的補(bǔ)充通道，可提供給網(wǎng)絡(luò)用戶基于TDSCDMA技術(shù)的移動(dòng)性和高質(zhì)量話音業(yè)務(wù)，同時(shí)又能使企業(yè)用戶享受基于Wi-Fi無線寬帶接入的高速數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務(wù)。

3　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)方案的融合分析

TD-SCDMA技術(shù)與Wi-Fi系統(tǒng)的融合涉及的層次主要有三種，分別為業(yè)務(wù)融合、技術(shù)融合和網(wǎng)絡(luò)融合[2]。

業(yè)務(wù)融合方面，對(duì)網(wǎng)絡(luò)用戶來說保障現(xiàn)有的服務(wù)質(zhì)量是整個(gè)融合過程的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上提供更加豐富的擴(kuò)展業(yè)務(wù)。

技術(shù)融合方面，TD-SCDMA技術(shù)要能在保持自己優(yōu)勢技術(shù)的同時(shí)，吸收融合Wi-Fi的先進(jìn)性能，使得兩大通信技術(shù)互相融合和促進(jìn)，并相互最大限度的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充。由此系統(tǒng)性能大幅度提升，支持更高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)、更高質(zhì)量的實(shí)時(shí)話音服務(wù)以及更高的用戶移動(dòng)性。

網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)包括兩種通信技術(shù)，保證移動(dòng)終端在融合網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行無縫漫游和切換，系統(tǒng)方案可提供廣域覆蓋下的話音服務(wù)和中低速數(shù)據(jù)服務(wù)，以及熱點(diǎn)覆蓋下的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 TD-SCDMA與Wi-Fi融合方案設(shè)計(jì)

由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定位為熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋，因此在組網(wǎng)初期，優(yōu)先考慮熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，后期根據(jù)需求擴(kuò)大覆蓋范圍。在原有煤礦專網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，減少對(duì)設(shè)備的改造，提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，保障業(yè)務(wù)的QoS（Quality of Service,服務(wù)質(zhì)量）。此方案以煤礦TDSCDMA無線通信系統(tǒng)為主干，在礦井熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，具體組網(wǎng)方案如圖1所示。

融合方案系統(tǒng)采用分布式部署架構(gòu)，即“光纖拉遠(yuǎn)分布式基站”部署方案，這種方案部署場景更靈活，組網(wǎng)更簡單，充分滿足煤礦通信專網(wǎng)在各種復(fù)雜情況和地質(zhì)條件下的組網(wǎng)要求[3]。融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：

（1）綜合網(wǎng)絡(luò)控制器（TDR100）：通過簡化并集成公網(wǎng)的RNC（無線網(wǎng)絡(luò)控制器，Radio Network Controller）及CN（核心網(wǎng)，Core Network），主要完成用戶業(yè)務(wù)的接入和綜合處理功能。

（2）交換調(diào)度機(jī)（TDS100）：主要完成系統(tǒng)用戶簽約數(shù)據(jù)的管理，核心交換與調(diào)度功能。

（3）網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通功能。

（4）井下本安型基站（TDU150）：井下礦用RRU（射頻拉遠(yuǎn)模塊），屬于本質(zhì)安全型基站，用于井下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。其中TDU150礦用本質(zhì)安全型無線基站提供手機(jī)接入的無線接口，接收來自手機(jī)的射頻信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)提取出基帶數(shù)據(jù)，傳輸給基站主設(shè)備進(jìn)行編解碼處理，或者將來自基站主設(shè)備的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行AD/DA變換和變頻調(diào)制后，發(fā)送給移動(dòng)終端。

（5）井上的主要設(shè)備還包括：調(diào)度臺(tái)，主要完成對(duì)井下手機(jī)終端的組呼、群呼等集群調(diào)度功能；操作維護(hù)中心，負(fù)責(zé)完成相關(guān)設(shè)備的配置、維護(hù)、故障和告警等管理功能；其他管理中心用于加載其他業(yè)務(wù)的服務(wù)軟件，包括視頻監(jiān)控、瓦斯監(jiān)控、煤炭產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)

3.3 專網(wǎng)系統(tǒng)方案的功能及特點(diǎn)

TD-SCDMA和Wi-Fi融合的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)的功能包括：

（1）話音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、分組業(yè)務(wù)、可視電話業(yè)務(wù)等增強(qiáng)業(yè)務(wù)；

（2）話音調(diào)度功能，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度會(huì)議、組呼、錄音、監(jiān)聽、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等功能；

（3）支持寬帶數(shù)據(jù)的接入，支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可搭載人員定位、高清圖像、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)的傳送；

（4）支持專網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)電話的互通，支持專網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)電話和固話的互通，支持專網(wǎng)與公網(wǎng)的互通；

（5）提供開放的接口，支持與行業(yè)現(xiàn)存管理系統(tǒng)的互通。

另外還可以通過內(nèi)置的802.11b/g模塊，為礦井現(xiàn)場提供更高傳輸速率的Wi-Fi無線信號(hào)覆蓋，滿足高清視頻監(jiān)控等應(yīng)用。

將TD-SCDMA系統(tǒng)基站與Wi-Fi基站融合，減少了井下工程施工、布線的復(fù)雜性。雙通道、合路天線設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)不同方向的定向覆蓋技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA、Wi-Fi信號(hào)的拐角、拐點(diǎn)無縫覆蓋；可調(diào)的功率設(shè)計(jì)，靈活滿足企業(yè)的無線覆蓋要求[4]。

