基于WiFi无线接入技术的煤矿通讯系统

吴青萍 傅郁松

(1.常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164 2.常州联力通信科技有限公司 江苏常州 213125)

基于WiFi无线接入技术的煤矿通讯系统

吴青萍1傅郁松2

(1.常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164 2.常州联力通信科技有限公司 江苏常州 213125)

目前，小灵通技术在煤矿行业通信占统治地位，但是迫切需要一种替代技术应用于煤矿行业通信。通过分析WiFi技术与网络结构，提出了基于WiFi技术的煤矿通讯系统的设计，详细介绍了系统组成、系统功能特点及通讯过程。

小灵通;WiFi技术;网络结构;IP-PBX

随着国家能源的市场化运作，煤炭在我国能源体系的战略地位越来越重要，国家于多年前就提出建设“数字化矿井”，即是用高科技的手段提高煤矿企业的安全生产。国内各大中型矿企都积极响应国家号召，大力推进全自动化矿井建设，小灵通一度成为煤矿行业通信的统治者。小灵通技术应用业务占据的频段是1 900～1 920 MHz，而该频段正好和国家自主知识产权3G技术TD-SCDMA使用的频段相冲突。为了让TD-SCDMA技术得到广泛推广和应用，2009年2月，国家工信部发文明确要求小灵通要在2011年年底完成清频退网工作，腾出相关频段供3G技术发展。很多业内人士都担忧以前完全占据统治地位的小灵通的全身而退会对煤矿应用通信造成较大的困扰，但WiFi无线网络技术却以其覆盖范围广、传输速度高、布网成本低的优势走入行业应用者的视线，成为当仁不让的替代技术。

1 WiFi技术与网络结构

1.1 WiFi技术

WiFi全称Wireless Fidelity，译为“无线相容认证”，是指以IEEE802.11b规范为基础的无线局域网，IEEE802.11b是IEEE802.11无线网络规范的扩展，它是当前应用最为广泛的WLAN标准，采用波段是2.4 GHz。最高带宽为11 Mbps，在有干扰信号或信号较弱的情况下，带宽可自动调整为5.5 Mbps、2 Mbps和1 Mbps，这样便有效地保障了网络的可靠性和稳定性。其主要特性为:传输速度快、可靠性高，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本相比小灵通更低。

WiFi属于无线保真技术，该技术使用的是2.4～2.483 GHz的频段，该频段目前尚属无需许可的无线频段。随着技术的发展，以及IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作WiFi。

1.2 WiFi网络结构

WiFi是由AP和无线网卡组成的无线网络，网络结构如图1所示。

图1 WiFi网络结构

AP全称AccessPoint，一般翻译为“无线访问节点”或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP就像一般有线网络的HUB一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连，就像手机或小灵通的基站一样，提供射频和空中接口的功能［1］。无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。任何一台无线终端均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源。

由图1可以看出，WiFi就是一种无线联网的技术，以前通过网线连网，而现在则通过无线电波来连网;WiFi可以使无线网络用户获得以太网的网络性能、速率和可用性。

2 WiFi与小灵通技术比较

WiFi网络可以实现轻松的部署，架设无线网络的基本配备就是无线网卡及AP，如此便能以无线的模式，配合现在矿上已有基于IP的工业以太网的有线架构来分享网络资源;每个AP可支持8部以上的手机同时通话;它使用开放的2.4 GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11 Mb/s，若无线网卡使用IEEE802.11n标准，其无线数据传输率甚至可以达到300 Mb/s;WiFi无需布线传播，无线电波的覆盖范围广，有效距离长，能达到约500米的直线传输距离;WiFi通讯系统在保证传输语音质量的同时，还能传输数据、图像、视频等业务。而小灵通系统每个节点最多只支持3部手机同时通话;传输速度慢，最大数据传输速率仅为384 kb/s。小灵通功能单一，只能传输语音业务，也很难再有更多的扩展性，另外由于小灵通的传输为非IP方式，与现有普遍应用的工业以太网很难共用传输线路，需要另外增加线路敷设，会额外增加用户使用成本。

可见，WiFi的系统性能远超越小灵通技术。它可实现轻松的部署WIFI基站，就近接入IP网即可实现系统的完全互联，无线WIFI终端可轻松接入网络，实现井上、井下的无线调度终端部署，完全基于统一平台开发，实现全网的有线、无线调度功能。现在已有多家厂商成功将WiFi应用于煤矿井下。

3 基于WiFi技术的煤矿通讯系统

3.1 系统组成

整个系统以矿井光纤网为整个系统的主干传输平台，以TCP/IP协议为基本架构，以WiFi无线网络为延伸，形成有线主干与无线终端相结合的方式，覆盖井下部分或全部巷道及地面相关区域，为实现人员的语音通讯、人员管理、数字化视频监控及环境监测等提供了一个共用的平台;也为实现生产调度、应急救援与安全监控与督察提供了良好的应用基础。

WiFi无线通信系统由管理主机、UPS电源、语音网关、IP PBX、矿用网络交换机、矿用本安手机、矿用无线通信基站组成。可用于井上井下无线通信、人员定位、各类监测监控数据无线收发、视频等多媒体信号无线传输及构建井下无线局域网。系统组成框图如图2所示。

