基于WLAN多業(yè)務(wù)綜合無(wú)線接入平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

房少宗 高 明

（1.山東礦業(yè)管理服務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

1 系統(tǒng)介紹

1.1 無(wú)線局域網(wǎng)WLAN

無(wú)線局域網(wǎng)WLAN是20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)與無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是以無(wú)線信道為傳輸媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。WLAN又被稱之為802.11系列標(biāo)準(zhǔn),以802.11g標(biāo)準(zhǔn)為例,該標(biāo)準(zhǔn)于2003年7月正式批準(zhǔn),占用2.4G自由頻段,無(wú)需申請(qǐng)頻段即可直接使用,采用了傳輸速率較高的OFDM(正交頻分復(fù)用)和CCK(補(bǔ)碼鍵控)調(diào)制,通信速率最大可達(dá)54Mbps。而且,通過(guò)規(guī)定兩種無(wú)線調(diào)制方式, 使得802.11g成為一種混合標(biāo)準(zhǔn),既能適應(yīng)傳統(tǒng)的802.11b標(biāo)準(zhǔn),又能符合802.11a標(biāo)準(zhǔn)。WLAN具有以下技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì):

（1）靈活。利用電磁波發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通信范圍不受環(huán)境限制,可拓寬網(wǎng)絡(luò)傳輸范圍。

（2）便捷。可免去網(wǎng)絡(luò)布線,組建、配置和維護(hù)較容易。

（3）安全。WLAN中所有網(wǎng)絡(luò)合法用戶設(shè)備的ID都記錄在網(wǎng)管中心,設(shè)置數(shù)據(jù)加密方法,即使信號(hào)被盜聽(tīng)也難理解內(nèi)容。

（4）經(jīng)濟(jì)。盡管WLAN硬件投資比有線高,但它減少布線費(fèi)用,適合需要頻繁移動(dòng)、作業(yè)地點(diǎn)多和空間分散、變化的環(huán)境。

（5）可擴(kuò)充性強(qiáng)。可組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),支持多種類型的終端設(shè)備接入。

（6）容量大。支持2.4GHz頻帶下13個(gè)子信道,每個(gè)信道占有22MHz 帶寬,同時(shí)擁有3個(gè)完全獨(dú)占的子信道,每個(gè)子信道內(nèi)依據(jù)11位隨機(jī)碼元對(duì)各基站用戶編碼分址、多用戶頻道復(fù)用。

（7）兼容性強(qiáng)。同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容,可和獲得Wi-Fi認(rèn)證的無(wú)線產(chǎn)品互操作, 并與Ethernet及Token Ring網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接。

（8）高移動(dòng)性。WLAN建成后,只要在AP(Access Point)范圍內(nèi),配有無(wú)線網(wǎng)卡的終端設(shè)備可以自由移動(dòng),實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地接入。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于WLAN的礦井綜合無(wú)線接入系統(tǒng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)由骨干以太網(wǎng)、分支以太網(wǎng)和WLAN無(wú)線局域網(wǎng)三部分組成,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

骨干以太網(wǎng)是由1000M的單模光纖和工業(yè)核心交換機(jī)組成的工業(yè)環(huán)網(wǎng),礦井中所有的信息均通過(guò)骨干以太網(wǎng)和地面交換。骨干以太網(wǎng)的基本節(jié)點(diǎn)是千兆光交換機(jī)，交換機(jī)之間由單模光纖沿主要的巷道(主井、輔井和風(fēng)井)鋪設(shè),構(gòu)成互逆雙環(huán)自愈的架構(gòu)。分支以太網(wǎng)由復(fù)合電纜和智能無(wú)線通信基站(無(wú)線接入點(diǎn))組成,復(fù)合電纜的傳輸介質(zhì)是

100M的單模光纖。分支以太網(wǎng)通過(guò)骨干以太網(wǎng)上的光交換機(jī)和骨干以太網(wǎng)互聯(lián)。分支以太網(wǎng)的基本節(jié)點(diǎn)是智能無(wú)線通信基站, 各智能無(wú)線通信基站之間通過(guò)光電復(fù)合電纜連接。WLAN接入是智能無(wú)線通信基站最重要的功能,它將各種無(wú)線終端設(shè)備通過(guò)WLAN和分支以太網(wǎng)連接,再由分支以太網(wǎng)連接到骨干以太網(wǎng),形成完整的通信鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 建設(shè)開(kāi)放、高速的礦山無(wú)線綜合通信系統(tǒng)

利用WLAN的開(kāi)放、高速等特點(diǎn)，建設(shè)礦井統(tǒng)一信息接入平臺(tái)，解決有線通訊中線路重復(fù)投資建設(shè)、布線繁瑣、開(kāi)放性差等問(wèn)題，從而改變目前礦山多種系統(tǒng)線路或無(wú)線覆蓋區(qū)域各自為政、難以維護(hù)的實(shí)際情況，構(gòu)建一套集無(wú)線語(yǔ)音、視頻、設(shè)備數(shù)據(jù)接入控制，甚至礦井移動(dòng)辦公、人員定位等系統(tǒng)為一體的礦山無(wú)線綜合通信系統(tǒng)。

2.2 實(shí)現(xiàn)多個(gè)AP多信道橋接

通過(guò)WDS(WDS，Wireless Distribution System)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線AP橋接，增加擴(kuò)展服務(wù)區(qū)覆蓋范圍，減少巷道中通訊線纜的使用量。合理組織橋接線路上的無(wú)線AP，分配使用無(wú)線信道，降低橋接過(guò)程中相鄰AP信號(hào)覆蓋區(qū)域相互交叉重疊產(chǎn)生的干擾。

