钢铁厂区车地无线传输网络应用

摘  要：目前，钢铁厂区内铁水运输的机车大都为人工操控，随着智慧制造升级的需要，实现铁水运输线路无人化作业，并提高铁路的运输效率已经刻不容缓。而车地无线网络的建设为机车无人驾驶的关键一环，通过对各类无线网络类型建设的分析和研究，并结合当前钢铁厂区内的环境现状，文章提出可供相关建设与设计人员参考的无线网络建设思路。

关键词：无线;长期演进技术;无线通信技术

中图分类号：TN929.5                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0082-04

Abstract： At present， most of the locomotives for hot metal transportation in iron and steel factory are controlled manually， with the needs of intelligent manufacturing upgrading， it is urgent to realize the unmanned operation of hot metal transportation lines and improve the transportation efficiency of the railway. The construction of train ground wireless network is a key link of locomotive driverless. Through the analysis and research of various types of wireless network construction， combined with the current situation of the environment in iron and steel factory， the paper puts forward the wireless network construction ideas for the reference of the relevant construction and design personnel.

Keywords： wireless; long term evolution technology; Wi-Fi

0  引  言

近年来，很多钢铁厂都在积极筹备智慧制造规划和新一轮信息化建设，力争通过信息化建设，达到工艺流程缩短、生产作业环节简化、降低生产运行成本，提升生产效率，提升企业竞争力的目的。

目前，铁水运输的机车大都为人工操控，这就需要对传统的鱼雷罐车或者机车进行改造，为其增加车地无线控制系统，在控制中心直接对鱼雷罐车或者机车进行远程无线监视和控制，实现机车无人驾驶，铁水运输线路无人化作业，提高铁路的运输效率。

而车地无线网络的建设为机车无人驾驶或者自动驾驶的关键性技术之一，能采用的网络建设方式和方法也很多，大致上可以归纳为采用Wi-Fi技术或者采用LTE技术这两大类。

1  厂区内无线网络建设的分类

在厂区内建设车地无线传输方案，可以分为以下几种方案。

1.1  采用Wi-Fi技术来建设无线方案

对于信号覆盖要求比较高的厂区可以采用2.4 GHz的802.11n无线传输协议的无线冗余Wi-Fi方案，频率使用范围为：2.4～2.483 GHz;对于业务带宽要求比较高的厂区可以采用5.8 GHz的802.11n或者802.11AC无线传输协议的无线冗余Wi-Fi方案，频率使用范围为：5.725～5.825 GHz。

1.2  采用LTE技术来建设无线方案

对于信号覆盖和稳定性要求比较高的厂区，可以采用1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，频率使用范围：1 785～1 805 MHz;以及 5.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，频率使用范围与Wi-Fi 方案的5.8 GHz 频率范围相同;对于5G信号覆盖比较成熟的厂区可以采用运营商的5G LTE（第五代移动通信系统）冗余专网方案。

2  厂区内无线网络建设的分析

2.1  厂区的环境对于车地无线网络的建设影响

厂区的环境对于车地无线网络的建设影响主要有以下几点：

（1）厂区室外环境下需要考虑厂区内的很多金属遮挡问题，在信号被遮挡的地方，如果测试信号不好，需要对无线进行补盲。

（2）厂区车辆的作业工位点大都在金属厂房内，并在作业时间会关闭金属卷帘门，且最大纵深长达几十米，厂房内最里面的信号覆盖是需要注意的地方，需要對信号进行详细测试，必要时候进行补盲。

（3）厂区内在作业区的空气环境比较差，且铁水罐运输铁水时通常高达千度以上，空气中弥漫的金属粉尘对于无线信号的传输也有一定的影响，在粉尘较多的地方需要考虑无线信号的强度和如何来建设覆盖点布设的位置。

