潘明亮

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054001）

引言

4G 比較于上一代通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了跨越式升級(jí)。在第四代通信技術(shù)的背景下，視頻及圖片等傳播速率明顯提高，上傳和下傳速率已經(jīng)分別達(dá)到50 Mbps和100 Mbps。這些技術(shù)將OFDM作為核心，還添加較多語音話音服務(wù)。從抗噪能力以及抗信號(hào)干擾能力等角度來看，實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比[1]。

4G 系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置方面，主要有物理和中間以及應(yīng)用三個(gè)不同層次。中間層次屬于環(huán)境層，能達(dá)到地址轉(zhuǎn)化和管理等多方面效果。而物理層通常涵蓋接入和輸出等多項(xiàng)功能，還能完成路由器選擇。這兩個(gè)層次通常和環(huán)境之間保持開放接口，可實(shí)現(xiàn)深度拓展。因此在保證基本接口服務(wù)的同時(shí)能達(dá)到高質(zhì)量無線服務(wù)。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)情況如圖1 所示。

圖1 4G 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 井下通信系統(tǒng)概述

井下通信系統(tǒng)存在的最主要目的是使礦井的生產(chǎn)管理保持安全狀態(tài)。通常從通信種類情況來看，涵蓋有線和無線對(duì)講以及泄漏通信等多方面系統(tǒng)模式。對(duì)其進(jìn)行充分分析，可發(fā)現(xiàn)有線通訊是在某些固定的地點(diǎn)所涉及到的通訊方式。而泄露通信涉及到的距離較短，需要再單獨(dú)組建網(wǎng)絡(luò)的情況下完成通訊重點(diǎn)用于機(jī)車調(diào)度等。小靈通和無線通訊兩項(xiàng)涉及到的設(shè)備更加繁瑣復(fù)雜，同時(shí)在進(jìn)入到采掘工作面時(shí)，不能使用這種方式。所以本文在充分了解到系統(tǒng)情況后，從更深層次解決問題，充分分析某礦的實(shí)際情況，進(jìn)一步構(gòu)建更符合煤礦井下環(huán)境的4G 通信系統(tǒng)。

2 某礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

某礦已設(shè)置以太環(huán)網(wǎng)，而且從承載力和實(shí)際情況來看，達(dá)到萬兆之多。對(duì)應(yīng)的主干和分支網(wǎng)絡(luò)是以環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，詳細(xì)內(nèi)容如下圖所示。每一層以大環(huán)套小環(huán)的方式完成通信，基本滿足實(shí)際使用需求。在這當(dāng)中，井下所安裝的交換機(jī)，共計(jì)分為5 臺(tái)萬兆和8 臺(tái)千兆兩種不同形式。在地面所涉及到的核心交換機(jī)，共計(jì)兩臺(tái)。這兩臺(tái)核心交換機(jī)都為萬兆級(jí)別，能滿足調(diào)度需求。在地面和主井以及新副井位置，每一位置安裝一臺(tái)交換機(jī)，且都屬于千兆級(jí)別。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信系統(tǒng)構(gòu)建情況來看，能達(dá)到日常的通信及使用需求[2-3]。見圖2。

圖2 某礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 某礦通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

某礦在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，主要為數(shù)字程控和小靈通以及擴(kuò)音電話三種不同形式，按照實(shí)際使用需求使用不同系統(tǒng)。數(shù)字程控電話是以調(diào)度室中的實(shí)際操作使用為主，通過這一系統(tǒng)可用于日常通信平臺(tái)使用，且能達(dá)到指揮的目的。小靈通通訊則是以微蜂窩技術(shù)為主，用戶可在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的情況下完成使用，且能達(dá)到無限覆蓋的效果。這一系統(tǒng)與前者有效配合，可靈活使用，隨時(shí)隨地監(jiān)控。在井下通訊時(shí)，通常使用擴(kuò)音電話，這一電話分布位置較為豐富，主要位于掘進(jìn)巷道和大巷人車等候點(diǎn)等多個(gè)地點(diǎn)。通過及時(shí)有效的對(duì)講系統(tǒng)完成信息傳播，但實(shí)際上在井上和井下進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，不同通訊系統(tǒng)的廠家和系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間并不完全相同[4]。所以系統(tǒng)容易出現(xiàn)重復(fù)設(shè)計(jì)鋪設(shè)且可靠性較差等方面的問題，在進(jìn)行此方面維護(hù)時(shí)，實(shí)際成本較高，所以不能滿足目前的業(yè)務(wù)使用需求。系統(tǒng)本身的集成性較差，很難滿足礦井的綜合效益，容易產(chǎn)生安全生產(chǎn)問題。

