WiFi通信在薄煤层综采工作面的应用
2020-06-02董文博高思伟
董文博， 高思伟
(北京天地玛珂电液控制系统有限公司， 北京 100013)
0 引言
现有无线通信技术中，WiFi通信技术具有成本低、功耗低、安装简单、通信速率快等优点[1-2]，更能满足煤矿井下局域网环境的通信需求。目前，WiFi通信技术已经在煤矿不同场景下得到了广泛应用，如在煤矿巷道应用WiFi通信技术进行人员定位和安全管理[3-4]，组成无线传感器网络与通信网络[5-6]实现气体监测、数据采集和应急通信[7]；但很少有针对WiFi通信在综采工作面特定环境下的应用研究。薄煤层综采工作面采高低、空间狭窄，应用于薄煤层综采工作面的巡检机器人对无线通信提出了高可靠性、高带宽、低延时、广覆盖等需求[8-9]。因此，本文以神东煤炭集团榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面为应用背景，提出了一种WiFi通信方案，可实现工作面无线信号全覆盖和快速漫游切换。
1 WiFi通信方案
1.1 工作频段
当远距离通信时，要求收发天线之间实现“视线无阻挡”，其含义是在收发天线之间连一条线，以这条线为轴心，以R为半径的一个类似于管道的区域内，没有障碍物的阻挡。这个管道称为菲涅尔区，菲涅尔区是一个椭球体，收发天线位于椭球的2个焦点上，R为菲涅尔半径，如图1所示。
图1 菲涅尔半径Fig.1 Fresnel radius
菲涅尔半径计算公式为
R=0.5(λD)0.5
(1)
式中：λ为波长；D为收发天线之间的距离。
WiFi通信网络通常工作在2.4，5.8 GHz频段，假设WiFi收发天线距离100 m，根据式(1)可知：使用频率为2.4 GHz的WiFi通信时，λ=0.125 m，R=1.77 m；使用频率为5.8 GHz的WiFi通信时，λ=0.0517 m，R=1.14 m。薄煤层综采工作面由于采高限制，地势起伏，收发天线之间容易出现阻挡，因此菲涅尔半径更小的5.8 GHz WiFi可减小反射带来的干扰，有利于信号稳定传输[10]。
此外，与2.4 GHz WiFi相比，5.8 GHz WiFi可用频段范围更宽，抗干扰能力更强；支持更先进的802.11ac无线上网标准协议，大大提升无线通信速率[11]。因此在薄煤层综采工作面，5.8 GHz为WiFi通信优选频段。
1.2 网络拓扑
根据WiFi技术特性，结合薄煤层综采工作面环境特点，一般采用2种WiFi通信网络拓扑[12]，如图2所示。方案1是在缺少有线网络的工作面，通过Mesh网络实现多基站之间的互相通信。方案2是在已铺设有线网络的工作面，基站直接连接到有线网络。
(a) 方案1
(b) 方案2
方案1无需依托有线网络，拓扑结构简单灵活，但基站之间通过无线Mesh传输，损耗较高，且在工作面过长、基站数量较多的情况下，通信速率无法得到保证，延时较高。方案2是在有线网络的基础上进行延伸扩展，无需基站之间的无线传输，具有高可靠性、低延时的特点。榆家梁煤矿薄煤层综采工作面已经铺设了有线以太网，所以实际应用时选择方案2。
1.3 基站布置
薄煤层综采工作面WiFi信号传输损耗非常大，其传播特性符合对数距离路径损耗模型[12-14]：
P(d)=P(d0)+10γlg(d/d0)
(2)
式中：P(d)为发射端和接收端之间的路径损耗；d为发射端和接收端之间的距离；P(d0)为参考距离处的路径损耗；d0为参考距离，一般为1 m；γ为路径损耗指数。
为确定WiFi基站之间的间距，在榆家梁煤矿薄煤层综采工作面选取2个测试点进行信号强度测试。基站在通信距离为14 m处的信号强度为-40 dB·m，基站在通信距离为21 m处的信号强度为-50 dB·m。由于路径损耗是测试点信号强度与基站安装位置信号强度的差值，根据测试数据并结合式(2)，可得该薄煤层综采工作面的信号传播损耗模型为P(d)=24-57lg(d/m)。根据客户端的接收灵敏度(-90 dB·m)，计算得出基站覆盖范围为100 m，而工作面支架宽度为1.75 m，即基站覆盖范围约占57个支架的宽度。考虑到薄煤层综采工作面倾斜、起伏，支架动作过程中产生的遮挡等因素，需要每隔约57个支架设置1个WiFi基站，确保相邻WiFi基站之间无线信号重叠覆盖，实现工作面WiFi信号无死角全覆盖。
1.4 快速漫游切换
快速漫游切换基于在线扫描、CCQ(Client Connection Quality，客户端链接质量)排序、智能学习、预连接、数据缓存5种主要技术完成，其工作原理：客户端在与当前基站连接的状态下，通过空闲区间进行多信道扫描，并将扫描结果通过CCQ权重进行优选排序；当达到设定阀值时，根据优先列表进行预连接操作；在新基站收到预连接指令后，其会广播网络其他基站交接认证数据与未完成的数据包，在收到当前基站交接数据后在适当的时机切换基站；如果此时客户端仍有数据未传完，则由客户端缓存数据；当新的基站连接成功后由新基站进行数据转发；每完成1次交接过程，智能学习模块都会主动学习可能切换的下一个基站，在后续的切换中会优先侦测之前的基站路径。