圖2 全礦井總體拓?fù)鋀DS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 無(wú)線綜合信息接入平臺(tái)匯接及辦公網(wǎng)絡(luò)整合

在井下根據(jù)礦井實(shí)際通過(guò)AP間的橋接創(chuàng)建多個(gè)無(wú)線擴(kuò)展服務(wù)區(qū)域，每個(gè)無(wú)線擴(kuò)展服務(wù)區(qū)包含一個(gè)有線AP（光纜直連）及眾多無(wú)線AP，覆蓋范圍從300m（工作面）到2000m（巷道）均可，多個(gè)擴(kuò)展服務(wù)區(qū)在地面實(shí)現(xiàn)匯接，實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)同段。有效利用礦井現(xiàn)有資源，通過(guò)礦井核心三層交換機(jī)完成與辦公網(wǎng)絡(luò)路由整合，建立真正的井上下統(tǒng)一接入平臺(tái)。

2.4 井下巷道傳播特性分析

礦井巷道沒(méi)有室外傳播環(huán)境開(kāi)闊，研究井下無(wú)線傳輸受到巷道的截面尺寸、粗糙程度、拐彎、是否存在分支巷道的影響。對(duì)于分支巷道的部署，由于彎曲損耗的存在，需要在彎曲處布置AP接入點(diǎn)，直到找到一個(gè)可以接受的AP接入點(diǎn)部署設(shè)計(jì)。巷道AP布置示意圖如圖3。

2.5 視頻子系統(tǒng)工作時(shí)的AP部署

研究802.11b+g的AP通過(guò)WDS組建的無(wú)線局域網(wǎng)的理論帶寬及井下實(shí)際帶寬情況，研究無(wú)線視頻通信系統(tǒng)中采用H.264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，對(duì)于執(zhí)行CSMA/CD信令機(jī)制的無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，合理規(guī)劃單個(gè)擴(kuò)展服務(wù)區(qū)中無(wú)線視頻攝像頭的安裝個(gè)數(shù)，確保視頻流暢，減少對(duì)其他應(yīng)用接入的影響。

圖3 巷道AP布置示意圖

3 實(shí)施方案

3.1 完成工作面無(wú)線視頻通信

目前在工作面布置四臺(tái)無(wú)線攝像頭，其中三臺(tái)固定于工作面液壓支架上，一臺(tái)移動(dòng)檢查，無(wú)線視頻通信既要求多個(gè)AP間的覆蓋區(qū)域有重疊，又要避免多個(gè)AP工作于統(tǒng)一通道的情況下產(chǎn)生較大的干擾。目前，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，三個(gè)固定攝像頭所獲取動(dòng)態(tài)畫面基本能夠滿足要求，安裝完成后通過(guò)實(shí)際檢測(cè)通訊過(guò)程中丟包率小于在2%，最大網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于280ms，平均延時(shí)15ms以內(nèi)，可滿足我礦要求。

3.2 完成工作面無(wú)線語(yǔ)音通信

目前工作面語(yǔ)音通訊實(shí)驗(yàn)中我們采用了廠方提供的wif i手機(jī)，該手機(jī)功能較少，非智能機(jī)，實(shí)驗(yàn)中通話質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)在使用的小靈通。現(xiàn)在市場(chǎng)上支持WLAN的中高端智能手機(jī)較多，這類手機(jī)可利用WIFI /WAPI接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)VOIP通信，如果在此類手機(jī)上安裝企業(yè)QQ則可完成通過(guò)手機(jī)對(duì)手機(jī)的井上下人員視頻會(huì)話，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮功能。

3.3 最后工作面數(shù)據(jù)接入平臺(tái)完成測(cè)試

在完成工作面音視頻服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)筆記本完成了工作面無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋情況測(cè)試實(shí)驗(yàn)，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了工作面空間內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)的全覆蓋。

3.4 工作面WLAN實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況測(cè)試

具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

4 項(xiàng)目實(shí)施效果分析

（1）在工作面實(shí)現(xiàn)視頻、語(yǔ)音的并行無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了圖像、語(yǔ)音傳輸?shù)挠行ЫY(jié)合，不僅可以及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，方便調(diào)度，確保工作面高產(chǎn)高效；亦可為礦井應(yīng)急救援提供圖像、語(yǔ)音資料服務(wù)；其良好的兼容性亦可為工作面設(shè)備提供無(wú)線數(shù)據(jù)接入服務(wù)。符合當(dāng)前礦山應(yīng)急救援的發(fā)展趨勢(shì)，為今后進(jìn)行事故原因分析、總結(jié)搶險(xiǎn)救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提供基礎(chǔ)資料。

（2）隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，總的趨勢(shì)是數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高，安全性越來(lái)越好，服務(wù)質(zhì)量越來(lái)越有保證。為以后礦井搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，改變目前我礦生產(chǎn)中使用的各種監(jiān)測(cè)、監(jiān)控與通信系統(tǒng)各自為政、開(kāi)放性差、線路重復(fù)投資建設(shè)、維護(hù)困難等明顯缺陷提供支持，同時(shí)全國(guó)范圍內(nèi)亦具有較好的推廣前景。

（3）井上下形成高速無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，為礦井各種機(jī)電設(shè)備提供無(wú)線接入服務(wù)，完成與地面辦公網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)匯接，形成井上下一網(wǎng)，從系統(tǒng)工程角度為建設(shè)數(shù)字化礦山提供必要的支撐。

（4）井上下采用基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的無(wú)線接入，擺脫線纜的束縛，有開(kāi)放性高、安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)組網(wǎng)靈活，維護(hù)費(fèi)用低，可根據(jù)礦井需要迅速將新的無(wú)線監(jiān)控點(diǎn)加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中。