霍振龍，　顧義東，　李鵬

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州　213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015；

3.北京比鄰信通科技有限責(zé)任公司， 北京　100085)

?

LTE通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用研究

霍振龍1，2，顧義東1，2，李鵬3

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015；

3.北京比鄰信通科技有限責(zé)任公司， 北京100085)

摘要：分析了當(dāng)前煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及礦井信息化、智能化發(fā)展對無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，介紹了LTE通信技術(shù)的優(yōu)勢，提出了礦用LTE無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，展望了LTE通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：煤礦； 無線通信； LTE

0引言

煤礦無線通信系統(tǒng)是礦井信息化和安全生產(chǎn)管理的重要組成部分。目前，中國煤礦井下使用的無線通信系統(tǒng)有早期的漏泄無線通信系統(tǒng)、PHS(Personal Handy-phone System)無線通信系統(tǒng)和現(xiàn)在的3G無線通信系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在信道的傳輸特性、技術(shù)升級及性價比方面各有優(yōu)缺點，基本滿足了以往礦井語音通信和部分?jǐn)?shù)據(jù)通信的需求。但從井下設(shè)備的移動性和智能化要求以及緊急救援的需求來看，目前的煤礦無線通信系統(tǒng)還有許多可完善和升級的地方，LTE通信技術(shù)的出現(xiàn)為煤礦無線通信系統(tǒng)的升級提供了可靠的技術(shù)保障。本文在分析現(xiàn)有煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合LTE通信技術(shù)的特點，提出LTE通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用前景。

1煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和應(yīng)用需求

礦井特定的工作環(huán)境和作業(yè)流程對通信技術(shù)的應(yīng)用提出了許多特殊要求：① 數(shù)據(jù)傳輸。井下環(huán)境、設(shè)備工況的監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、圖像及視頻信息的傳輸?shù)?。?流動性。機車的運輸調(diào)度、巡檢員等流動作業(yè)人員之間以及和調(diào)度員之間的信號聯(lián)絡(luò)、對移動設(shè)備的數(shù)據(jù)采集等。③ 即時性。設(shè)備及時維修、發(fā)生事故時組織緊急撤離和安全救護等。針對這些要求，各通信公司和研究院所科研人員進行了不懈的努力，并伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，先后開發(fā)了多種礦用無線通信系統(tǒng)，主要包括漏泄無線通信系統(tǒng)、中頻無線通信系統(tǒng)、PHS無線通信系統(tǒng)、CDMA2000無線通信系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)、TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)和WCDMA無線通信系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在不同階段基本滿足了礦井安全生產(chǎn)的無線通信需求。但隨著礦井信息化、智能化水平的提高，對通信的需求不斷增加，除語音通信外，井下視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控、地質(zhì)構(gòu)造監(jiān)測、巷道數(shù)據(jù)采集、即時信息發(fā)布、井下視頻會議、輔助運輸管理、礦井應(yīng)急救援等也都會搭載到無線通信系統(tǒng)平臺上。因此對無線通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸速率都提出了新的要求，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 高帶寬：滿足移動視頻監(jiān)控等大數(shù)據(jù)的傳輸需求。

(2) 低時延：保證語音、視頻的傳輸質(zhì)量和部分無線遙控功能的及時性。

(3) 組網(wǎng)靈活：煤礦井下不同場合對網(wǎng)絡(luò)的需求不同，不同的網(wǎng)絡(luò)需要統(tǒng)一的組網(wǎng)方案。

(4) 多種接口：環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、IP廣播系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)以及各種傳感器對接口的要求不同。

(5) 適應(yīng)性：在工作面等場合，無線信號受粉塵、支護和采掘設(shè)備的影響，傳輸效率明顯降低，常規(guī)的無線覆蓋方法無法滿足現(xiàn)場的需求。

2LTE通信技術(shù)優(yōu)勢

與以往的無線通信技術(shù)相比，LTE通信技術(shù)具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活、終端功能強大、智能性高、兼容性好、通信增值服務(wù)多、通信質(zhì)量高、頻帶使用效率高等優(yōu)勢。

(1) 通信速率高：LTE通信技術(shù)支持可變帶寬，最高可達(dá)20 MHz，其下行峰值速率為100 Mbit/s、上行峰值速率為50 Mbit/s，是3G無線通信系統(tǒng)的幾十倍。

(2) 頻譜效率高：LTE通信技術(shù)引入了載波聚合、OFDM等技術(shù)，頻譜效率較3G無線通信系統(tǒng)有較大改善，其下行鏈路頻譜效率達(dá)5 bit/(s·Hz)、上行鏈路頻譜效率達(dá)2.5 bit/(s·Hz)。

