TD-SCDMA与Femtocell矿井通信系统的设计与分析

孙伟强，朱祥乐，钟橙（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210019）



TD-SCDMA与Femtocell矿井通信系统的设计与分析

孙伟强，朱祥乐，钟橙
（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210019）

摘 要针对我国煤炭能源行业信息化的业务特点和发展需求，并结合当前TD-SCDMA通信技术的特点，提出基于TD-SCDMA技术的煤炭通信专网系统，再分析Femtocell技术的潜在优势，提出基于Femtocell技术的矿用无线通信系统。分析两种通信系统方案的特点，并对两种系统方案在矿井通信中的适用性和可行性做了详细的对比。结果表明：基于Femtocell技术的无线矿用通信系统方案在工程的部署和技术的成熟度方面具有很多不足，而基于TD-SCDMA技术的专网煤炭系统方案在工程规划设计方面，符合煤矿特殊作业的要求，并在布网实施方面具有很高的可操作性，满足矿井特殊环境对通信的需求，因此作为煤矿企业首选的矿井无线通信解决方案成为必然。

关键词无线通信；TD-SCDMA；Femtocell；矿井通信

1　引言

随着全球无线通信技术的更新换代和3G技术在我国的整体布局和成熟商用，给4G通信技术的发展演进提供组网经验和奠定基础的同时，为广大民众的生活带来全新的体验，也为各项工作的信息化提供极大便利，相对我国各类能源等行业应用领域中的无线通信技术的发展，已明显无法满足各个行业应用领域中对信息化发展的强烈需求。

因此，煤炭行业迫切的安全需求和严峻的生产形势，煤炭行业的生产必须走信息化和工业化相结合的道路[1]，国家通过各种强制政策推动煤炭行业的生产安全系数，煤炭企业也在国家相关政策的强力支持下探索和逐渐采用各类煤矿生产安全相关的通信信息化解决方案。

2　基于Femtocell的矿用无线通信系统

2.1Femtocell技术分析

Femtocell是近年来随着融合通信技术的发展并根据移动业务宽带化趋势和无线通信技术的发展，推出的一种超小型化、低功耗移动基站[2]。在地面应用中，Femtocell使用IP通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，为实现接入用户语音业务和分组数据的通信服务[3]，需要有专用网关在接入远端支持从IP网到移动通信网的互通。

Femtocell的物理外形和家用ADSL调制解调器极其相似，作为蜂窝移动通信网络解决室内信号覆盖问题的补充手段，具有即插即用、自动配置、安装方便、自动网规等特点。

目前Femtocell的应用有适用于CDMA、GSM、UMTS的各种标准的产品，Femtocell所采用的2G、2.5G、3G的产品制式及其运行频段都与移动通信网络运营商现有基站相同，同时也支持移动终端通过接入网络与地面公共移动通信网络通信[4～6]。

2.2系统结构

基于Femtocell技术的无线矿井通信系统网络结构如图1所示。

基于Femtocell技术的无线矿井通信系统的井下通信系统的网络架构采用标准的Femtocell网络拓扑结构，系统网元间的互通主要采用现有的IP传输系统并经过工业以太网实现与地面核心主系统的连接，以此实现井上和井下通信系统的有机结合。

Femtocell无线通信系统包含Node B和RNC的功能，一般由天馈子系统、中频/基带子系统、射频子系统、传输子系统、控制子系统等部分组成。Femtocell无线通信系统中用户终端通过Uu接口与无线基站进行交互，无线基站再通过Iuh接口搭载在矿井矿区原有的宽带承载网与Femtocell相关网关进行联通，最后由Iu接口连接至矿井系统的核心网络。矿井系统采用的核心网是公众移动核心网的精简并保持现网核心网结构结构不变，是整个呼叫信令控制和承载建立的控制核心，包括用户归属位置寄存器和移动交换中心等网元。

