煤矿井下4G 无线通信系统的设计

潘明亮

（冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台 054001）

引言

4G 比较于上一代通信技术，实现了跨越式升级。在第四代通信技术的背景下，视频及图片等传播速率明显提高，上传和下传速率已经分别达到50 Mbps和100 Mbps。这些技术将OFDM作为核心，还添加较多语音话音服务。从抗噪能力以及抗信号干扰能力等角度来看，实现了高性价比[1]。

4G 系统在网络结构设置方面，主要有物理和中间以及应用三个不同层次。中间层次属于环境层，能达到地址转化和管理等多方面效果。而物理层通常涵盖接入和输出等多项功能，还能完成路由器选择。这两个层次通常和环境之间保持开放接口，可实现深度拓展。因此在保证基本接口服务的同时能达到高质量无线服务。相关网络架构情况如图1 所示。

图1 4G 系统网络架构

1 井下通信系统概述

井下通信系统存在的最主要目的是使矿井的生产管理保持安全状态。通常从通信种类情况来看，涵盖有线和无线对讲以及泄漏通信等多方面系统模式。对其进行充分分析，可发现有线通讯是在某些固定的地点所涉及到的通讯方式。而泄露通信涉及到的距离较短，需要再单独组建网络的情况下完成通讯重点用于机车调度等。小灵通和无线通讯两项涉及到的设备更加繁琐复杂，同时在进入到采掘工作面时，不能使用这种方式。所以本文在充分了解到系统情况后，从更深层次解决问题，充分分析某矿的实际情况，进一步构建更符合煤矿井下环境的4G 通信系统。

2 某矿工业环网结构

某矿已设置以太环网，而且从承载力和实际情况来看，达到万兆之多。对应的主干和分支网络是以环网拓扑结构为主，详细内容如下图所示。每一层以大环套小环的方式完成通信，基本满足实际使用需求。在这当中，井下所安装的交换机，共计分为5 台万兆和8 台千兆两种不同形式。在地面所涉及到的核心交换机，共计两台。这两台核心交换机都为万兆级别，能满足调度需求。在地面和主井以及新副井位置，每一位置安装一台交换机，且都属于千兆级别。从整个网络传输和通信系统构建情况来看，能达到日常的通信及使用需求[2-3]。见图2。

图2 某矿工业环网结构

3 某矿通信系统现状

某矿在通信系统设计方面，主要为数字程控和小灵通以及扩音电话三种不同形式，按照实际使用需求使用不同系统。数字程控电话是以调度室中的实际操作使用为主，通过这一系统可用于日常通信平台使用，且能达到指挥的目的。小灵通通讯则是以微蜂窝技术为主，用户可在进入网络的情况下完成使用，且能达到无限覆盖的效果。这一系统与前者有效配合，可灵活使用，随时随地监控。在井下通讯时，通常使用扩音电话，这一电话分布位置较为丰富，主要位于掘进巷道和大巷人车等候点等多个地点。通过及时有效的对讲系统完成信息传播，但实际上在井上和井下进行系统构建时，不同通讯系统的厂家和系统建设时间并不完全相同[4]。所以系统容易出现重复设计铺设且可靠性较差等方面的问题，在进行此方面维护时，实际成本较高，所以不能满足目前的业务使用需求。系统本身的集成性较差，很难满足矿井的综合效益，容易产生安全生产问题。

4 通信系统设计方案

通信系统在设计时最重要的目的是完成全覆盖化通信，且保证所有系统之间的灵活互通。这一通信功能是在4G 网络的基础上，保证信息之间的沟通交流更加顺畅，且构建数字化中央平台，完成安全信息的共享。整个系统要涵盖视频监控和泵房排水自动化等多项系统的部分功能。在与现代化操作系统之间的有效融合的基础上，充分了解到每一工况的发展现状，对井上和井下的数据进行充分搜集和整理。系统还要做到及时故障报警，完成音频和视频等多方面联动。

4.1 系统总体架构设计

系统是通过4G 无线通信网络的方式作为基础架构，完成整个覆盖性网络的建设。除此之外，还选用TCP／IP 通信协议来保证整体通信系统的真实性和可靠性。从主干连接和整个工业环网情况来看，此系统还要涉及到无线和有线两种不同的连接方式。由于整个工作场所覆盖范围较广，能将井上和井下连接起来。所以在实际使用的过程中包含的场景也会更加丰富。整个系统的建构分为井上和井下两个不同部分：在井上设计有核心网络及交换和调度基站等。而井下部分则是主要采用矿用本安型4G 基站等相关设备及设施。在传播方面所涉及到的等级较高，而基站也可以接入到以太环网当中[5]。对应的系统架构情况如图3 所示。

