張曉光，胡文濤（.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州，305；.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州，305）

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LTE技術在煤礦無線通信系統(tǒng)中的應用分析

張曉光1，胡文濤2
（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州，213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州，213015）

摘要：結合煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，說明了LTE的發(fā)展過程及特點，并闡述了其關鍵技術；描述了基于該技術的系統(tǒng)組成架構，實踐表明該系統(tǒng)具有廣泛的應用價值和良好的發(fā)展前景。

關鍵詞：無線通信；LTE；OFDM；MIMO

0 引言

本世紀，伴隨著地面無線通信技術的革新，煤礦井下通信已由上個世紀產(chǎn)生的有線電話調(diào)度通信發(fā)展到有線、無線兩種通信并存的局面。近幾年，WIFI技術已逐漸成熟，3G通信方興未艾，具有語音、圖像和數(shù)據(jù)通信功能的全礦井移動通信系統(tǒng)已成為首選。LTE技術則是4G無線通信的過渡，更是實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)的重要一步。

1 LTE技術的演化進程及特點

LTE是移動寬帶化和寬帶無線化的融合，無線接入網(wǎng)的網(wǎng)元之間使用IP技術進行數(shù)據(jù)傳輸，即移動通信網(wǎng)IP化是二者融合的網(wǎng)絡基礎，其演化進程如圖1所示。

圖1 LTE演化進程圖

WCDMA技術和TD-SCDMA技術有著很大的作用，在此基礎上進行了較長時間的研究，使LTE技術項目得到了快速的發(fā)展。LTE技術已被當作無線通信技術領域的發(fā)展標準，因此其發(fā)展可以加快4G時代的到來。與3G相比，網(wǎng)絡性能更好，網(wǎng)絡成本更低，其主要技術特點如下：

（1）帶寬靈活配置：支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的帶寬。

（2）峰值速率更高：下行100Mbps，上行50Mbps。

（3）時延更小：用戶面不大于5ms，控制面不大于100ms。

（4）速率更快：速度大于300km/h的移動用戶接入速率不低于100kbps。

（5）網(wǎng)絡結構簡化：取消電路（CS）域和無線網(wǎng)絡控制（RNC）節(jié)點。

2 LTE關鍵技術分析

2.1OFDM技術

OFDM是真正適用于寬帶傳輸?shù)募夹g。OFDM就是利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。通過相互正交的子載波來實現(xiàn)多載波通信。在基帶相互正交的子載波就是類似｛sin（ωt）、sin（2ωt）、sin（3ωt）｝和｛cos（ωt）、cos （2ωt）、cos （3ωt）｝的正弦波和余弦波，屬于基帶調(diào)制部分。基帶相互正交的子載波再調(diào)制在射頻載波ωc上，成為可以發(fā)射出去的射頻信號。

在接收端，將信號從射頻載波ωc上解調(diào)出來，在基帶用對應的子載波通過碼元周期內(nèi)的積分把原始信號解調(diào)出來?；鶐渌虞d波與解調(diào)所用的子載波由于在一個碼元周期內(nèi)積分結果為0，相互正交，這樣在接收端無需分離頻譜就可將信號準確地接收下來。

OFDM系統(tǒng)通過多個正交的子載波來區(qū)分不同的信道，并行地承載數(shù)據(jù)。這種調(diào)制方式與其他制式的通信系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)勢：

首先，頻譜利用效率高。FDM系統(tǒng)的各信道之間留有一定的帶寬間隔，有限帶寬內(nèi)頻率的利用率低。OFDM的多個正交子載波可以相互重疊，無須保護頻帶來分離子信道，從而提高了頻率利用率，如圖2：

圖2 頻譜利用率圖

其次，帶寬配置靈活，且易于擴展。

（1）相對于帶寬固定的通信系統(tǒng)來說，運用LTE技術的系統(tǒng)實際工作帶寬可以靈活配置。在WCDMA系統(tǒng)里，上、下行帶寬均為固定的5MHz，不能改變；但在LTE系統(tǒng)里工作帶寬可能會出現(xiàn)某一時刻上行帶寬2MHz，下行帶寬20MHz，而下一時刻的上行帶寬1.5MHz下行帶寬5MHz的情況。

（2）工作頻率可以離散劃分，以往無線通信系統(tǒng)的工作頻率都是連續(xù)分配的。但是支持離散頻段的電路設計相對復雜，芯片等核心部件價格昂貴。在WCDMA系統(tǒng)中，5MHz的固定帶寬是連續(xù)的；而在LTE系統(tǒng)中，有六種帶寬配置，如果需要10MHz帶寬時，可以將這10MHz帶寬分配在不連續(xù)的頻率上，即這個頻段上分配3MHz，而另一個頻段上分配7 MHz，并且這兩個頻段并不相連，如圖3。LTE工作頻段有40個，支持從700MHz到2.6GHz等多種頻段。