图1　基于Femtocell技术的无线矿井通信系统网络结构

2.3系统分析

2.3.1无线干扰

无线信号覆盖与传统基站相比，Femtocell小区的覆盖半径相对较小，工程经验值为50～200 m，配置载波数量为1个，最多可支持和满足4～6个活动用户的接入，发射功率为10～100 mW，由此可见为实现有效的无线信号覆盖其井下Femtocell小区的部署数量将非常庞大。更重要的是，无线频谱资源有限，随着Femtocell数量的增加，使得信号干扰变大，其网络管理的复杂度也会随着增加，如何降低相互间的无线干扰是需要继续解决的问题。

2.3.2时钟同步

时钟同步是所有通信系统不可避免的问题，基于Femtocell的无线矿井通信系统的同步问题也不可忽略，尤其在我们国内的当前环境下，对于Femtocell的同步技术将是一个挑战。

当前Femtocell和核心网络的同步主要是用GPS （Global Positioning System，全球定位系统）同步，在现有很多矿井地下的场景网络系统无法获得足够多的有效GPS信号。在地下矿井的通信环境中几乎不可能获得GPS信号，但为了能够真正实现Femtocell用户安装即插即用，必须要探求替代GPS的同步方式。

2.3.3区域切换

由于单个Femtocell小区的覆盖半径仅有50～200 m，所以需要连续覆盖井下在长距离和大面积的作业巷道的Femtocell小区数量较大，因此在用户终端容易从一个Femtocell的覆盖区域进入另一个覆盖区域。在用户终端进行语音通话或其他通信业务的同时，这种跨区域间的活动会产生信号的频繁切换，同时考虑Femtocell系统自身容量的限制，会带来通话语音质量及业务系统稳定性等方面的问题。

2.3.4Femtocell网络架构的安全

Femtocell也存在网络安全方面的信号泄露的隐患，所采用的网络架构必须保证非法接入用户无法利用Femtocell作为攻击和破坏核心网的手段工具。因此Femtocell系统需要采用高级别的鉴权机制，禁止未授权的用户终端接入Femtocell系统进行各类通信业务。

3　基于TD-SCDMA的煤炭专网解决方案

3.1方案总体架构

凭借TD-SCDMA移动通信技术的核心优势，积极探索和进一步挖掘TD-SCDMA技术在我国各行业应用领域中的通信需求和广泛应用，提出适合多个行业信息化应用的小型化TD-SCDMA企业专用网络系统——TDeN（TD-SCDMA Enterprise Network，TDSCDMA企业专网），其中基于TD-SCDMA的矿井通信专网系统方案的总体结构如图2所示。

图2　基于TD-SCDMA的矿井通信专网系统网络结构

矿井通信专网系统功能包括：支持实时的12.2 kbit/s语音通信业务，支持HSDPA/HSUPA。矿井通信专网系统可与通信调度台进行互通，以此可同时解决煤炭企业矿井上和井下的应急通信的需求。矿井专网系统保证矿区内外信息通信的畅通无阻，满足日常安全生产的通信需要，实现纵向调度信息的可靠灵活，能够保证在矿井安全事故发生和自然灾害发生时进行应急指挥通信。矿井通信专网系统适用于各类型的小型、大中型煤矿以及多矿开采的井下矿井企业。

3.2方案特性

3.2.1系统主设备说明

TDR100： 实现和完成接入用户的业务所需要接入与综合处理的综合接入控制设备；将基带处理部分、基站控制器、分组业务相关的核心网功能进行整合，采用集成小型化的设计原则，满足煤矿企业用户的需求，设备的建网成本进一步减少。

TDS100：是主要集成TD-SCDMA通信公共网络中核心网电路域的媒体控制和交换的功能，同时兼有调度和交换功能，现网设备容量最大支持5 000用户。

TDU150：实现井下移动网络信号良好覆盖的井下本质安全型基站。TDU150使用本安型电路设计，具备低热量、低功耗、防爆、高可靠性的特性。

TDU200：用于井上网络信号全覆盖的室内型基站，可提供高速稳定的宽带数据业务；具备结构紧凑、高效率处理的特性，最大可通过通信光缆拉远至40 km。

TDU311：主要完成地面网络信号全覆盖的井上室外矿用基站。

TDU311基站充分考虑接入用户在覆盖、容量、业务、电源、传输、安装、维护等方面的多种需求，采用高度集成一体化的产品设计，并利用光纤拉远的应用优势，实现远端独立站点的信号覆盖，从而节省了基站资源的投资。