4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)最重要的目的是完成全覆蓋化通信，且保證所有系統(tǒng)之間的靈活互通。這一通信功能是在4G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，保證信息之間的溝通交流更加順暢，且構(gòu)建數(shù)字化中央平臺(tái)，完成安全信息的共享。整個(gè)系統(tǒng)要涵蓋視頻監(jiān)控和泵房排水自動(dòng)化等多項(xiàng)系統(tǒng)的部分功能。在與現(xiàn)代化操作系統(tǒng)之間的有效融合的基礎(chǔ)上，充分了解到每一工況的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)井上和井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分搜集和整理。系統(tǒng)還要做到及時(shí)故障報(bào)警，完成音頻和視頻等多方面聯(lián)動(dòng)。

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是通過4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的方式作為基礎(chǔ)架構(gòu)，完成整個(gè)覆蓋性網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。除此之外，還選用TCP／IP 通信協(xié)議來保證整體通信系統(tǒng)的真實(shí)性和可靠性。從主干連接和整個(gè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)情況來看，此系統(tǒng)還要涉及到無線和有線兩種不同的連接方式。由于整個(gè)工作場(chǎng)所覆蓋范圍較廣，能將井上和井下連接起來。所以在實(shí)際使用的過程中包含的場(chǎng)景也會(huì)更加豐富。整個(gè)系統(tǒng)的建構(gòu)分為井上和井下兩個(gè)不同部分：在井上設(shè)計(jì)有核心網(wǎng)絡(luò)及交換和調(diào)度基站等。而井下部分則是主要采用礦用本安型4G 基站等相關(guān)設(shè)備及設(shè)施。在傳播方面所涉及到的等級(jí)較高，而基站也可以接入到以太環(huán)網(wǎng)當(dāng)中[5]。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)情況如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

4.2 系統(tǒng)主要設(shè)備功能設(shè)計(jì)

1）井上設(shè)備。通過上述分析和探討可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行井上設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分保證核心設(shè)備及交換機(jī)和調(diào)度機(jī)等方面的功能。在這里針對(duì)每一項(xiàng)基本設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)闡述：首先，4G 核心網(wǎng)設(shè)備重點(diǎn)放置在調(diào)度室當(dāng)中，這一部分屬于所有設(shè)備中的重中之重。所以要完成交換機(jī)萬兆以上接入，同時(shí)也要保證所有數(shù)據(jù)之間的調(diào)度互通。其次，綜合業(yè)務(wù)交換機(jī)能使靜態(tài)數(shù)據(jù)保持一致，而且在數(shù)據(jù)自動(dòng)增量的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。此功能主要是以冗余功能為重點(diǎn)。再次，網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器可完成所有節(jié)點(diǎn)和命令方面的分析和執(zhí)行。這一要素屬于調(diào)度當(dāng)中的中間者，而且在和其他設(shè)備相連接的過程中，需要及時(shí)監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)的安全性和可靠性，分析網(wǎng)絡(luò)健康等多方面情況。除此之外，多媒體調(diào)度機(jī)是在較為先進(jìn)的軟件和硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的真實(shí)性和可靠性，是所有的設(shè)備能達(dá)到可視化交互的效果。在調(diào)度的過程當(dāng)中也能達(dá)到統(tǒng)一管理或分級(jí)調(diào)動(dòng)等多種不同功能。最后，地面信息傳輸接口是在基站核心設(shè)備物理連接等多方面基礎(chǔ)上保證基帶處理或傳輸板的連接使用[6]。這一部分要考慮到具體的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)傳輸更加真實(shí)可靠。

