王 飛，羅 偉

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦生產(chǎn)的安全是行業(yè)及企業(yè)立命之本、發(fā)展之根，只有深入實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)自動(dòng)化才能實(shí)現(xiàn)安全的最終要求，“兩化融合”的布局與發(fā)展也將是現(xiàn)階段安全生產(chǎn)的重要一環(huán)[1-3]?，F(xiàn)代化煤礦企業(yè)正在逐步向規(guī)模化、集約化、協(xié)同化轉(zhuǎn)變，煤礦井下生產(chǎn)方式向遙控化、無(wú)人化以及智能化發(fā)展。煤礦井下神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將成為企業(yè)發(fā)展的重中之重。大柳塔煤礦的井下信息化通過(guò)建設(shè)井下4G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，使之成為礦井通訊的高速通道。4G LTE技術(shù)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性高、安全性高、移動(dòng)性高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)采集能力高、語(yǔ)音與圖像質(zhì)量高等優(yōu)異性能，非常適合煤礦井下通信使用[4-6]。

1 4G LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能

1.1 主要技術(shù)

1.1.1 技術(shù)對(duì)比

LTE在目前3G標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了新的空中接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以進(jìn)一步提高用戶傳輸速率、系統(tǒng)帶寬和覆蓋范圍，同時(shí)降低時(shí)延和運(yùn)營(yíng)商的成本并提供對(duì)不同無(wú)線頻譜帶寬的支持。LTE引入了以下行OFDMA、上行SC-FDMA為代表的物理層接入技術(shù)，并全面支持MIMO，可以在20 MHz帶寬的頻率上實(shí)現(xiàn)下行100 Mbps，上行50 Mbps的峰值速率[7-9]。3G技術(shù)與4G技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3G與4G技術(shù)對(duì)比

1.1.2 OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制技術(shù)。OFDM將頻域劃分為多個(gè)子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。

1.1.3 MIMO

MIMO(Multiple Input Multiple Output)是無(wú)線LTE系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即多輸入多輸出技術(shù)。MIMO技術(shù)的基本思想是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)發(fā)射天線上同時(shí)刻發(fā)射，經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后，由多個(gè)接收天線接收，并根據(jù)各個(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性(Spatial Signature)，利用解調(diào)技術(shù)，最終恢復(fù)出原數(shù)據(jù)流。

1.2 4G LTE無(wú)線通信系統(tǒng)性能

1.2.1 性能優(yōu)勢(shì)

通信速率高，LTE實(shí)現(xiàn)了峰值速率的顯著提高。在20 MHz 帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s的下行峰值速率，和50 Mbit/s的上行峰值速率。頻譜效率高，平均用戶吞吐率和頻譜效率下行達(dá)到HSDPA的3～4倍，上行達(dá)到HSUPA的2～3倍，系統(tǒng)平均頻譜效率則可以達(dá)到1.58/0.66 bps/Hz/小區(qū)。具有較好移動(dòng)性，F(xiàn)DD-LTE可實(shí)現(xiàn)終端移動(dòng)速度為0～15 km/h時(shí)擁有最佳性能；15～120 km/h 有較好性能；120～350 km/h保持連接，確保不掉線。延遲小，子幀長(zhǎng)度為0.5 ms和0.675 ms，解決了向下兼容的問(wèn)題并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，控制面延遲小于100 ms，用戶面時(shí)延小于5 ms。兼容性好，支持增強(qiáng)型廣播多播業(yè)務(wù)、支持增強(qiáng)的IMS(IP多媒體子系統(tǒng))和核心網(wǎng)、支持自組網(wǎng)(Self-organising Network)操作、支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作，強(qiáng)調(diào)向下兼容。架構(gòu)簡(jiǎn)單，服務(wù)質(zhì)量高。FDD-LTE采用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件架構(gòu)，以信道共用為基礎(chǔ)，以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。

1.2.2 網(wǎng)管平臺(tái)

網(wǎng)管平臺(tái)可以對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)、快速定位、隔離和修復(fù)，收集處理全系統(tǒng)的告警信息并處理。同時(shí)網(wǎng)管平臺(tái)也是用來(lái)配置管理各網(wǎng)元相關(guān)參數(shù)，確保網(wǎng)元業(yè)務(wù)功能正常的管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)性能數(shù)據(jù)采集、性能統(tǒng)計(jì)分析以及性能指標(biāo)監(jiān)測(cè)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的性能指標(biāo)，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、優(yōu)化和運(yùn)行提供依據(jù)和保障。網(wǎng)管平臺(tái)也是整個(gè)系統(tǒng)物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全的措施保證。