3.2.2系统性能

①支持的CS话务量：80 Erl；

②支持的PS吞吐量：24 Mbit/s；

③井下覆盖小区最大支持12载波；

④井下可连接144个TDU100；

⑤井下基站为本安型设计；

⑥井下网络核心设备互联采用全光缆连接，信号传输可靠安全，避免打火隐患。

矿井通信专网系统具备综合性业务通信网的工程，适应各类煤炭企业的运行环境并具有良好的网络系统兼容性，能完成自由漫游和多点互联的通信能力，并有业务扩展能力强、组网部署灵活、鉴权高安全性和系统高可靠性的特点。

3.3方案分析

基于TD-SCDMA技术的的煤炭专网通信系统是针对矿井巷道通信环境开发设计的，其通信系统方案的特点分析如下。

3.3.1技术的先进性

TD-SCDMA采用时分双工的接入方式，提供主流和先进的通信处理技术提供优良的无线特性、高带宽数据能力、高话质，使得矿井通信系统与现有企业调度系统融合度进一步提高。

3.3.2与公网技术同源

TD-SCDMA技术已经得到中国移动通信网络的充分锤炼和验证，根据公网的运行经验可确保专网通信系统性能的稳定性；同源技术，使得煤炭通信专网系统借鉴中国移动公网，得到长期优化和发展，达到电信运营级标准；行业专网通信系统的发展与公网同步，使得基于TD-SCDMA通信技术的煤炭专网产品的性能逐步完善，以此也能够成为各类型企业采用的大众产品，可为专网通信用户提供高性能低价位的通信设备。

3.3.3强大的产业联盟

TD-SCDMA通信技术拥有强大的产业联盟后盾，不论从终端芯片还是到主设备、再从仪器仪表到业务应用的开发，都可保障矿井专网通信系统的长期投资，并强有力的支持专网通信系统后续的技术演进和业务功能的发展。

3.3.4综合性业务通信网

TDeN支持丰富的业务类型，包括视频监控、数字集群调度、短信群发、点对点短信、可视电话、多方通话、高质量的语音业务，同时还可实现有线和无线电话可统一调度、与公网的互连互通已实现个别特殊业务需求。

3.3.5组网灵活

矿井专网通信系统根据不同的应用场景需求可灵活定制，软硬件容量可大可小，组网灵活；系统平台提供上层应用接口的开放性，便于业务扩展。采用主流的网络部署方案——光纤拉远分布式基站技术，覆盖范围广，频谱利用率高，高集成度的小型化设备，便于网络规划与设备维护。

3.3.6高可靠性和高安全性

井下巷道通信系统的组网设备采用无源的光纤信号传输方式，造价低、传输距离远、带宽利用率高，可进行更加便捷灵活、更安全的网络建设；专网通信系统产品采用负荷分担或者热备份的冗余设计方式，确保达到国家电信级设备的性能要求。专网系统拥有高可靠性和安全性，遵从一流的国际通信标准。采用的井下通信设备完全符合煤炭行业标准，可满足煤炭企业安全生产的各类特殊业务需求。

4　系统方案对比分析

根据第三代TD-SCDMA通信技术和Femtocell技术的特点，分别提出各自在煤炭专网应用中的通信系统方案，现从井下无线通信系统的关注点对两种系统方案进行深入的对比分析。

（1）电气防爆[7]：基于Femtocell技术的无线矿用通信系统没有也不能确保井下巷道通信设备的电气防爆性能，需要进一步提升系统设备的安全性。基于TD-SCDMA通信技术的煤炭专网通信系统的井下巷道通信设备满足煤矿企业安全生产的特殊要求，完全符合本质安全标准。

（2）发射功率：两种技术体制的系统方案采用的井下通信设备的发射功率都较低，并达到防爆的本质安全要求。

（3）设备小型化：Femtocell系统设备需要安装在井下，虽然采用设备实现高集成小型化，但部署网络设备数量较多，施工难度系数大。TD-SCDMA煤炭专网采用的井下设备重量轻体积小，可直接采用19寸标准机柜安装在建筑物的室内墙体上，实现低成本快速部署。

