蘇 輝

（潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)，山西 長治 046000）

司馬礦無線通信系統(tǒng)于2010 年建設(shè)并投入使用，采用了“小靈通PHS”無線通信技術(shù)，該技術(shù)僅支持語音通話與短信功能，基站信號輻射范圍受地質(zhì)條件限制。隨著礦井不斷深入開采，所使用的無線通信系統(tǒng)“戰(zhàn)線”越拉越長，維護(hù)耗時耗力。由于小靈通無法提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，頻譜資源也受到工信部的制約經(jīng)常出現(xiàn)有信號打不出電話、通話經(jīng)常斷線等現(xiàn)象，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來了嚴(yán)重的影響。

為了提升井下無線通信的效率和可靠性，司馬煤業(yè)在對4G/5G 等數(shù)據(jù)通信模式、改造成本、技術(shù)難度等方案進(jìn)行充分分析后決定基于現(xiàn)有的4GLTE技術(shù)為核心，以現(xiàn)有的小靈通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)打造全國首個4G 雙模通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)視頻傳輸通話等功能，而且還具有保持原語音通話穩(wěn)定的功能，將數(shù)據(jù)通信效率提升了4 倍以上，實(shí)現(xiàn)了有線通信和無線通信的統(tǒng)一調(diào)度，徹底消除了各個數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的信息“孤島”。

1 通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及技術(shù)路線

目前司馬礦的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為浙江嘉科電子有限公司的礦用無線通信系統(tǒng)[1]，僅有基本語音、簡單調(diào)度、遺漏呼叫、收發(fā)短信、強(qiáng)插強(qiáng)拆、通話錄音、群組呼叫等功能，并不能保證煤礦通信的順暢交流。隨著井下綜采的進(jìn)行，巷道結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，導(dǎo)致通信質(zhì)量差、信號連續(xù)性不足，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)安全及通信效率。司馬煤業(yè)井下現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 司馬煤業(yè)現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合司馬煤業(yè)現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了降低改造成本、減少改造周期，經(jīng)過對不同數(shù)據(jù)通信方案的對比，項目組提出將4G LTE 技術(shù)和小靈通通信系統(tǒng)相結(jié)合[2]，打造全國首個4G 雙模通信系統(tǒng)的方案，并對研究的技術(shù)路線進(jìn)行了分析。

（1）開發(fā)一套 EPC 核心服務(wù)器（基站控制器），依托于已有的通信網(wǎng)絡(luò)，提供有線、無線、分組一體化的接入手段，構(gòu)筑多業(yè)務(wù)一體化的通訊平臺。

（2）融合LTE 基站技術(shù)，支持主流公網(wǎng)頻段，也支持專網(wǎng)1.8 G 頻段。發(fā)射功率動態(tài)可調(diào)，可以方便滿足礦區(qū)地面覆蓋。

（3）開發(fā)雙模防爆通訊終端，支持PHS、GSM、WCDMA。

2 4G 雙模通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該新型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括了綜合調(diào)度交換機(jī)、核心網(wǎng)EPC、交換機(jī)、地面基站、井下基站、PHS+4G 雙模防爆終端。其整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 4G 雙模通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4G 核心網(wǎng)EPC 設(shè)備[3]是4G 系統(tǒng)的主設(shè)備，核心網(wǎng)通過綜合調(diào)度交換機(jī)對接各個調(diào)度通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，核心網(wǎng)通過光纖交換機(jī)光纜和地面基站或者井下基站連接，再通過光電轉(zhuǎn)換模塊接入基站，井下基站可以通過網(wǎng)口接入基站，也可以通過光口接入基站，并且基站是通過光纜串聯(lián)起來的，每個井下基站大概覆蓋距離為800 m，保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

PHS+4G 雙模防爆終端是一部手機(jī)，可以同時支持多種網(wǎng)絡(luò)制式，支持多個網(wǎng)絡(luò)頻段，滿足語音、視頻、數(shù)字信號傳輸，也可以通過在4G 手機(jī)上安裝app 實(shí)現(xiàn)對其他系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控查看[4]。

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該無線通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，其主要新增的核心模塊為基站控制器（BSC）、室外LTE 基站及雙模防爆通訊終端。

基站控制器（BSC）主要包括了AM/CM 模塊、BM 模塊及TCSM 模塊，其主要功能是進(jìn)行無線信道管理、實(shí)施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，并為本控制區(qū)內(nèi)移動臺的過區(qū)切換進(jìn)行控制等[5]?；究刂破鳎˙SC）是基站收發(fā)臺和移動交換中心之間的連接點(diǎn)，為基站收發(fā)臺和操作維修中心之間交換信息提供接口。一個基站控制器通?？刂茙讉€基站收發(fā)臺，該新型基站控制器結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 基站控制器結(jié)構(gòu)示意圖

司馬煤業(yè)所采用的通信4G 專網(wǎng)基站主要由基帶處理單元（BBU）、射頻單元（RRU）、核心網(wǎng)（EPC）以及指揮調(diào)度系統(tǒng)單元組成[6]。其支持LTE 雙流MIMO，具備高集成度、高性能、高帶寬和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，其整體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 室外LET 基站結(jié)構(gòu)示意圖

該基站主要包括了收發(fā)信單元模塊、交流電源模塊/直流電源模塊、腔體濾波器模塊及低噪聲功放模塊[7]。收發(fā)信單元模塊主要用于完成信號的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換、變頻、放大、濾波，實(shí)現(xiàn)信號的RF 收發(fā)，以及ZXSDR R8962 L26A 的系統(tǒng)控制和接口功能[8]。交流電源模塊/直流電源模塊主要用于將輸入的交流（或直流）電壓轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部所需的電壓，給系統(tǒng)內(nèi)部所有硬件子系統(tǒng)或者模塊供電。腔體濾波器模塊主要用于內(nèi)部實(shí)現(xiàn)接收濾波和發(fā)射濾波，提供通道射頻濾波。低噪聲功放模塊主要用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)信板輸入信號的功率放大，通過配合削峰和預(yù)失真來實(shí)現(xiàn)高效率。

