LTE通信技術在煤礦的應用研究

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任公司， 北京　100085)

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LTE通信技術在煤礦的應用研究

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任公司， 北京100085)

摘要：分析了當前煤礦無線通信系統的現狀以及礦井信息化、智能化發展對無線通信系統的應用需求，介紹了LTE通信技術的優勢，提出了礦用LTE無線通信系統的網絡架構設計，展望了LTE通信技術在煤礦的應用前景。

關鍵詞：煤礦； 無線通信； LTE

0引言

煤礦無線通信系統是礦井信息化和安全生產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有早期的漏泄無線通信系統、PHS(Personal Handy-phone System)無線通信系統和現在的3G無線通信系統、WiFi無線通信系統等，這些系統在信道的傳輸特性、技術升級及性價比方面各有優缺點，基本滿足了以往礦井語音通信和部分數據通信的需求。但從井下設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還有許多可完善和升級的地方，LTE通信技術的出現為煤礦無線通信系統的升級提供了可靠的技術保障。本文在分析現有煤礦無線通信系統的現狀和應用需求的基礎上，結合LTE通信技術的特點，提出LTE通信技術在煤礦的應用前景。

1煤礦無線通信系統的現狀和應用需求

礦井特定的工作環境和作業流程對通信技術的應用提出了許多特殊要求：① 數據傳輸。井下環境、設備工況的監測監控數據、圖像及視頻信息的傳輸等。② 流動性。機車的運輸調度、巡檢員等流動作業人員之間以及和調度員之間的信號聯絡、對移動設備的數據采集等。③ 即時性。設備及時維修、發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，并伴隨著通信技術的發展，先后開發了多種礦用無線通信系統，主要包括漏泄無線通信系統、中頻無線通信系統、PHS無線通信系統、CDMA2000無線通信系統、WiFi無線通信系統、TD-SCDMA無線通信系統和WCDMA無線通信系統等，這些系統在不同階段基本滿足了礦井安全生產的無線通信需求。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，井下視頻監控、環境監測監控、地質構造監測、巷道數據采集、即時信息發布、井下視頻會議、輔助運輸管理、礦井應急救援等也都會搭載到無線通信系統平臺上。因此對無線通信的網絡架構和數據傳輸速率都提出了新的要求，主要體現在以下方面：

(1) 高帶寬：滿足移動視頻監控等大數據的傳輸需求。

(2) 低時延：保證語音、視頻的傳輸質量和部分無線遙控功能的及時性。

(3) 組網靈活：煤礦井下不同場合對網絡的需求不同，不同的網絡需要統一的組網方案。

(4) 多種接口：環境監測監控系統、視頻監視系統、IP廣播系統、信息發布系統以及各種傳感器對接口的要求不同。

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

2LTE通信技術優勢

與以往的無線通信技術相比，LTE通信技術具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活、終端功能強大、智能性高、兼容性好、通信增值服務多、通信質量高、頻帶使用效率高等優勢。

(1) 通信速率高：LTE通信技術支持可變帶寬，最高可達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無線通信系統的幾十倍。

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

(3) 以高數據速率、低延遲、分組域業務優化為主要目標，LTE無線通信系統在整體架構上基于分組交換。

(4) QoS保證：無線通信中不同的應用具有不同的QoS需求，LTE無線通信系統通過嚴格的QoS機制，保證實時業務(如VoIP)、網絡瀏覽等不同類型業務的服務質量。

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

(6) 融合性好：LTE無線通信系統采用全IP分布式結構，可與WiFi等不同的無線通信技術在下一代網絡(NGN)架構下實現融合、共存，形成多層次的無線網絡環境；LTE無線通信系統支持更豐富的移動業務，包括多媒體信息、視頻通話、寬帶數據傳輸、會議電視、虛擬現實等，用戶可方便地獲得任何所需的信息服務。

(7) 靈活性高：LTE通信技術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無線通信系統采用全IP化網絡架構，系統網絡架構扁平化，系統組網、擴容靈活性高[1-5]。

3LTE通信技術在煤礦的應用

3.1網絡架構設計

隨著礦井信息化建設的不斷推進，井下工業以太環網已成為礦井傳輸設備的基本配置，因此LTE通信技術應依托成熟的環網技術，采用全IP化網絡架構，支持星形、樹形、環形組網。礦用LTE無線通信系統網絡架構設計具體如下：

(1) 系統兼容性方面：支持LTE單獨組網、3G/LTE混合組網。

(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空口協議支持LTE手機終端和基于LTE數據卡終端的各種傳感器、攝像頭、分站接入；支持以太網接口接入3G基站、WiFi基站、廣播設備、井下定位分站、監測監控分站、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域采用定向天線的方式；工作面粉塵濃度高、支護和移動設備多、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) 地面系統方面：支持以3G/LTE融合核心網為中心的業務控制、業務路由、數據安全控制，支持以多媒體控制服務器為中心的語音、多媒體信息、多媒體會議、多媒體調度、集群等業務，并具備可擴充性和對第三方應用的開放性。

(5) 終端應用方面：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、位置導航等應用。

(6) 多網融合以及綜合信息化方面：支持以LTE站點為接入節點的多系統設備接入，同時地面系統支持不同系統數據的分揀、轉發[6-8]。

3.2應用前景

LTE通信技術具備高帶寬、高速、高效和即時等優勢，可滿足礦井不斷增長的語音、數據尤其是視頻通信的需求，具體可應用到以下方面：

(1) 遠程安全監測：通過手機實時監測煤礦瓦斯、風速、溫度、負壓、CO等環境參數和各種機電設備開停、饋電、斷電等設備運行參數；通過智能手機及其他移動終端查看監控現場的情況，也可點播歷史監控錄像。

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

(3) 輔助定位：通過LTE空口算法實現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務應用：包括集群通信、語音通信、視頻通信、多媒體調度、實時視頻回傳、即拍即傳、視頻會議、多媒體短信等業務服務，支持語音、數據及視頻的多媒體融合調度。

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

(6) 多系統融合：支持LTE終端、LTE的各種CPE接入；支持WiFi基站、IP廣播設備、井下定位分站、各種監測監控分站、近端攝像頭、各種傳感器的接入。可實現監測監控、人員定位管理、實時信息發布等功能。

(7) 有線/無線通信融合：LTE無線通信系統采用IP化架構設計，可方便地與采用軟交換技術或IP-PBX交換機的有線網絡調度通信系統融合，形成井上、井下有線、無線一體化的綜合調度通信系統，提高礦井調度通信效率。

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

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

4結語

LTE通信技術能夠提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的無線傳輸速率，其核心網通過IP傳輸網采用光纖網絡或礦用工業以太網絡將信號送到井下，再通過LTE無線通信系統的礦用井下基站及天線實現對礦井井下的無線網絡覆蓋，從而建立地面和井下的寬帶綜合網絡通信承載系統，并以此為基礎接入其他信息系統，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展的一個主流。

參考文獻：

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[3]王令侃,林曉軒,陳煒,等.TD-LTE技術發展及其應用[J].移動通信,2011,35(6):56-58.

[4]華燕.TD-LTE關鍵技術及發展趨勢探討[J].中國新技術新產品,2011(15):3.

[5]王舒翀,楊瑤.TD-LTE業務分類及應用[J].移動通信,2010,34(5):58-62.

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

[7]李強.基于TD-LTE的礦用無線專網系統設計與實現[D].北京:中國科學院大學,2014.

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

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

網絡出版地址：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的研發工作，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項目(15SY001-07)。

收稿日期：2015-11-24；修回日期：2015-12-17；責任編輯：盛男。

中圖分類號：TD655

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:51

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