LTE技术在煤矿无线通信系统中的应用分析

张晓光，胡文涛（.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州，305；.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州，305）



LTE技术在煤矿无线通信系统中的应用分析

张晓光1，胡文涛2
（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州，213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州，213015）

摘要：结合煤矿无线通信系统的现状和发展趋势，说明了LTE的发展过程及特点，并阐述了其关键技术；描述了基于该技术的系统组成架构，实践表明该系统具有广泛的应用价值和良好的发展前景。

关键词：无线通信；LTE；OFDM；MIMO

0 引言

本世纪，伴随着地面无线通信技术的革新，煤矿井下通信已由上个世纪产生的有线电话调度通信发展到有线、无线两种通信并存的局面。近几年，WIFI技术已逐渐成熟，3G通信方兴未艾，具有语音、图像和数据通信功能的全矿井移动通信系统已成为首选。LTE技术则是4G无线通信的过渡，更是实现矿山物联网的重要一步。

1 LTE技术的演化进程及特点

LTE是移动宽带化和宽带无线化的融合，无线接入网的网元之间使用IP技术进行数据传输，即移动通信网IP化是二者融合的网络基础，其演化进程如图1所示。

图1 LTE演化进程图

WCDMA技术和TD-SCDMA技术有着很大的作用，在此基础上进行了较长时间的研究，使LTE技术项目得到了快速的发展。LTE技术已被当作无线通信技术领域的发展标准，因此其发展可以加快4G时代的到来。与3G相比，网络性能更好，网络成本更低，其主要技术特点如下：

（1）带宽灵活配置：支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的带宽。

（2）峰值速率更高：下行100Mbps，上行50Mbps。

（3）时延更小：用户面不大于5ms，控制面不大于100ms。

（4）速率更快：速度大于300km/h的移动用户接入速率不低于100kbps。

（5）网络结构简化：取消电路（CS）域和无线网络控制（RNC）节点。

2 LTE关键技术分析

2.1OFDM技术

OFDM是真正适用于宽带传输的技术。OFDM就是利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。通过相互正交的子载波来实现多载波通信。在基带相互正交的子载波就是类似｛sin（ωt）、sin（2ωt）、sin（3ωt）｝和｛cos（ωt）、cos （2ωt）、cos （3ωt）｝的正弦波和余弦波，属于基带调制部分。基带相互正交的子载波再调制在射频载波ωc上，成为可以发射出去的射频信号。

在接收端，将信号从射频载波ωc上解调出来，在基带用对应的子载波通过码元周期内的积分把原始信号解调出来。基带其他子载波与解调所用的子载波由于在一个码元周期内积分结果为0，相互正交，这样在接收端无需分离频谱就可将信号准确地接收下来。

OFDM系统通过多个正交的子载波来区分不同的信道，并行地承载数据。这种调制方式与其他制式的通信系统相比，具有以下优势：

首先，频谱利用效率高。FDM系统的各信道之间留有一定的带宽间隔，有限带宽内频率的利用率低。OFDM的多个正交子载波可以相互重叠，无须保护频带来分离子信道，从而提高了频率利用率，如图2：

图2 频谱利用率图

其次，带宽配置灵活，且易于扩展。

（1）相对于带宽固定的通信系统来说，运用LTE技术的系统实际工作带宽可以灵活配置。在WCDMA系统里，上、下行带宽均为固定的5MHz，不能改变；但在LTE系统里工作带宽可能会出现某一时刻上行带宽2MHz，下行带宽20MHz，而下一时刻的上行带宽1.5MHz下行带宽5MHz的情况。

（2）工作频率可以离散划分，以往无线通信系统的工作频率都是连续分配的。但是支持离散频段的电路设计相对复杂，芯片等核心部件价格昂贵。在WCDMA系统中，5MHz的固定带宽是连续的；而在LTE系统中，有六种带宽配置，如果需要10MHz带宽时，可以将这10MHz带宽分配在不连续的频率上，即这个频段上分配3MHz，而另一个频段上分配7 MHz，并且这两个频段并不相连，如图3。LTE工作频段有40个，支持从700MHz到2.6GHz等多种频段。

图3 带宽分配图

2.2MIMO

无线系统的多个发射天线和多个接收天线可以组成一个多入多出（MIMO）系统，成为一个高效的信息传输系统。MIMO系统的发射部分和接收部分均采用多天线技术，多个信号数据流在空中并行发送，多个接收端同时接收，如图4。