PHS+4G 雙模防爆終端主要用于構(gòu)建井下數(shù)據(jù)通信單元，便于工作人員及時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和定位，其整體結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 PHS+4G 雙模防爆終端結(jié)構(gòu)示意圖

PHS+4G 的外部收發(fā)機(jī)中大部分功能模塊可進(jìn)行復(fù)用，在不同協(xié)議間切換時，只需對復(fù)用的功能模塊進(jìn)行參數(shù)配置即可實(shí)現(xiàn)雙模手機(jī)的外部收發(fā)機(jī)。利用該復(fù)用性可大大減少雙模手機(jī)外部收發(fā)機(jī)的實(shí)現(xiàn)資源，從而降低雙模手機(jī)收發(fā)芯片的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本。

4 應(yīng)用情況分析

該系統(tǒng)已經(jīng)在司馬煤業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，在應(yīng)用過程中重點(diǎn)對系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率及可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，各項指標(biāo)均運(yùn)行正常，滿足煤礦數(shù)據(jù)通信可靠性和安全性的需求。

在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面，要求設(shè)備上電之后主處理器等電壓穩(wěn)定后保存復(fù)位200 ms 才進(jìn)入啟動狀態(tài)。實(shí)際測試時系統(tǒng)在保存復(fù)位201 ms 時開始進(jìn)行到啟動狀態(tài)，和設(shè)定值之間的偏差量約為0.5%，滿足時序穩(wěn)定性測試需求。

在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率方面，為了滿足數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性的需求，要求LTE 設(shè)備下載時的平均速率要達(dá)到60 M 以上，其上傳時速率要達(dá)到6 M 以上。實(shí)際使用過程中平均下載速率達(dá)到90 M以上，平均上傳速率8 M 以上，傳輸效率比優(yōu)化前提升4 倍以上，能夠保證對視頻、語音、圖像信號的傳輸可靠性需求。

在系統(tǒng)運(yùn)行可靠性方面，為了滿足井下惡劣環(huán)境中的運(yùn)行可靠性需求，要求其能夠在低溫-5 ℃和高溫40 ℃情況下穩(wěn)定地運(yùn)行。

在-5 ℃環(huán)境下，從2020 年10 月18 日17:51開始接受開始灌包，到10 月20 日18:12，40 M 速率持續(xù)灌包48 h 以上，基站設(shè)備一直工作正常，業(yè)務(wù)總體正常，中途業(yè)務(wù)有停止是由于灌包jperf 中斷導(dǎo)致，隨時發(fā)現(xiàn)立即重灌包，業(yè)務(wù)都恢復(fù)正常。兩臺BS4332 的整機(jī)分別運(yùn)行了48.91 h 和49.66 h，最后業(yè)務(wù)都能正常運(yùn)行。

在40 ℃環(huán)境溫度下，從2020 年10 月21 日10:09 開始接受開始灌包，到10 月23 日10:34，40 M 速率持續(xù)灌包48 h 以上，基站設(shè)備一直工作正常，業(yè)務(wù)總體正常，中途業(yè)務(wù)有停止是由于灌包jperf 中斷導(dǎo)致，隨時發(fā)現(xiàn)立即重灌包，業(yè)務(wù)都立即恢復(fù)正常。兩臺BS4332 的整機(jī)分別運(yùn)行了61.73 h和61.75 h，最后業(yè)務(wù)都能正常運(yùn)行。

該系統(tǒng)運(yùn)行測試情況如圖6。

圖6 4G 雙模通信系統(tǒng)測試圖

自該系統(tǒng)在司馬煤業(yè)應(yīng)用以來，實(shí)現(xiàn)了有線通信和無線通信的統(tǒng)一調(diào)度，徹底消除了各個數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的信息“孤島”，解決了各個系統(tǒng)相互獨(dú)立的問題，顯著地提升了司馬煤業(yè)的數(shù)據(jù)通信效率。

5 結(jié)論

為了解決司馬煤業(yè)采用小靈通無線通信技術(shù)所存在的通信效率低、穩(wěn)定性差的問題，提出了一種新的4G 雙模通信系統(tǒng)，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了4G 數(shù)據(jù)通信技術(shù)。根據(jù)在司馬煤業(yè)的實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）雙模無線通信系統(tǒng)在不打破原有通信資源的基礎(chǔ)上融入新技術(shù)，揚(yáng)長避短，有效保護(hù)了原有通信資源，節(jié)約了重新構(gòu)建系統(tǒng)所需資金，實(shí)現(xiàn)了煤礦地面和井下數(shù)據(jù)和視頻信息的高速傳輸，傳輸效率比優(yōu)化前提升了4 倍以上。

（2）創(chuàng)造性地將4G LTE 網(wǎng)絡(luò)與PHS 網(wǎng)絡(luò)完美融合，統(tǒng)一號碼管理，實(shí)現(xiàn)無線有線統(tǒng)一調(diào)度，解決各個系統(tǒng)相互獨(dú)立的問題，顯著提升了數(shù)據(jù)通信效率。

（3）應(yīng)用該雙模無線通信系統(tǒng)，提升了司馬礦井下小靈通調(diào)度系統(tǒng)融合性，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、可視電話、集群對講全業(yè)務(wù)模式。