图3 系统总体架构

4.2 系统主要设备功能设计

1）井上设备。通过上述分析和探讨可以发现，在进行井上设备设计时，需要充分保证核心设备及交换机和调度机等方面的功能。在这里针对每一项基本设备进行重点阐述：首先，4G 核心网设备重点放置在调度室当中，这一部分属于所有设备中的重中之重。所以要完成交换机万兆以上接入，同时也要保证所有数据之间的调度互通。其次，综合业务交换机能使静态数据保持一致，而且在数据自动增量的基础上，保证数据的真实性和可靠性。此功能主要是以冗余功能为重点。再次，网络管理服务器可完成所有节点和命令方面的分析和执行。这一要素属于调度当中的中间者，而且在和其他设备相连接的过程中，需要及时监测整体系统的安全性和可靠性，分析网络健康等多方面情况。除此之外，多媒体调度机是在较为先进的软件和硬件结合的基础上，保证系统的真实性和可靠性，是所有的设备能达到可视化交互的效果。在调度的过程当中也能达到统一管理或分级调动等多种不同功能。最后，地面信息传输接口是在基站核心设备物理连接等多方面基础上保证基带处理或传输板的连接使用[6]。这一部分要考虑到具体的数据传输协议，使数据传输更加真实可靠。

2）井下设备。通过上述功能分析，可发现再进行井下设备安装时，涉及到的主要有本安型4G 基站及配套电源、手机等多项基本设备。在这里针对每个设备做更深入的分析和探讨：通常4G 基站主要是以集成BBU+RRU 功能为主。所以要在满足基本使用条件下，保证所有的信号传递能覆盖基本工作面。这里的覆盖半径通常在300～500 m 的范围内，能够达到矿用本安设计方面的基本要求，所以在具体的安装位置确定时，需充分考虑人员密度和实际工作情况以及相关分区。一般情况下，会在巷道拐角或坡度拐点等位置进行提前安装。考虑每一部分的信号使用情况以及实际覆盖面积，完成多方位共同连接。井下手机使用的是4G3 防手机，而且为矿用，不仅能够达到对讲按键使用效果，同时也可以在多项系统当中完全适配。因此这一部分的通信是以专网专用的方式通信为主，还可以和固定电话之间互相通信。电话需要具备中继汇接功能，可以在开放性接口的基础上，完成不同应用功能之间的互动沟通。所以这一设备本身属于一体化共享平台软件当中的重要组成部分，能够达到语音和通信功能的互动。除此之外，还可完成数据传输以及结痂安全管理等多方面功能。

4.3 系统主要技术参数设计

1）4G 核心网设备。这一部分的主要架构是以ATCA 为主，在实际使用操作过程当中，会以两套设备的接入作为安全使用的基本。因此在组建网络时要达到容灾备份的效果，保证在出现问题或业务中断时都有对应数据可搜寻。当业务中断或倒换的时间在低于5 min 的情况下，可通过另一套架构来完成信息传输。整体基站用户数要超过100 以上，但不能超过8 000。在这里所设定的最大并发群组数量要超过512，但不能超过1 024。转发带宽则是要超过2 Gbps，从系统化图形结构设计情况来看，需要充分保证所有设计单元的可测量性以及数据的统计完整性。能够在标准Office 应用程序当中完成QoS 数据的输入和整理，所以从功能单元接入等多种情况来看，不仅可完成在线监控的效果，同时也可以将终端信号信息等展现在共享平台中。在这里所选用的硬盘需要具备RAID1 冗余的基本效果。除此之外，磁盘阵列需要达到RAID5+热点冗余配置。

2）地面用射频拉远单元。这一部分在信息投射方面具备重要作用，所以对应的型号要在工信部门型号核准的基础上使用。对应的视频单元也要在具备核准证的情况下完成使用，不能随意设计及使用。而且RRU 单级拉远距离要超过10 km，对应的覆盖半径也要大于2 km。从天线增益情况来看，要真正超过15dBi，发射角度也要在超过120°的范围内。同时，还需要满足MTBF 大于100 000 h 以及4 通道RRU 等基本功能。不同基站之间要实现互联，不能小于6 级。在正常工作情况下，电压为直流48 V 范围内。而且要充分保证2～4 个模块接口，完成光口、电口的基本支撑。

5 结论

这一系统已经在矿井当中实际使用，同时从信号覆盖以及使用需求等情况来看，达到了良好的使用效果，能满足4G 信号全覆盖的基本作用。从采煤和调度以及运输等多个环节分析，这个系统目前较具备影响力，而且能达到视频和数据与语音三者的共同承载。在多样化条件满足的基础上，不仅能够打造更加安全现代化的矿井，还能提升整体工作和生产效率。因此，这一系统具备较强的覆盖力和推广价值。