2）井下設(shè)備。通過上述功能分析，可發(fā)現(xiàn)再進(jìn)行井下設(shè)備安裝時(shí)，涉及到的主要有本安型4G 基站及配套電源、手機(jī)等多項(xiàng)基本設(shè)備。在這里針對(duì)每個(gè)設(shè)備做更深入的分析和探討：通常4G 基站主要是以集成BBU+RRU 功能為主。所以要在滿足基本使用條件下，保證所有的信號(hào)傳遞能覆蓋基本工作面。這里的覆蓋半徑通常在300～500 m 的范圍內(nèi)，能夠達(dá)到礦用本安設(shè)計(jì)方面的基本要求，所以在具體的安裝位置確定時(shí)，需充分考慮人員密度和實(shí)際工作情況以及相關(guān)分區(qū)。一般情況下，會(huì)在巷道拐角或坡度拐點(diǎn)等位置進(jìn)行提前安裝?？紤]每一部分的信號(hào)使用情況以及實(shí)際覆蓋面積，完成多方位共同連接。井下手機(jī)使用的是4G3 防手機(jī)，而且為礦用，不僅能夠達(dá)到對(duì)講按鍵使用效果，同時(shí)也可以在多項(xiàng)系統(tǒng)當(dāng)中完全適配。因此這一部分的通信是以專網(wǎng)專用的方式通信為主，還可以和固定電話之間互相通信。電話需要具備中繼匯接功能，可以在開放性接口的基礎(chǔ)上，完成不同應(yīng)用功能之間的互動(dòng)溝通。所以這一設(shè)備本身屬于一體化共享平臺(tái)軟件當(dāng)中的重要組成部分，能夠達(dá)到語音和通信功能的互動(dòng)。除此之外，還可完成數(shù)據(jù)傳輸以及結(jié)痂安全管理等多方面功能。

4.3 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1）4G 核心網(wǎng)設(shè)備。這一部分的主要架構(gòu)是以ATCA 為主，在實(shí)際使用操作過程當(dāng)中，會(huì)以兩套設(shè)備的接入作為安全使用的基本。因此在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)要達(dá)到容災(zāi)備份的效果，保證在出現(xiàn)問題或業(yè)務(wù)中斷時(shí)都有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)可搜尋。當(dāng)業(yè)務(wù)中斷或倒換的時(shí)間在低于5 min 的情況下，可通過另一套架構(gòu)來完成信息傳輸。整體基站用戶數(shù)要超過100 以上，但不能超過8 000。在這里所設(shè)定的最大并發(fā)群組數(shù)量要超過512，但不能超過1 024。轉(zhuǎn)發(fā)帶寬則是要超過2 Gbps，從系統(tǒng)化圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況來看，需要充分保證所有設(shè)計(jì)單元的可測(cè)量性以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)完整性。能夠在標(biāo)準(zhǔn)Office 應(yīng)用程序當(dāng)中完成QoS 數(shù)據(jù)的輸入和整理，所以從功能單元接入等多種情況來看，不僅可完成在線監(jiān)控的效果，同時(shí)也可以將終端信號(hào)信息等展現(xiàn)在共享平臺(tái)中。在這里所選用的硬盤需要具備RAID1 冗余的基本效果。除此之外，磁盤陣列需要達(dá)到RAID5+熱點(diǎn)冗余配置。

2）地面用射頻拉遠(yuǎn)單元。這一部分在信息投射方面具備重要作用，所以對(duì)應(yīng)的型號(hào)要在工信部門型號(hào)核準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使用。對(duì)應(yīng)的視頻單元也要在具備核準(zhǔn)證的情況下完成使用，不能隨意設(shè)計(jì)及使用。而且RRU 單級(jí)拉遠(yuǎn)距離要超過10 km，對(duì)應(yīng)的覆蓋半徑也要大于2 km。從天線增益情況來看，要真正超過15dBi，發(fā)射角度也要在超過120°的范圍內(nèi)。同時(shí)，還需要滿足MTBF 大于100 000 h 以及4 通道RRU 等基本功能。不同基站之間要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，不能小于6 級(jí)。在正常工作情況下，電壓為直流48 V 范圍內(nèi)。而且要充分保證2～4 個(gè)模塊接口，完成光口、電口的基本支撐。

5 結(jié)論

這一系統(tǒng)已經(jīng)在礦井當(dāng)中實(shí)際使用，同時(shí)從信號(hào)覆蓋以及使用需求等情況來看，達(dá)到了良好的使用效果，能滿足4G 信號(hào)全覆蓋的基本作用。從采煤和調(diào)度以及運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)分析，這個(gè)系統(tǒng)目前較具備影響力，而且能達(dá)到視頻和數(shù)據(jù)與語音三者的共同承載。在多樣化條件滿足的基礎(chǔ)上，不僅能夠打造更加安全現(xiàn)代化的礦井，還能提升整體工作和生產(chǎn)效率。因此，這一系統(tǒng)具備較強(qiáng)的覆蓋力和推廣價(jià)值。