井下設(shè)備全部采用光纖連接，不涉及電信號(hào)，安全可靠，無打火危險(xiǎn)，符合礦井作業(yè)規(guī)程的規(guī)定，嚴(yán)格滿足防塵、防水、耐腐蝕的要求。光纖通信具有頻帶寬、信號(hào)容量大、傳輸質(zhì)量高、保密性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于煤礦井下的工作面、采掘面等重點(diǎn)區(qū)域，需要布設(shè)多個(gè)無線傳感器，以實(shí)現(xiàn)把井下巷道的氧氣，甲烷和溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)骄希恍枰荚O(shè)無線攝像機(jī)，對(duì)井下實(shí)施視頻監(jiān)控，滿足指揮調(diào)度平臺(tái)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。消除視頻監(jiān)控盲點(diǎn)；減少由于工作面環(huán)境惡劣、煤塵污染嚴(yán)重對(duì)作業(yè)人員帶來的身體危害[5]。

除此之外，這些區(qū)域還要能滿足高質(zhì)量電話、可視電話、視頻會(huì)議，收發(fā)郵件等豐富的業(yè)務(wù)功能。這些井下的重點(diǎn)區(qū)域就是煤礦TD-SCDMA專網(wǎng)系統(tǒng)中的熱點(diǎn)區(qū)域，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求較高，單一的依靠TDSCDMA系統(tǒng)不能滿足這些業(yè)務(wù)的要求。因此，可以考慮利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)有效分擔(dān)TD-SCDMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量，使用戶可以享受高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 而不受TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)速率的限制，保障了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速及可靠傳輸。

3.4 測試及結(jié)果分析

礦下無線Wi-Fi設(shè)備通過井下基站AP接入，經(jīng)由AP模塊的RJ45接口連入專網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備，由光纖實(shí)現(xiàn)與地面綜合網(wǎng)絡(luò)控制器TDR100的Iub口數(shù)據(jù)透傳，直接轉(zhuǎn)到地面以太網(wǎng)交換機(jī)，經(jīng)過交換機(jī)連接到地面調(diào)度中心或外部的網(wǎng)絡(luò)。

專網(wǎng)系統(tǒng)基站側(cè)網(wǎng)絡(luò)處理器（NP）在主控板上，每個(gè)BBU板卡上有一個(gè)Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸專用DSP （Digital Signal Processor,數(shù)字信號(hào)處理器），DSP對(duì)應(yīng)3個(gè)光口的Wi-Fi傳輸，每個(gè)光口可以級(jí)聯(lián)6級(jí)RRU，最大拉遠(yuǎn)傳輸40 km。在減少礦用中繼設(shè)備的同時(shí)，極大的節(jié)約成本。

在實(shí)際模擬巷道實(shí)驗(yàn)室測試井下終端接入AP的上傳、下載，TDR100位于地面機(jī)房，在巷道中分別布設(shè)TDU100，與地面系統(tǒng)之間用光纖連接，由于井下沒有GPS信號(hào)，需要在巷道中每10 m設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)速率測試。建立測試小區(qū)并開啟，設(shè)置發(fā)射功率為10 dBm，進(jìn)行FTP下載并處于連接保持狀態(tài)，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)處停留1 min并記錄測試值。測試記錄見表2、表3所示。

通過表2和表3的結(jié)果分析，測試終端上傳最大速率可達(dá)14.47 Mbit/s，平均值均能大于8 Mbit/s，下載速率也有大幅度的提高，平均傳送速率在20 Mbit/s，還說明上下行速率都隨著距離服務(wù)小區(qū)的增加而依次降低，符合無線通信的速率要求。不論上傳還是下載速率相比單一的TD-SCDMA系統(tǒng)理論值有了很大的改觀，這將實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi技術(shù)與TD-SCDMA系統(tǒng)的折中，以此可確保融合方案的可行性。

4　總結(jié)

測試結(jié)果確定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及深井巷道環(huán)境下電波傳播情況，由此也可得到井下的傳播模型。結(jié)合TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)勢，在滿足煤炭行業(yè)用戶高質(zhì)量話音通話和視頻通話業(yè)務(wù)的TD-SCDMA主干網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提供井下熱點(diǎn)區(qū)域布配Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，以此很好的解決這些區(qū)域內(nèi)的高速數(shù)據(jù)上傳下載業(yè)務(wù)的需求。這種相互融合和互補(bǔ)滲透的系統(tǒng)方案對(duì)煤礦無線通信的組網(wǎng)提供了借鑒和指導(dǎo)，采用小區(qū)合并的組網(wǎng)技術(shù)和不采用此技術(shù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能的區(qū)別，為后期的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化工作奠定基礎(chǔ)[6]。鑒于TD-SCDMA系統(tǒng)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的融合還處于起步階段，如何充分發(fā)揮不同網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，更好的保障煤炭專網(wǎng)的可靠性、安全性和有效性，將成為一個(gè)通信技術(shù)和煤炭行業(yè)用戶深入研究的課題，并為我國煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)和有效管理提供即時(shí)的服務(wù)。

表2　Wi-Fi上傳測試

表3　Wi-Fi下載測試

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Design and application of TD-SCDMA network system for coal mine integrated with Wi-Fi

SUN Wei-qiang

(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

AbstractThrough the combination of proven commercial TD-SCDMA technology and Wi-Fi network, this paper researched and designed a network system solution for coal mine. The analysis of experimental tunnel test data showed the great advantages of using Wi-Fi networks high speed data transmission, and also made up for the coverage limit and capacity lack of TD-SCDMA system hotspot high-speed data service, and provided strong support and guidance for subsequent application of communication technology in the coal industry.

KeywordsTD-SCDMA; Wi-Fi; mine communication; network convergence; wireless communication

收稿日期：2014-11-17

文章編號(hào)1008-5599（2015）01-0019-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

中圖分類號(hào)TN929.5