2 4G核心網(wǎng)絡(luò)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

iEPC統(tǒng)一核心網(wǎng)設(shè)備是語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的控制節(jié)點(diǎn)，借助LTE帶寬的優(yōu)勢(shì)提供豐富的多媒體業(yè)務(wù)[1-3]。iEPC系統(tǒng)在單物理節(jié)點(diǎn)集成全套EPC和DSS產(chǎn)品。包括MME、SGW、PGW、HSS、P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF等多個(gè)網(wǎng)元，大大降低建網(wǎng)及維護(hù)成本。采用與運(yùn)營(yíng)商對(duì)接的方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)員工使用自身公網(wǎng)號(hào)碼直接下井辦公，改變傳統(tǒng)的獨(dú)立燒卡模式，開(kāi)創(chuàng)新型下井辦公模式，地面井下實(shí)現(xiàn)“一機(jī)一卡一號(hào)”，達(dá)成工作與生活的統(tǒng)一性，降低工作繁瑣度。4G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 4G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

2.2 各網(wǎng)元功能

2.2.1 MME網(wǎng)元功能

處理NAS消息，UE移動(dòng)性管理實(shí)體對(duì)UE進(jìn)行鑒權(quán)和NAS消息完整性保護(hù)，支持為UE建立一個(gè)或多個(gè)PDN連接，支持UE/網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的服務(wù)請(qǐng)求，支持UE在LTE系統(tǒng)內(nèi)漫游，維護(hù)處于EMM-REGISTERED狀態(tài)的UE的跟蹤區(qū)列表，為UE選擇PGW、SGW和UE選擇目標(biāo)MME(S1切換中)，管理EPS承載，專用承載和默認(rèn)承載。

2.2.2 SGW網(wǎng)元功能

服務(wù)網(wǎng)關(guān)是連接E-UTRAN的分組數(shù)據(jù)接口的終點(diǎn)，當(dāng)UE在eNodeB間切換時(shí)，作為其“錨點(diǎn)”，支持為UE建立一個(gè)或多個(gè)PDN連接，支持UE/網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的服務(wù)請(qǐng)求，管理EPS承載，包括專用承載和默認(rèn)承載，為ECM-IDLE狀態(tài)的UE緩存下行分組，并發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求過(guò)程。

2.2.3 PGW網(wǎng)元功能

PDN網(wǎng)關(guān)是連接分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口的終點(diǎn)，也是連接外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的錨點(diǎn)，UE IP地址分配，管理EPS承載，包括專用承載和默認(rèn)承載，基于APN-AMBR對(duì)下行非GBR數(shù)據(jù)進(jìn)行速率控制，綁定SDF與承載，上下行傳輸層的分組標(biāo)記，IMS/RCS選擇功能，基于傳輸資源的接納控制。

2.2.4 其他網(wǎng)元功能

HSS網(wǎng)元功能：存儲(chǔ)用戶簽約信息、用戶鑒權(quán)、位置信息管理等。

IMS/RCS網(wǎng)元功能：本地用戶服務(wù)器HSS主要存放用戶認(rèn)證信息、簽約用戶的特定信息、簽約用戶的動(dòng)態(tài)信息、用于移動(dòng)性管理和用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理，呼叫會(huì)話控制功能CSCF(Call Session Control Function)，主要用于基于分組交換的SIP會(huì)話控制，負(fù)責(zé)對(duì)用戶多媒體會(huì)話進(jìn)行處理，可以看作SIP服務(wù)器，多媒體資源功能MRF(Multimedia Resource Function)，主要完成多方呼叫與多媒體會(huì)議功能。

MGCF網(wǎng)元功能：CS域與IMS域之間的控制層網(wǎng)關(guān)，提供媒體層的控制與管理，SIP信令與ISUP信令的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)網(wǎng)信令面互通。

3 萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)及綜合通信分站

3.1 井下萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)

井下萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)由萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和光纜組成。萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)具有4個(gè)傳輸口，通過(guò)TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議經(jīng)1 310 nm單模光纖完成數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為10 000 Mbit/s。萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)同時(shí)配備TCP/IP以太網(wǎng)千兆光端口24個(gè)，傳輸速率為1 000 Mbit/s；TCP/IP以太網(wǎng)千兆電端口8個(gè)，傳輸速率為10/100 Mbit/s；兩線制半雙工RS485接口4個(gè)。大柳塔煤礦共布置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)23臺(tái)，綜合分站205臺(tái)。萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)符合IEEE802.3協(xié)議，具有以太網(wǎng)光端口、電端口、RS485接口，支持全雙工/半雙工；交換機(jī)支持環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；交換機(jī)具有初始化參數(shù)設(shè)置和掉電保護(hù)功能；交換機(jī)可網(wǎng)管，支持SNMP管理功能；交換機(jī)具有VLAN功能；交換機(jī)具有流量控制功能；交換機(jī)具有自診斷和故障指示功能；交換機(jī)具有電源、工作狀態(tài)、通信狀態(tài)指示功能。萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 數(shù)據(jù)接入綜合通信分站

