矿用4G无线通讯系统在千万吨矿井的应用研究

任 艳

0 引言

近年来，基于移动通信技术的矿用通信系统及信息融合系统已成为煤矿企业广泛关注的热点，对煤矿安全生产、抢险救灾，提升煤矿信息化水平具有重要意义。目前，公网无线通信系统在矿井应用的主要有小灵通无线通信系统、矿井WIFI 通信系统、TD-SCDMA 3G 无线通信系统，但是这些技术已经不能满足煤矿安全生产和无线可视多媒体服务的需要。与传统的无线通信系统相比，本文提出的TD-LTE 4G无线通讯系统结构简单、部署灵活，具有明显的技术优势和性能优势，多级分布式综合自动化数据传输网络将生产的过程控制与企业管理有机结合，为塔山煤矿提供统一的通信平台，实现调度通信和行政通信一体化、井下通信和井上通信一体化、有线无线一体化、通信定位一体化以及语音和数据通信一体化，对企业降低生产成本和减少安全隐患非常有利。

1 功能介绍

针对塔山矿工作特点，通过视频监控、视频调度、宽带接入、语音集群、人员定位、短信/彩信、应急指挥调度等功能，提高了矿井无线移动通信能力。系统主要功能设计如下：

1.1 语音集群调度

语音集群通信系统将移动终端用户分配到特定的集群组中；当某终端用户发现情况，需要通知组内其他人员时，按下终端的PTT 键，成为组内主讲人，进行一对多的通话；组内其他人员能够及时听到组内主讲人说话，及时了解现场的情况；组内有其他优先级更高的人员，需要对现场情况进行询问或者给出指示，可以按下PTT键进行话权抢占，打断正在说话的人员，成为新的主讲人；当主讲人释放PTT键后，本次集群通话结束，组内其他人员可以继续使用PTT键申请话权，进行及时的语音交流。

1.2 语音互通

4G 无线通讯系统语音通信应用包含两个物理区域，井下作业区、井上办公区，TD－LTE终端可以井下作业区、井上办公区两个区域直接使用。

1.3 无线视频监控

矿井工业电视系统是数字化矿井的基础，此次系统在矿井原有固定地点有线视频监视的基础上，实现了无线视频的互传、回传、录像等实时视频处理功能。

在频谱资源20 M组网情況下，一个小区可以支持多路高清视频的实时回传，满足无线网络多监控点同时回传的需求，如图1所示。

图1 4G无线通讯视频监控组网图

在4G 无线通讯网络下所有手持手机终端同样可以看到和调度中心相同的画面，而且也可以选择综采工作面任意摄像头回传显示。

1.4 矿井有线无线协调统一调度

通过网关可以和矿井现有PSTN 有线调度系统，PHS 小灵通通信系统，3G 网络互联互通，解决目前矿井需要面对的异系统互联问题。调度台可以使用同一个平台进行统一调度，方便用户日常使用。

1.5 应急救援指挥调度

本系统设计了多媒体应急通信指挥车，将必备的无线网络设备集成到一辆车中，所有设备均进过加固处理，车辆可以快速部署到事故现场，并可以在各种恶劣环境中正常工作，完成对一个区域进行无线宽带覆盖。多媒体应急通信指挥车中安装指挥调度台，通过调度台，救援人员可以在车内建立起临时指挥调度中心，完成该车无线宽带覆盖范围内所有终端用户的语音/视频集群调度、高清视频回传、宽带数据接入、短信/彩信等业务[3]。

2 关键技术

2.1 OFDM 的多址接入技术

实现各种业务信号高效率、高速率的可靠通信是本系统研究目标。OFDM 技术是TD-LTE 的核心技术，它将整个信道带宽划分成若干个子信道，每一子信道用子载波调制时，允许相邻子载波之间有很大程度的重叠，频谱利用率高；OFDM技术将高速串行数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，从而使传输信道具有平衰落特性，可有效地克服信道频率选择性的影响。与其他类似技术相比，OFDM拥有高度扩展的网络结构和良好的抗噪声性能以及抵抗复杂环境下多种信道的干扰[2]。系统采用OFDM 和多址技术的结合，能够允许多个用户同时共享有限的无线频谱，系统可获得较高的容量。