快速漫游切换机制如图3所示。客户端在区域1中连接基站1；当客户端移动至区域2，实际连接基站1且预连接基站2，此时减小扫描周期，快速搜索周围WiFi信号，当客户端检测到预连接的基站2信号强度大于基站1时，客户端切换连接基站2；当客户端移动至区域3，增大扫描周期，保持与基站2的连接状态。该机制可保证工作面的客户端始终保持连接最佳信号的基站，并且实现快速漫游切换。
图3 快速漫游切换机制Fig.3 Fast roaming switching mechanism
2 应用测试
榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面总长度约为350 m，采高为1.4～1.6 m，共布置有206台液压支架(支架编号为1—206号)，分别在1，56，104，164，205号支架内部安装体积小、质量轻的5.8 GHz WiFi基站，各基站均接入有线网络。使用磁吸式安装架将基站天线安装在液压支架顶板上，保证基站天线周围无遮挡。工作面两端空间较大，使用定向天线向工作面中部辐射无线信号；工作面中部空间有限，使用体积较小的全向天线向工作面两侧辐射无线信号。
2.1 信号强度
根据GB/T 32420—2015《无线局域网测试规范》的6.2.2.1条，煤矿综采工作面属于开阔区域，信号强度宜不低于-75 dB·m。
笔记本电脑使用信号强度测试软件AirMagnet，利用测试网卡测量各基站信号强度分布，如图4所示。
图4 基站信号强度分布Fig.4 Signal strength distribution of base stations
在2个基站信号重叠处，选择2个基站信号强度中的较大值作为该处的信号强度，根据图4可得工作面信号强度分布，如图5所示。可看出工作面信号强度最小值为-67 dB·m，最大值为-30 dB·m，平均值为-46.4 dB·m，满足GB/T 32420—2015的要求。
图5 工作面信号强度分布Fig.5 Signal strength distribution of working face
2.2 网络稳定性
根据GB/T 32420—2015的6.2.3.4条，不少于95%路径的数据包丢失率宜小于5%。
笔记本电脑在工作面信号强度较小的位置(如25，80，130，180号支架处)，通过认证接入WiFi通信网络，使用测试网络连通性ping命令测试无线通信链路的网络延迟时间并统计丢包率，每个测试点每次测试持续5 min。测试结果表明，网络最大延时为3 ms，最大丢包率为1%，满足GB/T 32420—2015的要求。
2.3 通信速率
笔记本电脑直接连接客户端，利用IxChariot软件测试从客户端到监控中心主机之间的通信速率。客户端分别使用定向天线和全向天线情况下，通信速率测试结果见表1。可看出整个工作面通信速率在30 Mbit/s以上，满足现场对于高带宽的需求。
表1 通信速率测试结果
Table 1 Communication rate test results Mbit·s-1
架号通信速率定向天线全向天线架号通信速率定向天线全向天线27870105716777565110686115635511760522055531255543254040130433530504713553443764501446450456557152665555706816070606567611657063726057173635780423418050508557501875840906552195645597655720070581007060
2.4 漫游切换延时
监控中心主机按固定的时间间隔100 ms给客户端发送数据包，统计客户端接收到数据包的时间间隔。当客户端持续连接1个基站时，接收数据包的时间间隔保持100 ms。当客户端进行漫游切换时，接收数据包的时间间隔发生变化，根据变化的间隔时间可计算出漫游切换延时。经多次测试，漫游切换延时为25～50 ms，达到快速漫游目的。
3 结语
根据薄煤层综采工作面实际工况，从频段选择、网络拓扑、基站布置、快速漫游切换机制等方面给出了WiFi通信方案。测试结果表明，5.8 GHz WiFi通信在薄煤层综采工作面的应用，可实现无线信号全覆盖，具有较好的通信稳定性，通信速率达30 Mbit/s以上，漫游切换延时为25～50 ms，实现了快速漫游功能。
要进一步提升5.8 GHz WiFi通信在薄煤层综采工作面的应用效果，需要深入完善漫游切换机制，如探究双模无缝漫游切换机制，进一步提升漫游切换速度，最终达到零延时漫游切换；还需要对无线信号在工作面的传播进行大量实验，建立可靠的无线信号传播数学模型，用于指导不同工况下基站的布置。
