淺析礦用TD-SCDMA無線通信系統及應用

內蒙古鄂爾多斯永煤礦業投資有限公司 王 勇

1.我國礦用無線通信系統現狀

礦用調度通信和行政通信系統經過多年建設和發展，取得了較大的發展。部分國有老礦建立了以程控交換技術為主的有線通信調度系統，實現了語音通話、電話調度功能，但系統存在調度效率低，調度范圍小的問題；新建或技術改造后的大中型煤礦增加了礦用小靈通調度系統，系統以語音業務為主，缺乏寬帶數據和智能業務，難以滿足建設智慧礦山的發展需要。

2.我國礦用無線通信技術發展歷程

我國礦用無線通信產業大致經歷了PHS（Personal Handy-phone System-小靈通）、Wi-Fi（Wireless Fidelity-無線保真）、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access-時分同步碼分多址）技術為代表的三個演化進程。

PHS技術早期起源于日本，通過微蜂窩基站實現無線覆蓋，將手機終端以無線的方式接入本地電話網，不過小靈通在日本市場沒有取得太大的應用。經過美國UT斯達康公司改進之后，該技術于1998年引入我國，2006年后開始逐步應用于礦山通信領域。目前面臨清頻政策導致產業鏈斷鏈帶來的后續維護及發展的限制。

Wi-Fi是一種商業認證，屬短距離無線局域網技術。主要解決計算機用戶最后一百米接入問題，也是計算機網絡無線傳輸標準，技術規范主要包含802.11a、802.11b、802.11g、802.11n。通常被應用于熱點覆蓋，如飛機場、酒店、會議室、餐飲店等場所。其語音業務采用分組交換IP交換技術，Qos保證方面存在語音延遲大，話音質量差、終端耗電量大等弊端，作為實時通信系統技術應用還存在一定問題。依據802.11標準及國家無委會對2.4G頻段擴頻設備的使用規定，該頻段的工作頻率為2400MHz-2483.5MHz，帶寬為83.5MHz，最多有11個可用信道。

TD-SCDMA是由中國提出的第三代移動通信標準，是以我國知識產權為主、被國際廣泛接受和認可的無線通信國際標準，是我國電信史上重要的里程碑。其在頻譜利用率、頻率靈活性、業務支持性及成本等方面有獨特優勢。礦用TD-SCDMA無線通信系統中的手持終端有別于PHS和Wi-Fi的技術特色在于公網、專網可使用同一手持終端和SIM卡，完成公網和礦用井下專網的注冊業務和呼叫業務。

無線通信產品是解決移動終端到通信接入設備之間的最后300米～1000米內的技術應用，礦用通信系統選型需要考慮井下基站覆蓋范圍、承載業務、業務并發數量和產品的產業鏈是否健壯等技術要素。

表1為三種礦用無線通信模式的技術參數對比。

表1 三種礦用無線通信模式的技術參數對比

3.礦用TD-SCDMA無線通信系統網絡構建

礦用TD-SCDMA無線通信系統與中國移動3G網絡技術同源，TD在公網得到充分驗證和錘煉，確保系統功能豐富、性能穩定，礦用專網健壯性和多業務性伴隨中國移動3G公網的發展而發展。TD-SCDMA無線通信系統從終端芯片到系統主設備，從儀器儀表到業務應用，擁有強大的產業聯盟后盾，可確保客戶的投資得到長期保障，專網后續的發展與技術演進可獲得強力的業務支持。

(1)礦用無線通信系統組成

礦用TD-SCDMA無線通信系統由地面設備及井下設備組成。

地面主要設備主要由智能調度交換機、綜合網絡控制器、信令轉換設備、WEB應用服務器、錄音服務器、自動化及安全監控多媒體推送服務器、媒體接入網關、網絡交換機、多媒體調度臺、UPS電源等組成。

井下設備主要由本安型基站、本安型手機、礦用隔爆兼本安型電源等組成。

(2)礦用組網方案

礦用TD-SCDMA無線通信系統組建井下無線移動專網，并與地面中國移動網絡實現井上、下的信息互通，通過綜合智能調度交換機實現有線、無線的一體化調度功能。組網拓撲圖如圖1所示。

