大柳塔煤矿神经元网络建设实践

王 飞，罗 伟

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

煤矿生产的安全是行业及企业立命之本、发展之根，只有深入实现井下生产自动化才能实现安全的最终要求，“两化融合”的布局与发展也将是现阶段安全生产的重要一环[1-3]。现代化煤矿企业正在逐步向规模化、集约化、协同化转变，煤矿井下生产方式向遥控化、无人化以及智能化发展。煤矿井下神经元网络的建设将成为企业发展的重中之重。大柳塔煤矿的井下信息化通过建设井下4G网络通信系统，使之成为矿井通讯的高速通道。4G LTE技术具有可靠性高、实时性高、安全性高、移动性高、数据传输速率高、数据采集能力高、语音与图像质量高等优异性能，非常适合煤矿井下通信使用[4-6]。

1 4G LTE网络系统性能

1.1 主要技术

1.1.1 技术对比

LTE在目前3G标准的基础上，提出了新的空中接口和无线网络架构，以进一步提高用户传输速率、系统带宽和覆盖范围，同时降低时延和运营商的成本并提供对不同无线频谱带宽的支持。LTE引入了以下行OFDMA、上行SC-FDMA为代表的物理层接入技术，并全面支持MIMO，可以在20 MHz带宽的频率上实现下行100 Mbps，上行50 Mbps的峰值速率[7-9]。3G技术与4G技术对比见表1。

表1 3G与4G技术对比

1.1.2 OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交频分复用多载波调制技术。OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。

1.1.3 MIMO

MIMO(Multiple Input Multiple Output)是无线LTE系统的一项关键技术，即多输入多输出技术。MIMO技术的基本思想是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性(Spatial Signature)，利用解调技术，最终恢复出原数据流。

1.2 4G LTE无线通信系统性能

1.2.1 性能优势

通信速率高，LTE实现了峰值速率的显著提高。在20 MHz 带宽内实现100 Mbit/s的下行峰值速率，和50 Mbit/s的上行峰值速率。频谱效率高，平均用户吞吐率和频谱效率下行达到HSDPA的3～4倍，上行达到HSUPA的2～3倍，系统平均频谱效率则可以达到1.58/0.66 bps/Hz/小区。具有较好移动性，FDD-LTE可实现终端移动速度为0～15 km/h时拥有最佳性能；15～120 km/h 有较好性能；120～350 km/h保持连接，确保不掉线。延迟小，子帧长度为0.5 ms和0.675 ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，控制面延迟小于100 ms，用户面时延小于5 ms。兼容性好，支持增强型广播多播业务、支持增强的IMS(IP多媒体子系统)和核心网、支持自组网(Self-organising Network)操作、支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作，强调向下兼容。架构简单，服务质量高。FDD-LTE采用简单的网络架构和软件架构，以信道共用为基础，以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。

1.2.2 网管平台

网管平台可以对全系统进行故障检测、快速定位、隔离和修复，收集处理全系统的告警信息并处理。同时网管平台也是用来配置管理各网元相关参数，确保网元业务功能正常的管理平台，可实现对性能数据采集、性能统计分析以及性能指标监测，能实时监控网络中的性能指标，为网络的规划、优化和运行提供依据和保障。网管平台也是整个系统物理安全、网络安全、数据安全、应用安全的措施保证。

2 4G核心网络

2.1 网络架构

iEPC统一核心网设备是语音、数据业务的控制节点，借助LTE带宽的优势提供丰富的多媒体业务[1-3]。iEPC系统在单物理节点集成全套EPC和DSS产品。包括MME、SGW、PGW、HSS、P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF等多个网元，大大降低建网及维护成本。采用与运营商对接的方式，实现企业员工使用自身公网号码直接下井办公，改变传统的独立烧卡模式，开创新型下井办公模式，地面井下实现“一机一卡一号”，达成工作与生活的统一性，降低工作繁琐度。4G核心网络架构如图1所示。

图1 4G核心网络架构示意

2.2 各网元功能

2.2.1 MME网元功能

处理NAS消息，UE移动性管理实体对UE进行鉴权和NAS消息完整性保护，支持为UE建立一个或多个PDN连接，支持UE/网络发起的服务请求，支持UE在LTE系统内漫游，维护处于EMM-REGISTERED状态的UE的跟踪区列表，为UE选择PGW、SGW和UE选择目标MME(S1切换中)，管理EPS承载，专用承载和默认承载。

2.2.2 SGW网元功能

服务网关是连接E-UTRAN的分组数据接口的终点，当UE在eNodeB间切换时，作为其“锚点”，支持为UE建立一个或多个PDN连接，支持UE/网络发起的服务请求，管理EPS承载，包括专用承载和默认承载，为ECM-IDLE状态的UE缓存下行分组，并发起服务请求过程。

2.2.3 PGW网元功能

PDN网关是连接分组数据网络接口的终点，也是连接外部分组数据网络的锚点，UE IP地址分配，管理EPS承载，包括专用承载和默认承载，基于APN-AMBR对下行非GBR数据进行速率控制，绑定SDF与承载，上下行传输层的分组标记，IMS/RCS选择功能，基于传输资源的接纳控制。

