礦井無線通信技術發展趨勢綜述

趙曼

【摘 要】針對當今礦井無線通信系統的優缺點，提出、總結近年來國內研究的可應用于礦井無線通信系統中的新型無線通信技術，包括LTE技術、UWB技術、認知無線電技術，介紹各項新技術的技術特點，研究并設計系統結構，分析技術應用于礦井通信的技術優勢。

【關鍵詞】無線通信；礦井；LTE；超寬帶；認知

0 引言

目前，現有的礦井無線通信系統有3G無線通信系統以及基于WiFi、ZigBee的短距離無線網絡與通信系統。隨著礦井信息化水平的不斷提高，大量的信息交互使得礦井對無線通信系統的帶寬等技術指標的要求的逐步提升，對系統的智能化要求也日益提高，這些系統已不滿足礦井信息化發展要求。[1]本文對LTE技術、UWB技術、認知無線電技術三種新型的無線通信技術進行分析與比較，并介紹新技術應用于礦井通信的技術優勢。

1 LTE通信技術

LTE（Long Term Evolution）通信技術采用全IP化網絡架構，數據傳輸速率高，為高容量、低時延的平面體系結構；系統組網靈活性高、易擴容；可靈活配置1.25～20MHz的多種帶寬；向下兼容，支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作；且延遲降低、廣域覆蓋。[2]

礦用LTE無線通信系統除具備LTE系統基本功能外，還支持通過移動終端實時監測、查看煤礦瓦斯、風速等環境參數，以及各種機電設備的工作參數；實現井下人員的精確定位；可為工作人員提供豐富的多媒體業務，包括監聽、會議、組播等語音調度功能，多媒體調度、實時視頻回傳、視頻會議等業務；實現井下的監測視頻、圖像、音頻的實時無線傳輸；實現可視化應急指揮，提高事故處理的及時性，減少災害帶來的損失。

礦用LTE無線通信系統主要由網絡管理設備、業務交換機、傳輸網絡、LTE無線基站、智能移動終端組成。其架構基于IP網絡，可快速、簡便地接入現有的礦井工業以太網，縮短系統建設周期，降低建設、維護成本。[3]業務交換機為礦用LTE無線通信系統提供集群調度服務功能和數據業務功能，是系統的核心設備。LTE無線基站位于井下，具備本質安全特性，是實現井下LTE信號覆蓋的關鍵設備，其包括無線信號處理模塊、射頻放大模塊及電源模塊。

礦井LTE通信系統可滿足礦井不斷增長的語音、監測數據、視頻通信需求，實現多系統融合管理及監測，并可與現用的有線或無線網絡融合，形成有線、無線一體化的井上、井下綜合通信系統，提高礦井的生產安全性以及管理、調度效率，是礦井無線通信未來發展的主流。

2 超寬帶技術

超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）通信技術采用寬的頻帶實現高速傳送，電路功耗即使在幾十毫瓦以下，傳輸速率也能夠達到100Mb/s～500Mb/s；采用持續時間極短且占空比極低的窄脈沖信號，多徑信號在接收時易于分辨，抗多徑干擾能力很強；系統結構簡單。[4]上述的這些特點使得超寬帶技術非常適用于礦井通信。在礦井中，可以利用超寬帶信號頻帶寬的特點來增加信號傳輸距離，且由于超寬帶技術功耗低，有利于“本安型”電路的設計。

采用超寬帶技術的礦井無線通信系統架構分為三層，底層為UWB無線網絡，中層為無線傳輸網絡，頂層為井上監控管理中心。UWB無線網絡采用網狀拓撲結構，其節點廣泛分布在礦井巷道和工作面。子節點將監控區內的監測數據采集、傳輸，并通過無線網絡與主節點進行通信，將數據發送至主節點；接收主節點發來的控制信息，完成監測任務。主節點接收本區域子節點傳送來的數據，并負責數據的融合、轉發，以及控制信息的交互。整個無線通信網絡及時、可靠、準確地完成底層信息的采集、匯總及傳輸。[5]

超寬帶技術所具有的低功耗、高數據率、抗多徑能力強、系統復雜性低等特點，能夠很好地對礦井進行實時監測，尤其在水災、火災、塌方等惡性事故救生搶險中能起到至關重要作用。

3 認知無線電技術

目前煤礦使用的無線通信系統，如CDMA通信系統、WiFi通信系統等在長時間工作后常常使收發信號的靈敏度下降；在巷道拐點、坡道等無法正常傳輸數據；發生礦難時，現有通信系統完全癱瘓，降低救援效率。認知無線電（Cognitive Radio，CR）的核心思想是其具有學習能力，能與周圍環境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和降低沖突的發生。認知通信系統作為智能通信系統，對環境變化變化以及網絡控制指令可做出及時反應，即使礦井結構遭到破壞，仍能自動恢復組網，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。因此，把認知無線電技術和現有通信系統結合起來，就可以克服目前礦井系統中存在的缺點，實現高可靠性的監測網絡系統。[6]

礦井認知通信系統的結構分為3層，底層為認知網絡，向上依次為傳輸網絡、井上監控中心。底層無線認知網絡的結構從下向上分別為認知節點、簇頭節點、網關。認知節點采集信息，通過上級的簇頭節點集中傳送礦井內的數據、信息到網關，再由網關經傳輸網絡上傳到地面監控中心；同時地面監控中心將控制信息通過傳輸網絡和認知網絡傳送至底層節點。底層的認知網絡被分成許多的子小區，認知節點可采用分布式和集中式混合的方式進行組網，每個子小區中有一個簇頭節點，認知節點在每個子小區內按照地理環境不同進行分布式放置，簇頭節點作為子小區的中心和簇外進行通信轉發或接入。[7]網關連接無線認知網絡及互聯網等外部網絡，實現協議棧之間的通信轉換；同時，發布監控中心的監控信息，并把收集到的數據通過傳輸網絡傳至井上的監控中心。

認知網絡能夠根據巷道的通信環境自適應的做出改變，并提供接入現有千兆工業網絡的通信API實現井下生產環境的全方位監控和自動調整。

4 結論

本文分別簡介了LTE、超寬帶技術、認知無線電技術，并詳述了這三種技術應用在礦井無線通信系統的優勢，設計了相應的無線系統結構及組網方案，并進行了功能分析。三種無線通信系統在通信速率、可靠性、準確性都各有優點，在礦井無線通信系統中都具有廣闊的發展前景。

【參考文獻】

[1]孫繼平.現代化礦井通信技術與系統[J].工礦自動化，2013，39（3）：1-5.

[2]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（1）：10-12.

[3]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）：88-89.

[4]樊榮，宋文，黃強.礦井無線通信系統研究與發展[J].西安科技大學學報，2010，30（4）：471-474.

[5]張文祥，馬銀花.UWB技術在礦井無線通信系統中的應用研究[J].移動通信，2008（10）：44-46.

[6]胡青松，張申，陳艷.煤礦認知網絡體系結構設計[J].煤炭工程，2010（6）：108-111.

[7]王泉夫，陳麗華，鐘強，等.認知無線電在礦井無線傳感器網絡系統中的應用[J].傳感器與微系統，2009，28（8）：113-115.

[責任編輯：田吉捷]