（4）抗干扰能力：基于Femtocell技术的无线矿用通信系统，设备相对集中，抗干扰能力较弱，电磁干扰严重，并且Femtocell小区覆盖半径的不足进一步限制其技术的行业应用。基于TD-SCDMA通信技术的的煤炭专网通信系统中TDU100可实现距离500m的双向覆盖，由于其技术本身具有的强抗干扰能力使得TDU之间的信号干扰进一步降低。

（5）组网和维护：Femtocell系统是直接与现有核心网连接，并且与现网设备的操作与维护系统相比，Femtocell的维护和操作系统必须是独立设置，由此才能完全避免Femtocell系统与现网运行系统产生深度耦合。基于TD-SCDMA技术的煤炭专网通信系统根据不同的应用场景需求可灵活定制，软硬件容量可大可小，组网灵活，仅需单台计算机就能对专网设备进行全网安全操控和实时维护。

（6）防护性能和抗故障能力：Femtocell系统的抗故障能力较弱[8]，且不具备热备份的冗余设计方式。而基于TD-SCDMA通信技术的煤炭专网通信系统可采用负荷分担和热备份等冗余方式，抗故障能力较强。

5　结论

本文在分析煤炭行业用户的应用需求和技术特点的基础上，针对Femtocell技术和TD-SCDMA技术各自的通信特点，分别提出基于Femtocell的无线矿用通信系统和基于TD-SCDMA技术的煤炭专网无线通信系统，并从井下巷道无线通信系统的各种关键性能进行对比分析，同时也对两种制式在矿井中的适用性做了对比。对比结果表明：基于TD-SCDMA通信技术的煤炭专网通信系统是统一先进和性能完善的综合信息化解决方案，从网络规划到系统实施具有较高的可行性，完全符合煤矿特殊作业环境对通信保密性、可靠性、安全性等各类要求，是各种类型煤矿企业首选的无线矿井通信解决方案。

参考文献

[1] 赵琛. 信息化建设在煤炭行业的应用[J]. 现代经济信息, 2010(2):80-81.

[2] 朱小景. 引入Femtocell对CDMA网络的影响[J]. 邮电设计技术, 2010(2):30-33.

[3] 巫晨运. Femtocell基站应用于3G网络的问题及解决方法[J].电信工程技术与标准化, 2011,24(1):83.

[4] 3GPP TS 22.220 V1.0.1 (2008-12), Service Requirements for Home NodeBs and Home eNodeBs[S], 2008.

[5] 3GPP TR 25.820 V8.2.0 (2008-09), 3G Home Node B Study Item Technical Report[S], 2008.

[6] 3GPP TS 33.320 V10.0.0 (2010-09), Security of Home Node B (HNB) / Home evolved Node B (HeNB)[S], 2010.

[7] 国家标准：GB3836.4爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全[S].

[8] Chandrasekhar V, Andrew J, Gatherer A. Femtocell networks: a survey[J]. Communication Magazine, 2008,46(9):59-67.

Design and analysis of TD-SCDMA and Femtocell in mine communication system

SUNWei-qiang, ZHU Xiang-le, ZHONG Cheng
(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

AbstractAccording to the characteristics of the coal industry informatization development needs and business, combination of TD-SCDMA and Femtocell technology advantage, put forward a mine wireless communication system based on Femtocell and coal private network communication system based on TD-SCDMA. This paper analyzed the characteristics of two kinds of communication system solutions and compared the applicability and feasibility of the two systems in detail. Results of the contrast showed that there are still plenty of shortcomings in wireless communication system based on Femtocell; on the other hand, coal enterprise network system based on TD-SCDMA has the high feasibility form plan to implementation, completely accords with the requirements for communication of special environment in coal mine, and it can be the preferred solution of mine wireless communication system for coal enterprises.

KeywordsWireless communication; TD-SCDMA; Femtocell; mine communication

收稿日期：2015-11-21

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）01-0053-05