圖1 大型煤業集團多礦井通信組網拓撲圖

在煤礦（或礦群）信息中心設置網管系統及多媒體調度臺一套，實現對無線網絡的統一管理和對無線用戶的調度功能。

無線系統通過E1中繼線路與礦用程控交換機連接，提供基本的語音業務，實現礦群內各個煤礦用戶之間的撥叫、對公網用戶、移動用戶的呼叫；各礦區之間采用IP進行互聯，實現用戶大小號呼叫，礦區間移動漫游（語音、可視電話、內網短信、彩信業務等）；通過ATM/IP接口與中移動公司移動交換機互聯，實現一體化組網和滿足煤礦用戶在地面中移動網絡和井下煤礦專網間自動切換和特殊業務（如上網、可視電話、公網短信、彩信等）的要求。

無線系統主要設備（智能調度交換機、綜合網絡控制器）內部核心模塊均采用雙機熱備方式工作，系統故障時可自動進行切換處理；所有用戶、環路中繼端口均具備自恢復過壓、過流保護，提供優良的抗雷擊和抗電力線搭碰性能，最大限度的保證網絡的可靠。

地面基站控制器與井下基站之間采用光纖傳輸，采用級聯方式進行多級連接，最多可支持六級級聯連接，最遠距離達到40公里。

在井下巷道平直條件下，井下基站理論覆蓋半徑約1000米，即無線系統允許兩個基站布設的距離達2000米。考慮到井下基站發生故障的小概率事件（如某個基站的供電系統發生故障），保證整個通信系統正常完成手持終端的接入和呼叫，基站間的距離一般巷道建議設置為700～850米。

(3)系統特點

●采用先進的軟硬件技術和電信級工程設計，組建礦用TD-SCDMA無線專網，實現井上、井下的移動3G通信，滿足大型礦業集團多礦井組網漫游的需要；

●實現語音、短消息等基本業務；

●實現視頻通話、寬帶數據接入等3G業務；

●通過調度交換設備實現有線、無線通訊網絡的統一號碼管理、一體調度及統一網管；

●手機終端使用中國移動提供的SIM卡，可同時作為中國移動和煤礦專網用戶，在地面時作為中國移動2G用戶，井下專網作為專網3G用戶，雙網手機歸屬地服務器同時記錄手機最終歸屬位置。專網3G無線信號需要覆蓋主要巷道和主要工作區，地面辦公區由中國移動網絡2G完成覆蓋。手機終端在雙網內自動注冊和切換；

●依托于企業已有的Intranet網絡和自動化平臺，為3G用戶提供煤礦自動化和安全監控泛在化服務，為企業構筑多業務一體化的通信平臺。

4.礦用TD-SCDMA無線通信系統的功能

礦用TD-SCDMA無線通信系統可實現以下主要功能：

(1)智能調度

礦用TD-SCDMA無線通信系統提供調度交換機要求的所有調度功能，能同時對3G無線用戶、有線用戶進行統一調度，調度臺采用觸摸式多媒體調度臺，界面友好、操作簡單，易于功能擴展。

調度功能包括調度呼叫、強插、強拆、代答、監聽、組呼、群呼、禁言、自動轉接、會議、撥號盤、錄音、夜服/輔機、排隊等功能。

(2)泛在化服務

煤礦的自動化信息平臺和安全監控信息，在我們的印象中只能在調度室看到。借助礦用TD-SCDMA網絡可以實現井下和井上的泛在化服務應用。

借助礦用TD-SCDMA無線專網，多媒體推送服務器推送圖形化的各系統的工況參數、運行情況、開停狀態；各巷道的瓦斯、CO、風量等信息到井下礦用手持終端。井下巡檢人員能夠及時發現和消除故障隱患，方便煤礦領導井下現場調度指揮。

在井上借助網絡和多媒體推送服務器信息推送，煤礦領導團隊能夠通過手機終端隨時隨地的實時了解煤礦生產運行情況及井下安全監測信息，提升煤礦安全生產的監管能力，實現遠程移動辦公和調度指揮。

多媒體推送服務器由數據服務器、防火墻、業務推送軟件和顯示終端組成。業務推送軟件實現與煤礦自動化、安全監測及人員定位等系統對接并獲取數據，經分析和綜合后，每10s推送一次數據到手機終端或平板電腦終端上。手機或平板電腦終端支持通過Wi-Fi和3G等通信方式接入多媒體推送服務器。圖2是礦用TD-SCDMA系統泛在化服務示意圖。

圖2 礦用TD-SCDMA系統泛在化服務示意圖

在調度室布置一臺應用數據服務器，作為數據采集、儲存以及運行Server端程序之用。通過應用數據服務器，獲得自動化系統和安全監測監控系統的相關數據并入寫入本地數據庫，再由服務器的Server端程序將數據推送至手機。