(3) 以高數(shù)據(jù)速率、低延遲、分組域業(yè)務(wù)優(yōu)化為主要目標(biāo)，LTE無線通信系統(tǒng)在整體架構(gòu)上基于分組交換。

(4) QoS保證：無線通信中不同的應(yīng)用具有不同的QoS需求，LTE無線通信系統(tǒng)通過嚴(yán)格的QoS機制，保證實時業(yè)務(wù)(如VoIP)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等不同類型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

(5) 延遲低：用戶平面內(nèi)部單向傳輸時延小于5 ms；控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100 ms。

(6) 融合性好：LTE無線通信系統(tǒng)采用全IP分布式結(jié)構(gòu)，可與WiFi等不同的無線通信技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)架構(gòu)下實現(xiàn)融合、共存，形成多層次的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；LTE無線通信系統(tǒng)支持更豐富的移動業(yè)務(wù)，包括多媒體信息、視頻通話、寬帶數(shù)據(jù)傳輸、會議電視、虛擬現(xiàn)實等，用戶可方便地獲得任何所需的信息服務(wù)。

(7) 靈活性高：LTE通信技術(shù)支持成對或非成對頻譜，并可靈活配置1.25～20 MHz多種帶寬；LTE無線通信系統(tǒng)采用全IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化，系統(tǒng)組網(wǎng)、擴容靈活性高[1-5]。

3LTE通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用

3.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

隨著礦井信息化建設(shè)的不斷推進，井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)已成為礦井傳輸設(shè)備的基本配置，因此LTE通信技術(shù)應(yīng)依托成熟的環(huán)網(wǎng)技術(shù)，采用全IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持星形、樹形、環(huán)形組網(wǎng)。礦用LTE無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計具體如下：

(1) 系統(tǒng)兼容性方面：支持LTE單獨組網(wǎng)、3G/LTE混合組網(wǎng)。

(2) 無線通信基站方面：除了具備高吞吐量、高容量、低時延外，還具備接入交換能力。以LTE空口協(xié)議支持LTE手機終端和基于LTE數(shù)據(jù)卡終端的各種傳感器、攝像頭、分站接入；支持以太網(wǎng)接口接入3G基站、WiFi基站、廣播設(shè)備、井下定位分站、監(jiān)測監(jiān)控分站、近端攝像頭、各種傳感器，同時支持多個RS485/RS232/CAN接口接入各種傳感器。

(3) 無線覆蓋方面：主巷道空間大、空氣干燥等條件相對較好的區(qū)域采用定向天線的方式；工作面粉塵濃度高、支護和移動設(shè)備多、無線信號傳輸相對困難的場合可采用漏泄電纜加中繼器的方式。

(4) 地面系統(tǒng)方面：支持以3G/LTE融合核心網(wǎng)為中心的業(yè)務(wù)控制、業(yè)務(wù)路由、數(shù)據(jù)安全控制，支持以多媒體控制服務(wù)器為中心的語音、多媒體信息、多媒體會議、多媒體調(diào)度、集群等業(yè)務(wù)，并具備可擴充性和對第三方應(yīng)用的開放性。

(5) 終端應(yīng)用方面：支持一鍵呼叫、多媒體會議、集群呼叫、視頻電話、即拍即傳、實時視頻上傳、多媒體信息、位置導(dǎo)航等應(yīng)用。

(6) 多網(wǎng)融合以及綜合信息化方面：支持以LTE站點為接入節(jié)點的多系統(tǒng)設(shè)備接入，同時地面系統(tǒng)支持不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分揀、轉(zhuǎn)發(fā)[6-8]。

3.2應(yīng)用前景

LTE通信技術(shù)具備高帶寬、高速、高效和即時等優(yōu)勢，可滿足礦井不斷增長的語音、數(shù)據(jù)尤其是視頻通信的需求，具體可應(yīng)用到以下方面：

(1) 遠(yuǎn)程安全監(jiān)測：通過手機實時監(jiān)測煤礦瓦斯、風(fēng)速、溫度、負(fù)壓、CO等環(huán)境參數(shù)和各種機電設(shè)備開停、饋電、斷電等設(shè)備運行參數(shù)；通過智能手機及其他移動終端查看監(jiān)控現(xiàn)場的情況，也可點播歷史監(jiān)控錄像。

(2) 安全量化管理：可對各級管理人員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的隱患及整改情況進行實時監(jiān)控，確保各類問題和隱患從查出到整改形成閉環(huán)。