圖3 帶寬分配圖

2.2MIMO

無線系統(tǒng)的多個發(fā)射天線和多個接收天線可以組成一個多入多出（MIMO）系統(tǒng)，成為一個高效的信息傳輸系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的發(fā)射部分和接收部分均采用多天線技術，多個信號數(shù)據(jù)流在空中并行發(fā)送，多個接收端同時接收，如圖4。

圖4 MIMO多個數(shù)據(jù)流并行傳輸

在發(fā)射端，輸入的數(shù)據(jù)流變成幾路并行地符號流，分別從Mt個天線同時發(fā)射出去；在接收端，從Mt個接收天線將信號接收下來，使用與發(fā)射端相逆的處理過程恢復出原始信息。多個數(shù)據(jù)流可以包含不同的數(shù)據(jù)，也可以包含相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流的不同就代表著信息的不同。不同的信息同時發(fā)射，意味著信息傳送效率的提升，也就是提高了無線通信的效率。同一個數(shù)據(jù)流的不同版本，就好比同樣的信息，不同的表達方式，并行發(fā)射出去。

3 LTE技術在礦井通信系統(tǒng)中的應用

圖5 系統(tǒng)組成圖

3.1系統(tǒng)結構

該無線通信系統(tǒng)分井上和井下兩部分。井上部分包括工控機、智能調(diào)度臺、網(wǎng)絡管理服務器、網(wǎng)關、交換機等；井下部分包括電源、基站、手機、攝像儀，如圖5所示。

3.2系統(tǒng)應用

該4G專業(yè)無線寬帶集群解決方案，它基于TD-LTE技術，在一張網(wǎng)絡內(nèi)同時提供專業(yè)級的語音集群，寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻監(jiān)控及視頻調(diào)度等豐富的多媒體通信手段。尤其是基于LTE的寬帶無線視頻，可實現(xiàn)720P、1080P對礦井的高清視頻監(jiān)視，可將井下特定工作區(qū)域的監(jiān)視畫面與領導或調(diào)度室進行共享。高速率的數(shù)據(jù)傳輸滿足了可靠性和實時性的要求。

LTE礦用無線通信系統(tǒng)支持基本的強插、強拆、互轉、會議等調(diào)度業(yè)務。除此之外，更充分發(fā)揮LTE支持可視電話業(yè)務的特點，調(diào)度臺可直接進行可視化調(diào)度，實時掌握被調(diào)度用戶的現(xiàn)場情況。

系統(tǒng)中，基站、手機、攝像儀均為本質(zhì)安全型無線設備。按照國家對煤礦產(chǎn)品的要求，無線設備的發(fā)射閾功率應不超過6W，該功率即是在一定的系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)，無線設備在發(fā)送天線口處的平均發(fā)射功率?；九c基站之間采用光纜傳輸，無需中繼器，單級之間連接距離最遠可達15km。

地面交換機具有以太網(wǎng)電接口和光接口，用于連接井上設備和井下基站，傳輸速率可根據(jù)10/100/

1000Mbps自適應。在無線能覆蓋的距離內(nèi)，井下任何一個站點均能放置基站?；局g的傳輸采用IP方式，可接入以太環(huán)網(wǎng)，支持光口或電口等多種方式。并且隨著巷道的分支和延伸，可以通過直接串聯(lián)基站的數(shù)量實現(xiàn)擴容，這樣不僅有效降低了工程難度喝施工成本，而且縮減了系統(tǒng)的日常維護成本。

4 結語

基于LTE技術的礦用無線通信系統(tǒng)通過接入各種無線終端，實現(xiàn)了高清晰語音通話、高質(zhì)量圖像監(jiān)視的功能。目前該系統(tǒng)已經(jīng)開始應用于我國煤礦井下，依靠高速率的數(shù)據(jù)傳輸，未來還可接入傳感器、精確定位卡等，搭建起感知礦山的平臺，進一步提高煤礦安全監(jiān)測水平和信息化管理能力。

參考文獻

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［5］王暉，余永聰，張磊，等.4G核心網(wǎng)絡規(guī)劃與設計［M］.人民郵電出版社，2016.

中圖分類號：TD67

文獻標識碼：A

作者簡介

張曉光（1983年11月），男，山東萊州人，漢族，工程師，工程碩士，現(xiàn)主要從事煤礦用通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品的檢驗工作。

基金項目：2014年國家高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目計劃：礦山監(jiān)控預警設備與儀器儀表安全準入分析驗證實驗室建設項目（基金編號2014ZX002）

Application Analysis of LTE Technology in Wireless Communication System of Coal Mine

Zhang Xiaoguang1，Hu Wentao2
（1.Changzhou Research Institute Limited Company.，Changzhou，213015，China；2.Tiandi（Changzhou） Automation Co.，Ltd.， Technolohy Co.，Changzhou，213015，China）

Abstract：Combined with the status quo and development tendency of coal mine wireless communication system，the paper illustrated the development process and characteristics of LTE，and expounded its key technologies，and described the system architecture based on the technology.The practice shows that the system has extensive application value and good prospects for development.

Keywords：wireless communication；LTE；OFDM；MIMO