(3)視頻通信

礦用TD-SCDMA系統支持網內用戶之間的64K可視電話業務。可視電話業務是一種點到點的視頻通信業務，利用電話網雙向實時傳輸通話雙方的圖像和語音信號，能收到面對面交流的效果，實現人們通話時既聞其聲、見其人的夢想。人員利用可視電話可以互傳多媒體信息，通過手機攝像頭切換可用于井下環境及設備的視頻檢測。圖3是視頻通信服務示意圖。

圖3 視頻通信服務示意圖

(4)專網短信平臺

礦用TD-SCDMA系統的短信應用平臺向用戶群發短消息。信息群發群收，瞬間到達，而且不受時間地域限制。短信群發是最便宜的通信方式，有效節約企業成本。會議通知及短信確認、公告訂閱短信、節日問候短信、監控信息通知等都可以通過群發短信實現。

目前系統已經提供了基站故障的短信通知功能，即在井下基站發生故障，需要人為處理的時候，系統會自動向事先設置的維護人員手機號碼上發送提醒短信。

系統提供與公網用戶的短消息發送接口，實現和公網用戶之間短信息互發。

(5)系統擴展功能

礦用TD-SCDMA無線通信系統能夠整合井下監控系統的數據資源和建立基于移動網絡的數據傳輸機制，形成井下監控系統數據的共享數據資源平臺，通過礦用通信系統建立手機終端上的煤礦安全生產實時調度、數據監測、井下視頻監測、現場測點數據GIS空間定位、實時報警等多功能業務應用系統。

5.礦用TD-SCDMA無線通信系統在煤礦應用案例

神東公司大柳塔煤礦是我國特大型現代化煤礦，由兩礦三井組成，煤炭年開采能力3000萬噸。2011年底神東煤炭集團率先在大柳塔煤礦建設了基于TD-SCDMA技術的無線通信系統，除實現通信基本功能外，還實現了與煤礦數字礦山其它系統互聯互通和業務融合。

大柳塔煤礦礦用TD-SCDMA無線通信系統由地面設備及并下設備組成。地面設備主要包括核心交換機、基站控制器、多媒體調度臺、錄音服務器、ATM/IP信令交換設備、自動化及安全監控服務器等，井下設備主要由本安型基站、本安手機、礦用隔爆及本安型電源等組成。圖4是礦用TD-SCDMA無線通信系統在煤礦應用示意圖。

圖4 礦用TD-SCDMA無線通信系統在煤礦應用示意圖

系統配置了井下51臺基站、300部移動終端，對52水平的輔運大巷、主運大項、綜采工作面、連采工作面、變電硐室、水泵房等區域的覆蓋。

●實現用戶側的無線接入、用戶管理、與PSTN互通；

●支持通信基本業務（電話、視頻、效據、短信、傳真），并提供相應的補充業務，支持礦間漫游、切換功能；

●提供調度業務應用，具備登錄、退出、呼叫、組呼、強插、強拆、監聽、轉接、代答、會議等調度臺業務功能；

●打破了調度室管控工業自動化系統的傳統模式，實現移動終端對礦井生產的實時性監控，可將設備運行參數、工作面運行情況以更直觀的、可視化的形式展現出來，依托這些管理手段，提高了礦井的安全性能，提高安全突發事件的及時處理處置能力，為安全生產提供了保障；

●現在礦領導和區隊管理人員除了現場查看和調度室內查看監測系統外，通過3G手機也能了解井下工作面的生產情況，查看主扇、皮帶的監控頁面和其他安全監控信息，實現井下通訊無盲區，使得安全管理效率大大提高。

大柳塔礦區地面覆蓋中國移動2G網絡，礦用終端同時作為中國移動和煤礦專網用戶，在地面時是作為中國移動2G用戶使用，進入井下則自動切換到煤礦專網作為專網3G用戶使用。手機SIM卡由中國移動提供，購機用戶在移動公司營業部辦理購機、租機和享受套餐優惠等業務。

6.結束語

隨著煤礦安全生產管理日益精細，建設物聯網數字化礦山的技術需求不斷提高，礦井無線通信的業務需求也隨著技術的發展不斷豐富。我國通信設備制造商依靠自身研發能力，為煤礦研制開發出了具有自主知識產權的礦用TD-SCDMA無線通信系統，實現了井下專網與井上礦區公網的無縫銜接，并在此基礎之上研發出多項適用于煤礦安全管理的增值業務，挺升了煤礦安全生產管理水平，豐富完善了煤礦數字化建設的內容，具有廣闊的推廣前景和較高的應用價值。