(3) 輔助定位：通過LTE空口算法實現(xiàn)井下人員的精確定位功能(定位精度10 m)。

(4) 提供豐富多彩的多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用：包括集群通信、語音通信、視頻通信、多媒體調(diào)度、實時視頻回傳、即拍即傳、視頻會議、多媒體短信等業(yè)務(wù)服務(wù)，支持語音、數(shù)據(jù)及視頻的多媒體融合調(diào)度。

(5) 井下設(shè)備的寬帶接入：實現(xiàn)礦井各監(jiān)測點(包括移動監(jiān)測點和固定監(jiān)測點，如機車、絞車、采掘工作面等場合)的實時數(shù)據(jù)和高清視頻圖像的無線傳輸功能。

(6) 多系統(tǒng)融合：支持LTE終端、LTE的各種CPE接入；支持WiFi基站、IP廣播設(shè)備、井下定位分站、各種監(jiān)測監(jiān)控分站、近端攝像頭、各種傳感器的接入?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控、人員定位管理、實時信息發(fā)布等功能。

(7) 有線/無線通信融合：LTE無線通信系統(tǒng)采用IP化架構(gòu)設(shè)計，可方便地與采用軟交換技術(shù)或IP-PBX交換機的有線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通信系統(tǒng)融合，形成井上、井下有線、無線一體化的綜合調(diào)度通信系統(tǒng)，提高礦井調(diào)度通信效率。

(8) 移動辦公：可通過LTE網(wǎng)絡(luò)及智能手機終端隨時隨地登錄企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)進行日常工作查看、處理，提高工作效率。

(9) 可視化應(yīng)急指揮：利用LTE移動通信的便利性及高帶寬傳輸特性，可在礦井發(fā)生緊急情況時，作為井上、井下可視化應(yīng)急指揮系統(tǒng)使用，提高事故處理的及時性及針對性，減少災(zāi)害損失。

4結(jié)語

LTE通信技術(shù)能夠提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的無線傳輸速率，其核心網(wǎng)通過IP傳輸網(wǎng)采用光纖網(wǎng)絡(luò)或礦用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)將信號送到井下，再通過LTE無線通信系統(tǒng)的礦用井下基站及天線實現(xiàn)對礦井井下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而建立地面和井下的寬帶綜合網(wǎng)絡(luò)通信承載系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)接入其他信息系統(tǒng)，以滿足礦井信息化、智能化的通信需求，這將是礦井無線通信未來發(fā)展的一個主流。

參考文獻：

[1]趙然.LTE關(guān)鍵技術(shù)原理及其應(yīng)用探討[J].郵電設(shè)計技術(shù),2012(2):21-26.

[2]吳鐘海,王洪源,錢文霞.基于第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(8):118-119.

[3]王令侃,林曉軒,陳煒,等.TD-LTE技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].移動通信,2011,35(6):56-58.

[4]華燕.TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(15):3.

[5]王舒翀,楊瑤.TD-LTE業(yè)務(wù)分類及應(yīng)用[J].移動通信,2010,34(5):58-62.

[6]杜安平.LTE在礦井無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化,2015,41(7):88-90.

[7]李強.基于TD-LTE的礦用無線專網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2014.

[8]張曉莉,郭慶.基于TD-LTE技術(shù)的礦井寬帶移動通信系統(tǒng)[J].煤礦安全,2015,46(2):112-114.

霍振龍，顧義東，李鵬.LTE通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用研究[J].工礦自動化，2016,42(1)：10-12.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1551.004.html

Application research of LTE communication technology in coal mine

HUO Zhenlong1,2,GU Yidong1,2,LI Peng3

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China;

3.Beijing Blingtel Technology Co., Ltd., Beijing 100085, China)

Abstract:Status of current coal mine wireless communication systems and application requirements of wireless communication system for mine informatization and intelligentization were analyzed, advantages of LTE communication technology was introduced, network structure design of mine-used LTE wireless communication system was proposed and application prospect of the LTE communication technology in coal mine was prospected.

Key words:coal mine; wireless communication; LTE

作者簡介：霍振龍(1965-)，男，江蘇常熟人，研究員，碩士，從事煤礦通信、礦井人員定位管理等技術(shù)的研發(fā)工作，E-mail:hzl@cari.com.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAK06B05)；天地(常州)自動化股份有限公司研發(fā)項目(15SY001-07)。

收稿日期：2015-11-24；修回日期：2015-12-17；責(zé)任編輯：盛男。

中圖分類號：TD655

文獻標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-12-31 15:51

文章編號：1671-251X(2016)01-0010-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.004