图4 MIMO多个数据流并行传输

在发射端，输入的数据流变成几路并行地符号流，分别从Mt个天线同时发射出去；在接收端，从Mt个接收天线将信号接收下来，使用与发射端相逆的处理过程恢复出原始信息。多个数据流可以包含不同的数据，也可以包含相同的数据。数据流的不同就代表着信息的不同。不同的信息同时发射，意味着信息传送效率的提升，也就是提高了无线通信的效率。同一个数据流的不同版本，就好比同样的信息，不同的表达方式，并行发射出去。

3 LTE技术在矿井通信系统中的应用

图5 系统组成图

3.1系统结构

该无线通信系统分井上和井下两部分。井上部分包括工控机、智能调度台、网络管理服务器、网关、交换机等；井下部分包括电源、基站、手机、摄像仪，如图5所示。

3.2系统应用

该4G专业无线宽带集群解决方案，它基于TD-LTE技术，在一张网络内同时提供专业级的语音集群，宽带数据传输、高清视频监控及视频调度等丰富的多媒体通信手段。尤其是基于LTE的宽带无线视频，可实现720P、1080P对矿井的高清视频监视，可将井下特定工作区域的监视画面与领导或调度室进行共享。高速率的数据传输满足了可靠性和实时性的要求。

LTE矿用无线通信系统支持基本的强插、强拆、互转、会议等调度业务。除此之外，更充分发挥LTE支持可视电话业务的特点，调度台可直接进行可视化调度，实时掌握被调度用户的现场情况。

系统中，基站、手机、摄像仪均为本质安全型无线设备。按照国家对煤矿产品的要求，无线设备的发射阈功率应不超过6W，该功率即是在一定的系统工作频带内，无线设备在发送天线口处的平均发射功率。基站与基站之间采用光缆传输，无需中继器，单级之间连接距离最远可达15km。

地面交换机具有以太网电接口和光接口，用于连接井上设备和井下基站，传输速率可根据10/100/

1000Mbps自适应。在无线能覆盖的距离内，井下任何一个站点均能放置基站。基站之间的传输采用IP方式，可接入以太环网，支持光口或电口等多种方式。并且随着巷道的分支和延伸，可以通过直接串联基站的数量实现扩容，这样不仅有效降低了工程难度喝施工成本，而且缩减了系统的日常维护成本。

4 结语

基于LTE技术的矿用无线通信系统通过接入各种无线终端，实现了高清晰语音通话、高质量图像监视的功能。目前该系统已经开始应用于我国煤矿井下，依靠高速率的数据传输，未来还可接入传感器、精确定位卡等，搭建起感知矿山的平台，进一步提高煤矿安全监测水平和信息化管理能力。

参考文献

［1］孙继平.煤矿事故特点与煤矿通信、人员定位及监视新技术［J］.工矿自动化，2015，41（2）：1-5.

［2］霍振龙，顾义东，李鹏.LTE通信技术在煤矿的应用研究［J］.工矿自动化，2016，42（1）：10-12.

［3］MT/T1115-2011多基站矿井移动通信系统通用技术条件［S］.2011.

［4］GB 3836.1-2010爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求［S］.2010.

［5］王晖，余永聪，张磊，等.4G核心网络规划与设计［M］.人民邮电出版社，2016.

中图分类号：TD67

文献标识码：A

作者简介

张晓光（1983年11月），男，山东莱州人，汉族，工程师，工程硕士，现主要从事煤矿用通信、检测、控制用电工电子产品的检验工作。

基金项目：2014年国家高技术产业发展项目计划：矿山监控预警设备与仪器仪表安全准入分析验证实验室建设项目（基金编号2014ZX002）

Application Analysis of LTE Technology in Wireless Communication System of Coal Mine

Zhang Xiaoguang1，Hu Wentao2
（1.Changzhou Research Institute Limited Company.，Changzhou，213015，China；2.Tiandi（Changzhou） Automation Co.，Ltd.， Technolohy Co.，Changzhou，213015，China）

Abstract：Combined with the status quo and development tendency of coal mine wireless communication system，the paper illustrated the development process and characteristics of LTE，and expounded its key technologies，and described the system architecture based on the technology.The practice shows that the system has extensive application value and good prospects for development.

Keywords：wireless communication；LTE；OFDM；MIMO