房少宗 高 明

（1.山東礦業(yè)管理服務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

1 系統(tǒng)介紹

1.1 無線局域網(wǎng)WLAN

無線局域網(wǎng)WLAN是20世紀(jì)90年代計算機與無線通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是以無線信道為傳輸媒介來實現(xiàn)短距離內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信的計算機局域網(wǎng)。WLAN又被稱之為802.11系列標(biāo)準(zhǔn),以802.11g標(biāo)準(zhǔn)為例,該標(biāo)準(zhǔn)于2003年7月正式批準(zhǔn),占用2.4G自由頻段,無需申請頻段即可直接使用,采用了傳輸速率較高的OFDM(正交頻分復(fù)用)和CCK(補碼鍵控)調(diào)制,通信速率最大可達(dá)54Mbps。而且,通過規(guī)定兩種無線調(diào)制方式, 使得802.11g成為一種混合標(biāo)準(zhǔn),既能適應(yīng)傳統(tǒng)的802.11b標(biāo)準(zhǔn),又能符合802.11a標(biāo)準(zhǔn)。WLAN具有以下技術(shù)特點與優(yōu)勢:

（1）靈活。利用電磁波發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通信范圍不受環(huán)境限制,可拓寬網(wǎng)絡(luò)傳輸范圍。

（2）便捷。可免去網(wǎng)絡(luò)布線,組建、配置和維護(hù)較容易。

（3）安全。WLAN中所有網(wǎng)絡(luò)合法用戶設(shè)備的ID都記錄在網(wǎng)管中心,設(shè)置數(shù)據(jù)加密方法,即使信號被盜聽也難理解內(nèi)容。

（4）經(jīng)濟(jì)。盡管WLAN硬件投資比有線高,但它減少布線費用,適合需要頻繁移動、作業(yè)地點多和空間分散、變化的環(huán)境。

（5）可擴充性強?？山M成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),支持多種類型的終端設(shè)備接入。

（6）容量大。支持2.4GHz頻帶下13個子信道,每個信道占有22MHz 帶寬,同時擁有3個完全獨占的子信道,每個子信道內(nèi)依據(jù)11位隨機碼元對各基站用戶編碼分址、多用戶頻道復(fù)用。

（7）兼容性強。同國際標(biāo)準(zhǔn)兼容,可和獲得Wi-Fi認(rèn)證的無線產(chǎn)品互操作, 并與Ethernet及Token Ring網(wǎng)絡(luò)無縫連接。

（8）高移動性。WLAN建成后,只要在AP(Access Point)范圍內(nèi),配有無線網(wǎng)卡的終端設(shè)備可以自由移動,實現(xiàn)隨時隨地接入。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于WLAN的礦井綜合無線接入系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)由骨干以太網(wǎng)、分支以太網(wǎng)和WLAN無線局域網(wǎng)三部分組成,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

骨干以太網(wǎng)是由1000M的單模光纖和工業(yè)核心交換機組成的工業(yè)環(huán)網(wǎng),礦井中所有的信息均通過骨干以太網(wǎng)和地面交換。骨干以太網(wǎng)的基本節(jié)點是千兆光交換機，交換機之間由單模光纖沿主要的巷道(主井、輔井和風(fēng)井)鋪設(shè),構(gòu)成互逆雙環(huán)自愈的架構(gòu)。分支以太網(wǎng)由復(fù)合電纜和智能無線通信基站(無線接入點)組成,復(fù)合電纜的傳輸介質(zhì)是

100M的單模光纖。分支以太網(wǎng)通過骨干以太網(wǎng)上的光交換機和骨干以太網(wǎng)互聯(lián)。分支以太網(wǎng)的基本節(jié)點是智能無線通信基站, 各智能無線通信基站之間通過光電復(fù)合電纜連接。WLAN接入是智能無線通信基站最重要的功能,它將各種無線終端設(shè)備通過WLAN和分支以太網(wǎng)連接,再由分支以太網(wǎng)連接到骨干以太網(wǎng),形成完整的通信鏈路來實現(xiàn)無線通信功能。

2 研究內(nèi)容

2.1 建設(shè)開放、高速的礦山無線綜合通信系統(tǒng)

利用WLAN的開放、高速等特點，建設(shè)礦井統(tǒng)一信息接入平臺，解決有線通訊中線路重復(fù)投資建設(shè)、布線繁瑣、開放性差等問題，從而改變目前礦山多種系統(tǒng)線路或無線覆蓋區(qū)域各自為政、難以維護(hù)的實際情況，構(gòu)建一套集無線語音、視頻、設(shè)備數(shù)據(jù)接入控制，甚至礦井移動辦公、人員定位等系統(tǒng)為一體的礦山無線綜合通信系統(tǒng)。

2.2 實現(xiàn)多個AP多信道橋接

通過WDS(WDS，Wireless Distribution System)技術(shù)實現(xiàn)無線AP橋接，增加擴展服務(wù)區(qū)覆蓋范圍，減少巷道中通訊線纜的使用量。合理組織橋接線路上的無線AP，分配使用無線信道，降低橋接過程中相鄰AP信號覆蓋區(qū)域相互交叉重疊產(chǎn)生的干擾。