2.2  厂区铁轨的运输范围对于车地无线网络的建设影响

厂区内的铁水运输线路并非一条直线型的线路，是由多条铁轨并行在各个高炉及工位点进行运输，并具有较多的岔道，每段铁轨的直线距离不长，但无线信号需要覆盖的范围较大。

如采用漏缆进行覆盖，由于漏缆横向覆盖范围在8～12米左右，距离越长，信号覆盖会逐渐衰减，很难同时覆盖多条铁轨，因此一般会使用无线定向天线来进行信号覆盖较为合适。

2.3  频率带宽对于车地无线网络的建设影响

频率带宽对于车地无线网络的建设影响主要有以下几点：

（1）2.4 GHz和5.8 GHz的频率为民用频率，可直接进行频率使用。

（2）1.8 GHz频率为需要向当地无线电管理委员会进行频率申请，频率申请通过后方能进行项目建设。因此1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案如需建设，还需要对项目覆盖范围进行电磁环境监测，在电磁环境满足条件的基础上向无委会提出申请，批复同意后方能进行。

（3）运营商的5G LTE频率，运营商可以直接使用。

2.4  各个车地无线方案的建设分析

2.4.1  采用2.4 GHz和5.8 GHz的Wi-Fi方案建设分析

频率使用：Wi-Fi为民用频率，可直接使用，但非常容易受到附近民用Wi-Fi同频信号的干扰。稳定性：相对于LTE网络，无论在时延还是网络切换上都会差很多，冗余组网较为复杂，可靠性一般。工程量：由于覆盖范围很低，一般120米左右间隔就要布设一个无线点位，整个项目布设点位将相当多，如果再加上冗余方案，施工将会非常复杂，工程量非常大，运维也将成为大问题。

2.4.2  采用5.8 GHz的eLTE方案建设分析

频率使用：民用频率，可直接使用，很容易受到同频信号干扰;稳定性：采用LTE网络技术，时延和网络切换很不错，冗余组网，可靠性高;工程量：由于覆盖范围稍低，一般300米左右间隔就要布设一个无线点位，整个项目覆盖冗余方案，布设点位也比较多，施工也较为复杂，工程量也非常大。

2.4.3  采用1.8 GHz的eLTE方案建设分析

频率使用：专用频率，需向当地无线电管理委员会批复方能使用，专用频段，抗干扰能力强，避免公众开放的信号频段重叠，能抵抗Wi-Fi、蓝牙、公网等外系统干扰;稳定性：采用LTE网络技术，时延和网络切换很不错，冗余组网，可靠性高;工程量：600米左右间隔来设计，覆盖整个项目范围，布设点位少，施工量相对较小，单小区覆盖距离远，大幅降低维护工作量。

2.4.4  采用运营商的5G LTE方案建设分析

频率使用：专用频率，运营商提供;稳定性：采用运营商单网网络，稳定性一般;工程量：组网网络由运营商建设，项目内的施工工程量较少。

3  厂区内无线网络的建设设计

车地无线控制系统对于无线网络稳定性要求非常高，因此对于车地无线网络建设，主要还是以1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案和运营商的5G LTE冗余专网方案来建设，以下将以这两种方案的建设来做设计。

3.1  1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案设计

下文从总体设计、线覆盖设计、频段设计、网络设计、网络安全设计、网络性能设计、抗干扰设计、总体方案设计方面对1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案进行说明：

（1）总体设计。需要勘察厂区的铁轨路线，按照包括频点分析与规划、无线覆盖设计、链路预算、抗干扰设计、网络管理等，对无线传输平台的各个关键点进行详细设计。

（2）无线覆盖设计。根据站间距1.2 km来规划设计覆盖点位，采用定向天线，将项目范围完全覆盖，如有盲点，再进行补盲。

（3）频段设计。1.8 GHz可使用频率带宽共计为20 MHz，由于有5 MHz的带宽为轨道交通使用，一般可以申请资源10 MHz左右，采用5 MHz+5 MHz冗余双网设计。

（4）网络设计。采用A网和B网组双网，双网负荷分担机制实现双网可以同时承载无线传输业务，同时利用双网频谱资源，相对于主备双网实现了频谱利用率翻番，并提高业务承载的健壮性。

（5）网络安全设计。传输通道采用独立的在线冗余物理通信通道设计。无线系统A网通道和B网通道的访问控制相互独立。不同类型的数据传输通道采用不同的VLAN（虚拟局域网）进行传输，并达到A网和B网双活的冗余方案。车载无线单元与基站之间在传递数据前建立授权并关联。