图2 基于WiFi技术的煤矿通讯系统组成框图

语音网关一侧连接已有数字程控交换机(PBX)，一侧通过IP网络与IPPBX连接，实现IPPBX与PSTN的互连互通，将IP网络与固定电话网络、移动网络完美结合，从而实现对于公网、专网有线、无限用户的综合指挥调度。

IP PBX融合了PBX、语音网关、IP路由和防火墙等多种功能，可直接连接IP语音网络，也可以直接连接模拟语音网络(如直接与PBX、PSTN和VoIP虚拟运营商等互联互通)，将语音和数据通信服务融合到一个通信平台中。

井上基站(地面AP)是为了配合地面无线信号的覆盖，一般类似于小灵通大基站，采用大功率基站来覆盖，除了能够满足语音通信以外，还能为地面办公室人员的无线上网、中短途数据传输等提供服务。

矿用本安交换机为解决井下IP数据汇聚传输的设备。矿用本安无线基站(井下AP)是无线网络的接入点、无线收发单元，是移动终端与矿用交换机之间的无线通信传输中转站。

矿用本安手机是本质安全型基于语音的无线IP电话，能够提供VoIP功能，可以共享IP网络，同时具有商用手机的各种功能。

3.2 系统功能特点

1)系统传输基于现在矿上已有的基于IP的工业以太网，基站的供电以集中远程为主，就地取电为辅，基站信号传输以铜缆为主，干线传输以光缆为主。系统通讯线路采用灵活方便的星型结合树型的混合拓扑结构，其中任一过程点出现异常，对其它基站没有影响;同时系统通讯设备采用了标准TCP/IP协议，具有很强的网管能力［2］。

2)利用现成的工业以太环网为干线，对于矿方用户综合成本低，维护及时;通过开放的WiFi协议，可方便接入符合WiFi协议标准的设备，同时将宽带无线通讯技术引入井下，实现了矿井宽带无线数据通讯，系统可通过网关设备与调度系统无缝连接，实现全矿井安全生产各环节的无线数据传输［3］。

3)通过高性能语音网关作为中心语音网关设备，在组网能力、互通兼容性等方面都具有良好的支持，支持各级VoIP规模的产品，有E1语音模块，支持FXO、FXS等接口，连接PBX或普通电话，实现语音信号在传统电路交换网络和IP网络之间的转换，为煤矿企业提供高质量、低费用的语音互联。

4)IP PBX融合了TDM、VoIP、软交换等多种通信领域的先进技术，通过与模拟语音网络的连接，可以保护原有投资和兼容传统语音网络，通过IP语音网络连接能有效地减少电缆的铺设，增加通信网络的可移动性、可扩展性;同时由于基站的功率很小，约3～5 W，每对线路上电流可以很小，如用井下照明电127 V，线路上可以限制最大电流为 40～50 mA，施工及维护相当简单。

5)基站中的AP设备网管和SIP数据以端口分开，SIP数据提供给IPPBX进行语音及短消息等处理。网管提供对AP的各参数设置，同时网管定时取AP中的终端用户数据，以AP的地址+SSID作为人员定位的依据。

3.3 系统通讯过程

根据煤矿实际情况和需要，在井上、井下设立若干个无线通信基站(AP)，建立WiFi网络覆盖井下巷道，系统通过带有WiFi模块的手机等WiFi终端设备来进行通信。位于地面的管理主机通过交换机分配给进入到无线信号覆盖区域的每一台WiFi终端设备一个IP地址，同时存入数据库。在通电的情况下，AP会向周围发射信号，用以侦听带有WiFi终端设备的存在;WiFi终端设备每隔一定时间向AP主动发射信号，发射周期可根据用户实际需要自行设置，AP接收到WiFi终端设备发出的信号后并将信号矿用网络交换机上传到地面管理主机，这样管理主机就可判断并记录其具体分布位置等信息。

呼叫时AP收到WiFi终端发出的无线信号，并将其调制打包后通过矿用交换机送到地面管理主机，经软件处理后又经矿用网络交换机送到覆盖被呼叫WiFi终端所在区域的AP，被呼叫WiFi终端接收信号后经过振铃提示并调制成语音给WiFi终端持有者，完成一次通话。

由于WiFi的传输速度远高于小灵通，并且WiFi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的开放频段，因此WiFi无线设备提供了一个世界范围内可以使用的、费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。WiFi通讯系统凭借其优异的功能和性能势必成为煤矿安全通讯不可或缺的利器。

［1］ 陈文周.WiFi技术研究及应用［J］.数据通信，2008 (2):14-17.

［2］ 杨娟，郭江涛.WiFi通讯技术在煤矿井下的应用［J］.煤矿安全，2008(2):49-51.

［3］ 鲁艳，毛旭.基于WiFi的无线网络安全对比分析［J］.广东通信技术，2007(3):25-29.

Coal Mine Communication System Based on WiFi Technology

WU Qing-ping1FU Yu-song2

(1.School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164 2.Changzhou Lianli Communication Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213125，China)

At present，Personal Access Phone System technology plays an important role in communication of coal mining industry，it is also a kind of communication which needs to be replaced by other technologies.By analyzing the WiFi technology and the network structure，the paper provides communication design of coal mine industry based on WiFi technology.It also introduces the structure，features of the system and the communication process.

Personal Access Phone System;WiFi technology;Network structure;IP-PBX

TD 655

B

1672-2434(2010)06-0021-03

2010-09-14

吴青萍(1969-)，女，副教授、高级工程师，从事研究方向:电子技术教学、通信类产品应用开发