2.2.4 其他网元功能

HSS网元功能：存储用户签约信息、用户鉴权、位置信息管理等。

IMS/RCS网元功能：本地用户服务器HSS主要存放用户认证信息、签约用户的特定信息、签约用户的动态信息、用于移动性管理和用户业务数据管理，呼叫会话控制功能CSCF(Call Session Control Function)，主要用于基于分组交换的SIP会话控制，负责对用户多媒体会话进行处理，可以看作SIP服务器，多媒体资源功能MRF(Multimedia Resource Function)，主要完成多方呼叫与多媒体会议功能。

MGCF网元功能：CS域与IMS域之间的控制层网关，提供媒体层的控制与管理，SIP信令与ISUP信令的转换，现网信令面互通。

3 万兆工业环网及综合通信分站

3.1 井下万兆工业环网

井下万兆工业环网由万兆环网交换机和光缆组成。万兆环网交换机具有4个传输口，通过TCP/IP以太网协议经1 310 nm单模光纤完成数据传输，传输速率为10 000 Mbit/s。万兆环网交换机同时配备TCP/IP以太网千兆光端口24个，传输速率为1 000 Mbit/s；TCP/IP以太网千兆电端口8个，传输速率为10/100 Mbit/s；两线制半双工RS485接口4个。大柳塔煤矿共布置环网交换机23台，综合分站205台。万兆环网交换机符合IEEE802.3协议，具有以太网光端口、电端口、RS485接口，支持全双工/半双工；交换机支持环形冗余网络结构；交换机具有初始化参数设置和掉电保护功能；交换机可网管，支持SNMP管理功能；交换机具有VLAN功能；交换机具有流量控制功能；交换机具有自诊断和故障指示功能；交换机具有电源、工作状态、通信状态指示功能。万兆环网交换机主要技术指标见表2。

表2 万兆环网交换机主要技术指标

3.2 数据接入综合通信分站

3.2.1 综合通信分站性能

综合通信分站能提供3G、4G、Zigbee等多种无线信号，满足通话、广播、定位和视频数据流无线需求，融合语音电话、高速数据、短信通讯等业务于一体。语音信号抗干扰能力强，声音清晰，基站间切换及高速行驶中不掉话；可直接与地面公网进行对接[12-13]。通信分站内配备6×4路百兆光口/电口，6×4路模拟视频口，10×2路485口，4×4路电话接口，8×6路监测接口，22×1路LTE无线覆盖，2×1路Zigbee无线覆盖，2×1路WiFi接口，1×1路广播接口，3×1个千兆光口，通信接口业务板槽位可以混插扩容至10个。

3.2.2 井下设备数据接入与上传

无线基站：4G无线基站支持TDD LTE和FDD LTE不同制式，支持1.8G/2.1G/2.6G等国内运营商常用频段，输出功率为2×250 mW，下行速率为150 Mbps，上行速率为50 Mbps。融合语音电话、集群对讲、高速数据、短信通讯等业务于一体，语音信号抗干扰能力强，声音清晰，基站间切换及高速行驶中不掉话，可直接与地面公网进行对接。

人员定位：通过Zigbee无线技术，采用TOF精确定位技术实现精确定位，识别速度不小于60 km/h以内，并发识别数≥200，定位精度为5 m，支持巡检周期小于30 s，单矿井识别卡数量10 000个，覆盖范围可达400 m半径。

以太网光口模块：最大传输距离15 km，最大速率100 Mbps，每块板4个光口，最大可提供24路，接收中心波长为1 310 nm，接收灵敏度：≤-31 dBm，输出光功率为-8～-14 dBm。系统维护管理员通过核心交换机可进入井下任意综合分站，使用账号密码登录后可以对接入数据的综合分站进行配置，将相应的端口配置为用户需求的业务。

以太网电口模块：最大传输距离100 m，传输速率为10/100 Mbps自适应，每块板4个光口，最大可提供24路，全双工、半双工模式自适应。业务配置方法无光口模块相同。

有线电话接口模块：支持基于IP软交换技术的有线电话，支持SIP、H248等协议，支持G711、723、729等多种编码格式，每块板4个端口，最大可提供16路，振铃信号输出为最大开路电压AC65V，最大短路电流为20 mA，频率为25 Hz，直流馈电输出为最大开路电压DC40V。

485接口模块：支持485、422串口服务器，能将串口数据转成IP网络传输，每块板2个端口，传输方式为半双工，1最大传输距离1.2 km，传输信号输出电压值为2～5 V，传输信号电流峰值为20～50.1 mA。

4 结语

随着计算机技术、网络技术、数据库技术、自动化技术、传感器技术、数字视频技术和现代管理技术的发展，煤矿信息化正向信息扩展、高度集成、综合应用、自动控制、预测预报、智能决策的方向发展。井下通信系统作为未来煤矿安全生产的主要生命线之一，将承载越来越多的生产数据，4G网络通信及LTE矿用无线通信系统相较于3G网络系统、WiFi网络的优势日益突显，

将是煤矿未来的主流通信网络。大柳塔煤矿4G“一网一站”通讯系统主要由万兆环网、矿用一体化本安型综合分站、广播终端、本安手机、识别卡、有线电话、PLC等感知终端组成，实现了从设备感知到统一的综合接入、统一的综合传输到地面服务器平台的一体化物联网解决方案，以集中管理、分散控制实现了煤矿网络的一体化管理，极大提高了井下业务接入能力，降低了维护成本与物料成本。