3.2.1 綜合通信分站性能

綜合通信分站能提供3G、4G、Zigbee等多種無(wú)線信號(hào)，滿足通話、廣播、定位和視頻數(shù)據(jù)流無(wú)線需求，融合語(yǔ)音電話、高速數(shù)據(jù)、短信通訊等業(yè)務(wù)于一體。語(yǔ)音信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，聲音清晰，基站間切換及高速行駛中不掉話；可直接與地面公網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接[12-13]。通信分站內(nèi)配備6×4路百兆光口/電口，6×4路模擬視頻口，10×2路485口，4×4路電話接口，8×6路監(jiān)測(cè)接口，22×1路LTE無(wú)線覆蓋，2×1路Zigbee無(wú)線覆蓋，2×1路WiFi接口，1×1路廣播接口，3×1個(gè)千兆光口，通信接口業(yè)務(wù)板槽位可以混插擴(kuò)容至10個(gè)。

3.2.2 井下設(shè)備數(shù)據(jù)接入與上傳

無(wú)線基站：4G無(wú)線基站支持TDD LTE和FDD LTE不同制式，支持1.8G/2.1G/2.6G等國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商常用頻段，輸出功率為2×250 mW，下行速率為150 Mbps，上行速率為50 Mbps。融合語(yǔ)音電話、集群對(duì)講、高速數(shù)據(jù)、短信通訊等業(yè)務(wù)于一體，語(yǔ)音信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，聲音清晰，基站間切換及高速行駛中不掉話，可直接與地面公網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接。

人員定位：通過(guò)Zigbee無(wú)線技術(shù)，采用TOF精確定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位，識(shí)別速度不小于60 km/h以內(nèi)，并發(fā)識(shí)別數(shù)≥200，定位精度為5 m，支持巡檢周期小于30 s，單礦井識(shí)別卡數(shù)量10 000個(gè)，覆蓋范圍可達(dá)400 m半徑。

以太網(wǎng)光口模塊：最大傳輸距離15 km，最大速率100 Mbps，每塊板4個(gè)光口，最大可提供24路，接收中心波長(zhǎng)為1 310 nm，接收靈敏度：≤-31 dBm，輸出光功率為-8～-14 dBm。系統(tǒng)維護(hù)管理員通過(guò)核心交換機(jī)可進(jìn)入井下任意綜合分站，使用賬號(hào)密碼登錄后可以對(duì)接入數(shù)據(jù)的綜合分站進(jìn)行配置，將相應(yīng)的端口配置為用戶需求的業(yè)務(wù)。

以太網(wǎng)電口模塊：最大傳輸距離100 m，傳輸速率為10/100 Mbps自適應(yīng)，每塊板4個(gè)光口，最大可提供24路，全雙工、半雙工模式自適應(yīng)。業(yè)務(wù)配置方法無(wú)光口模塊相同。

有線電話接口模塊：支持基于IP軟交換技術(shù)的有線電話，支持SIP、H248等協(xié)議，支持G711、723、729等多種編碼格式，每塊板4個(gè)端口，最大可提供16路，振鈴信號(hào)輸出為最大開(kāi)路電壓AC65V，最大短路電流為20 mA，頻率為25 Hz，直流饋電輸出為最大開(kāi)路電壓DC40V。

485接口模塊：支持485、422串口服務(wù)器，能將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，每塊板2個(gè)端口，傳輸方式為半雙工，1最大傳輸距離1.2 km，傳輸信號(hào)輸出電壓值為2～5 V，傳輸信號(hào)電流峰值為20～50.1 mA。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的發(fā)展，煤礦信息化正向信息擴(kuò)展、高度集成、綜合應(yīng)用、自動(dòng)控制、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、智能決策的方向發(fā)展。井下通信系統(tǒng)作為未來(lái)煤礦安全生產(chǎn)的主要生命線之一，將承載越來(lái)越多的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，4G網(wǎng)絡(luò)通信及LTE礦用無(wú)線通信系統(tǒng)相較于3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)日益突顯，

將是煤礦未來(lái)的主流通信網(wǎng)絡(luò)。大柳塔煤礦4G“一網(wǎng)一站”通訊系統(tǒng)主要由萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)、礦用一體化本安型綜合分站、廣播終端、本安手機(jī)、識(shí)別卡、有線電話、PLC等感知終端組成，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備感知到統(tǒng)一的綜合接入、統(tǒng)一的綜合傳輸?shù)降孛娣?wù)器平臺(tái)的一體化物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以集中管理、分散控制實(shí)現(xiàn)了煤礦網(wǎng)絡(luò)的一體化管理，極大提高了井下業(yè)務(wù)接入能力，降低了維護(hù)成本與物料成本。