4G无线通信系统在煤矿的专网应用

高小川 赵亚云



4G无线通信系统在煤矿的专网应用

高小川 赵亚云

榆林汇森煤矿建设运营有限责任公司冯家塔分公司，陕西 榆林 719400

为了解决煤矿井下无线通信系统功能单一、车辆定位调度等问题，以智能调度系统为核心，结合4G、定位、环网等多种技术的特点，提出了一种采用前端硬件融合、后端软件融合的高带宽、多功能的智能无线调度通信系统解决方案。通过系统部署，大幅提高无线通信系统的传输带宽与接入的多样性，将语音、视频、定位等多种功能融合为一，实现对各类无线终端的一体调度，从而在提高生产效率和安全性的同时，降低重复建设带来的资源浪费。

无线通信；4G；多系统融合；车辆定位

引言

随着通信技术的不断发展以及煤矿行业对无线通信系统的需求不断增加，煤矿井下的无线通信系统经历了从小灵通、Wi-Fi到3G（TDSCDMA及WCDMA）的发展阶段，近期更加兴起了4G的建设高潮，技术的发展带来了无线通信技术的革命。随着传输带宽的增加，无线应用越来越丰富，为煤矿生产调度效率的提高贡献了不少力量。在这个前提下，我们采用4G技术建设煤矿专网应用无线通信系统，实现了无轨胶轮车精确定位，为推进矿井两化融合建设做出了探索性的技术创新。

1 综合无线技术设计

1.1 无线通信技术选择

在设计系统时首先要选择合用的无线技术，确保语音通话和数据传输的质量。表1为目前主要的无线通信技术的主要参数对比。

表1 无线通信技术主要参数对比表

项目小灵通Wi-Fi3G4G 覆盖范围一般一般大大 语音并发数低较高（16）高（32）高（32） 通话质量一般较好好好 上行速率—100 Mbps5.76 Mbps50 Mbps 负载按照80%设计时，高清摄像仪并发数量—20～20018～10 抗干扰能力一般一般较好较好 终端价格较低低较低高

从表1中可以看出4G技术在抗干扰能力、基站切换、传输带宽以及覆盖范围等方面有优势，尤其适用于小数据包频繁的网络，因此采用4G无线通信技术实现语音通话、视频通话等业务在煤矿的专网应用中有一定的技术支持。

1.2 语音技术选择

在煤矿井下使用4G技术建设无线通信系统，由于4G技术在设计上不具备专用的语音通道，因此我们采用VoLTE技术实现语音及视频通话功能。VoLTE是基于IMS的语音业务。IMS由于支持多种接入和丰富的多媒体业务，具有传输质量好、稳定性佳、回音抑制优越等技术优势。

1.3 定位技术选择

目前煤矿主要使用的定位技术有RFID和ZigBee两种，主要参数对比如表2所示。

表2 定位技术主要参数对比表

项目RFIDZigBee 定位精度区域定位较高 覆盖距离近距离0.1～200 m 耗电量低耗电低耗电 抗干扰能力差较好 单基站并发数高高

从表2中可以看出RFID无法实现精确的车辆定位功能，因此系统中的定位技术选择ZigBee。

2 系统平台设计

为了满足煤矿的实际业务需要，以“智能调度”[1-3]为基础，将4G无线通信系统、工业以太环网进行有效融合，从而满足国家关于智慧矿山、数字化矿山建设的技术要求，实现有线、无线、广播、视频等系统的统一调度、统一管理、统一维护[4]。