2.2 分布式MIMO天线技术

针对现有矿井移动通信系统干扰和抗故障能力差、服务半径和信道容量小，系统采用矿井分布式MI⁃MO 天线技术。矿井分布式MIMO 天线技术是由相互协作的定向天线和全向天线构成，能够借助信道的独立性，更好地利用微波和宏波的衰减技术进行协作性工作。因此，分布式MIMO 天线技术，从功能上看相当于传统移动通信系统的多个基站子系统，但结构更加灵活，扩展性更好。采用分布式MIMO 天线技术能降低对每个处理模块的要求，使系统的基站天线根据实际地理位置和系统覆盖需求进行灵活布置，不仅降低了基站射频信号发送功率，而且提高了系统的抗干扰能力。

3 系统优势

3.1 实现高速数据传输能力

塔山矿4G 无线宽带集群解决方案基于目前最先进的无线移动网络TD－LTE 技术，不但继承了所有TD－LTE的技术优势和业务优势，而且结合行业特点对系统性能做了大量优化，在20 MHz带宽配置时单小区峰值速率下行可以达到100 Mbps；：上行可以达到50 Mbps。塔山矿4G无线宽带集群解决方案支持上下行业务带宽的灵活配比，满足塔山矿井特定应用场景。根据现场使用特点，4G无线通讯系统可以把大部分时隙资源分配给上行业务，显著提升了上行传输速率。

3.2 专业语音集群，提供无延迟移动通话体验

塔山4G 网络采用了大量创新技术可以提供专业语音集群的所有功能，语音集群业务指

标达到了业界领先水平：群组建立时延小于300 ms，话权申请话权抢占小于150 ms。

3.3 视频调度，提升沟通效率

本系统基于无线移动网络提供了视频调度功能：调度台可以指定手持终端或固定摄像头回传视频；手持终端自己也可以主动向调度台发起视频回传；视频画面可以在调度台显示，也可转发至大屏显示；调度台还可以选择回传视频向网内任意指定终端分发。视频调度功能使矿井联合工作团队在执行任务时实现远程面对面交流成为可能，让调度指挥员及相关人员实时了解现场情况，转変了以前单一语音沟通方式，提高了团队工作效率。

3.4 多业务并发，实现多媒体调度

系统提供语音、视频、短信、彩信、定位等多种业务的并发功能，调度指挥员可以通过4G网络同时进行语音集群，视频调度和图文指令传递，实现了多媒体调度功能，带来了更多应用的融合，不仅改变了传统的工作模式，更重要的是可以为塔山煤矿的生产系统带来沟通、日常管理模式的变革，显著提升矿井生产效率。

3.5 专业宽带集群手持终端

4G手持终端根据矿井使用特点设计，一个终端同时支持专业语音集群、视频调度和宽带数据接入、短信彩信，定位等功能，是业界功能较为完善的行业终端。4G 手持终端可以同时接入TD－LTE 和GSM／WCD⁃MA网络，在没有专网覆盖的区域可以接入公网通信。

3.6 两级防护，保障4G无线通讯系统容灾能力

当出现火灾、地震、水灾等不可抗力造成系统不同程度损毁时，4G通讯线系统提供两级防护措施尽可能的保障用户可以继续无线通话。4G 两级防护措施包括：单站运行、终端脱网直通（DMO）。

当核心网设备出现故障或核心网和基站之间的传输中断时，基站自动进入单站运行模式，

保障该基站覆盖范围内用户仍然可以进行集群通话。一旦故障恢复，基站自动恢复原有工作模式。当终端所属基站出现故障时，终端自动进入脱网直通模式，在一定距离范围内仍然可以继续语音集群通话。

3.7 开放系统，方便进行二次开发

塔山4G网络平台是一个开放的系统，支持塔山用户从终端到业务软件的深度二次开发。在终端层面，对其他业务系统开放终端模块接口，并提供软件开发工具包。在网络层面，开放对上层应用的接口，使现有终端系统与其他业务系统实现快速平移现有应用，或低成本开发全新应用软件。

4 应用效果

矿用4G无线通讯系统为塔山矿提供了强大的、精确的、实时的数字信息化服务，将井下的语音及视频等各种数据实时上传至地面，改变传统的通讯方式，提高了工作效率。利用4G 无线数据互联平台的高带宽优势，在矿井有线环网的基础上，增加无线宽带网络覆盖，井上井下无缝融合，使塔山煤矿数字化矿井信息高速公路更加完善。高带宽的4G无线语音及视频通话，单点、多点、语音集群呼叫，使矿井语音通讯方式更加灵活多样。安全生产综合业务数据手机终端整合，使入井人员实时了解井下皮带运行、车辆运行、人员分布等实时信息，使现场作业人员、管理人员实时掌握矿井各系统相关动态信息，实现了矿井数据流、信息流的有效快速流转。