圖2 全礦井總體拓?fù)鋀DS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 無線綜合信息接入平臺匯接及辦公網(wǎng)絡(luò)整合

在井下根據(jù)礦井實際通過AP間的橋接創(chuàng)建多個無線擴展服務(wù)區(qū)域，每個無線擴展服務(wù)區(qū)包含一個有線AP（光纜直連）及眾多無線AP，覆蓋范圍從300m（工作面）到2000m（巷道）均可，多個擴展服務(wù)區(qū)在地面實現(xiàn)匯接，實現(xiàn)同網(wǎng)同段。有效利用礦井現(xiàn)有資源，通過礦井核心三層交換機完成與辦公網(wǎng)絡(luò)路由整合，建立真正的井上下統(tǒng)一接入平臺。

2.4 井下巷道傳播特性分析

礦井巷道沒有室外傳播環(huán)境開闊，研究井下無線傳輸受到巷道的截面尺寸、粗糙程度、拐彎、是否存在分支巷道的影響。對于分支巷道的部署，由于彎曲損耗的存在，需要在彎曲處布置AP接入點，直到找到一個可以接受的AP接入點部署設(shè)計。巷道AP布置示意圖如圖3。

2.5 視頻子系統(tǒng)工作時的AP部署

研究802.11b+g的AP通過WDS組建的無線局域網(wǎng)的理論帶寬及井下實際帶寬情況，研究無線視頻通信系統(tǒng)中采用H.264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，對于執(zhí)行CSMA/CD信令機制的無線局域網(wǎng)來說，合理規(guī)劃單個擴展服務(wù)區(qū)中無線視頻攝像頭的安裝個數(shù)，確保視頻流暢，減少對其他應(yīng)用接入的影響。

圖3 巷道AP布置示意圖

3 實施方案

3.1 完成工作面無線視頻通信

目前在工作面布置四臺無線攝像頭，其中三臺固定于工作面液壓支架上，一臺移動檢查，無線視頻通信既要求多個AP間的覆蓋區(qū)域有重疊，又要避免多個AP工作于統(tǒng)一通道的情況下產(chǎn)生較大的干擾。目前，經(jīng)過多次調(diào)整，三個固定攝像頭所獲取動態(tài)畫面基本能夠滿足要求，安裝完成后通過實際檢測通訊過程中丟包率小于在2%，最大網(wǎng)絡(luò)延時小于280ms，平均延時15ms以內(nèi)，可滿足我礦要求。

3.2 完成工作面無線語音通信

目前工作面語音通訊實驗中我們采用了廠方提供的wif i手機，該手機功能較少，非智能機，實驗中通話質(zhì)量優(yōu)于現(xiàn)在使用的小靈通。現(xiàn)在市場上支持WLAN的中高端智能手機較多，這類手機可利用WIFI /WAPI接入無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)VOIP通信，如果在此類手機上安裝企業(yè)QQ則可完成通過手機對手機的井上下人員視頻會話，實現(xiàn)調(diào)度指揮功能。

3.3 最后工作面數(shù)據(jù)接入平臺完成測試

在完成工作面音視頻服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過筆記本完成了工作面無線局域網(wǎng)覆蓋情況測試實驗，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了工作面空間內(nèi)的無線數(shù)據(jù)的全覆蓋。

3.4 工作面WLAN實際網(wǎng)絡(luò)狀況測試

具體測試數(shù)據(jù)如下：

4 項目實施效果分析

（1）在工作面實現(xiàn)視頻、語音的并行無線傳輸，實現(xiàn)了圖像、語音傳輸?shù)挠行ЫY(jié)合，不僅可以及時了解現(xiàn)場情況，方便調(diào)度，確保工作面高產(chǎn)高效；亦可為礦井應(yīng)急救援提供圖像、語音資料服務(wù)；其良好的兼容性亦可為工作面設(shè)備提供無線數(shù)據(jù)接入服務(wù)。符合當(dāng)前礦山應(yīng)急救援的發(fā)展趨勢，為今后進(jìn)行事故原因分析、總結(jié)搶險救災(zāi)經(jīng)驗教訓(xùn)提供基礎(chǔ)資料。

（2）隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，總的趨勢是數(shù)據(jù)速率越來越高，安全性越來越好，服務(wù)質(zhì)量越來越有保證。為以后礦井搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺，改變目前我礦生產(chǎn)中使用的各種監(jiān)測、監(jiān)控與通信系統(tǒng)各自為政、開放性差、線路重復(fù)投資建設(shè)、維護(hù)困難等明顯缺陷提供支持，同時全國范圍內(nèi)亦具有較好的推廣前景。

（3）井上下形成高速無線局域網(wǎng)絡(luò)，為礦井各種機電設(shè)備提供無線接入服務(wù)，完成與地面辦公網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)匯接，形成井上下一網(wǎng)，從系統(tǒng)工程角度為建設(shè)數(shù)字化礦山提供必要的支撐。

（4）井上下采用基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的無線接入，擺脫線纜的束縛，有開放性高、安裝周期短、維護(hù)方便、擴容能力強等特點。同時組網(wǎng)靈活，維護(hù)費用低，可根據(jù)礦井需要迅速將新的無線監(jiān)控點加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中。