（6）网络性能设计。首先，eLTE系统的可用性不低于99.99%;其次，车辆控制业务要求丢包率不超过1%、通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.99%;以及车辆控制业务数据周期性发送，上行每路传输速率不小于60 kbps/s，下行每路传输速率不小于40 kbps/s。

（7）抗干扰设计。eLTE系统内干扰主要来自同频邻区干扰，需考虑同频邻区间的干扰两个小区的相互干扰。如果和周边地铁的使用频率冲突，在行业中根据频谱特性及应用范围不同，满足一定隔离度后可进行复用。

系统外干扰需同时考虑到与电信、移动DCS、移动LTE1800频谱的隔离，需上下各隔离5MHz作为隔离带宽，建议申请1 790～1 800 MHz，共计10 MHz频谱作为1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案使用。

（8）方案设计。1.8GHz eLTE的無线冗余专网建设的方案，拓扑如图1所示。

在控制中心机房部署无线核心网设备、网管设备、A网和B网双网无线BBU基站，BBU基站通过单模光缆与现场各点位无线射频单元RRU设备相连并架设专用定向天线，与混铁车或机车上的无线接收终端通过1.8 GHz eLTE无线技术相连接，组成厂区内的车地无线传输专网。

在每列混铁车或机车头端各设置2套车载无线设备，其中1套无线设备接入A网，1套无线设备接入B网。A网和B网同时工作，从而保证双网络单点故障时业务不中断。

在某钢铁企业无人化运输无线系统项目采用的就是1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，在控制中心部署1.8 GHz的无线核心网设备，通过RRU单元与车载无线相连接，形成了1.8 GHz的eLTE无线专网。

3.2  运营商5G LTE专网方案设计

运营商5G LTE专网方案相比于1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案在网络建设上，由于无线网络和设备都由运营商提供，建设上相对要简单些，但也需要运营商在厂区内现场勘察，并且对项目需要覆盖区域的5G信号进行专门的建设覆盖，在部分厂房内还需要进行补盲。

运营商5G LTE专网方案建设方案，拓扑如图2所示。

运营商5G LTE专网方案设计具体为：

（1）需要在建设的控制中心核心网络与运营商网络打通。

（2）机车或混铁车上部署5G工业无线终端，与控制中心内网相连接。

（3）针对车载端的无线终端有2种方式与控制中心连接：

1）无线终端通过5G LTE公网的接入形式与内网的控制中心网络连接：需要在控制中心网络出口处部署一套内网服务器，无线终端通过5G LTE连接到运营商网络，通过内网服务器跳转到控制中心核心网络。此种连接方式，只能通过车载无线终端发起网络连接，建立起通信协议后才能来回传送数据。无线终端通过运营商的流量卡拿到的是运营商网络分配的IP，车载设备的内部网络设备通过这个运营商分配的IP与外部网络相连，通信发起方式只能是从车载无线终端发起，是单向的。由于无线终端通过5G LTE运营商拿到的是运营商分配的IP，会暴露在公网上，安全性较差。

2）无线终端通过5G LTE的专网接入形式与内网的控制中心网络连接：在控制中心网络与运营商网络打通后，在两个网络中建立隧道，这样就建立起了5G LTE专网，把无线终端接入5G LTE网络后，车载网络可以直接与控制中心网络打通，无论车载无线终端向控制中心应用服务器发起数据连接，还是控制中心应用服务器向车载设备发起连接，都能互相直接通信。通信發起方是双向的。由于无线终端通过5G LTE运营商拿到的是控制中心的专网IP，并不会暴露在公网上，安全性较高。

在某钢铁企业车地联控无线系统项目采用的就是5G LTE的专网方案，通过运营商开通的专网卡加入车载的无线终端中，并启用隧道技术，打通车和中央设备的无线通信传输。

4  结  论

通过对钢铁厂区车地无线网络的相关分析，并结合车地无线网络的建设方案优缺点，提出车地无线网络的建设设计方案，最大限度地为钢铁厂区的车地无线网络建设的项目设计人员提供解决方案思路。

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作者简介：孙超（1980.03—），男，汉族，上海人，工程师，本科，研究方向：计算机网络。

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