2.1 系统组成

系统由智能调度平台包括地面调度服务器、录音服务器、网管服务器、调度台、4G核心网系统、井上下无线基站、手机等，具体说明如下。

（1）调度服务器：实现电话业务交换功能、电话调度功能、短信服务功能。

（2）录音服务器：实现对手机的录音、数据管理、数据统计、提供查询等。

（3）网管服务器：实现对所有设备的配置、维护等。

（4）4G核心网：支持语音、短信、数据等基本功能。

（5）调度台：实现对各个终端的调度操作功能等。

（6）无线基站：井下基站为4G综合通信分站，提供4G（FDD-LTE）无线覆盖，支持VoLTE功能，提供自组千兆环网能力，可选择提供定位信号覆盖。

（7）4G手机：支持VoLTE功能，可实现语音通话、视频通话、高速上网等功能。

2.2 井下基站设计

根据无线技术的选择结果与煤安要求，井下基站采用隔爆兼本安型设计，内部包括千兆工业以太环网交换机、4G基站、定位基站、电源等部件，具体如图1所示。

图1

基站可以实现自组千兆光纤以太环网，4G信号设计覆盖直径在800 m，定位信号覆盖直径在500 m左右。

2.3 车辆定位对讲设计

为了实现车辆的定位[5-6]与对讲功能，在车辆上安装定位标签及对讲终端，具体如图2所示。

图2

车辆对讲机及定位标签中均内置电池，确保在断电后依然可以工作一段时间。

2.4 系统特色

2.4.1 多系统融合

采用统一的接口标准将工业以太环网、4G无线通信、车辆定位、车辆对讲等系统进行硬件和软件融合。

2.4.2 基于智能调度系统

平台所有语音、短信、指令、视频等业务的联动均由智能调度系统处理。

2.4.3 精确定位

可以实现10 m左右的精确定位功能。

2.4.4 广播对讲

可以实现基于智能调度的车辆对讲功能和广播功能。

2.4.5 网络融合

所有子系统均采用以太网进行传输。

2.4.6 业务融合

利用智能手机，用户可以通过无线基站与调度台连通，可实现语音、短信、视频传输等调度功能。

2.4.7 功能扩展

通过移动终端App实现生产信息简报推送、设备运行远程监控、主要生产系统数据远程监控、人员位置监控等，提高调度效率，形成矿井大数据业务。

2.5 系统优势

2.5.1 一键疏散

调度员可以通过调度台向所有终端设备一键下发疏散通知，从而保证以最快的速度及最有效的方式通知到所有人员。

2.5.2 精确定位

系统同时具备车辆精确定位功能，为提高调度效率及紧急情况下有效引导人员疏散提供可靠保障。

2.5.3 统一调度

调度员可以通过调度台实现对所有终端的调度功能。调度功能包括强插、强拆、监听等。

3 结论

4G无线通信系统在煤矿的专网应用，目前处于试点建设阶段，因其采用先进的智能调度系统作为核心调度模块，将先进的4G无线通信系统与车辆定位、车辆对讲系统相结合，配合千兆环网交换机的使用，从根本上解决了无线系统上传带宽不足、语音质量一般、终端设备单一、技术生命周期短等许多问题，是煤矿井下无线通信系统建设的一种选择。

[1]周桦. 基于SIP协议的VoIP网络电话的研究与实现[D]. 南京：东南大学，2005.

[2]封晓燕，崔燕明，温永怡. 利用软交换实现多媒体调度通信的特色功能[J]. 电力系统通信，2014，31（13）：69.

[3]杨建军，臧海霞，杜鑫. IP调度系统专网应用设计[J].无线电工程，2013，43（5）：4-6.

[4]齐小文，周芬芳. 煤矿有线调度通讯系统的改造[J].煤炭技术，2013（9）：94-95.

[5]王小完，骆正山，李州. 基于GIS的物流配送系统车辆调度研究[J]. 统计与决策，2011（2）：54-56.

[6]李钢，张国良. 地理信息系统在矿井生产调度中的应用[J]. 金属矿山，1998（3）：1-3.

Application of 4G Wireless Communication System in Coal Mine Special Network

Gao Xiaochuan Zhao Yayun

Yulin Huisen Coal Mine Construction and Operation Co., Ltd., Fengjia Tower Branch, Shaanxi Yulin 719400

In order to solve the problems of coal mine underground wireless communication system with single function and vehicle positioning and scheduling problems, an intelligent scheduling system is taken as the core, combined with the characteristics of 4G, positioning, ring network and other technologies, an multi-functional intelligent wireless dispatch communication system solution that adopts front-end hardware integration and back-end software high-bandwidth is proposed. Through system deployment, the wireless communication system’s transmission bandwidth and access diversity are greatly improved, and various functions such as voice, video, and positioning are integrated into one to realize integrated scheduling of various types of wireless terminals, thereby improving production efficiency and security. And reduce the waste of resources caused by repeated construction.

wireless communication; 4G; multi-system integration; vehicle positioning

TD65+5；TN929.53

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