智能礦山礦井無線通信系統(tǒng)指標(biāo)的測試與測量方法

李蓉 彭秦 馬晶晶 王安義

摘 要：文中針對礦用4G-LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，依照復(fù)雜的礦井環(huán)境，提出了一整套完整有效的井下礦用4G應(yīng)急指揮系統(tǒng)的測試?yán)碚摷胺椒?，并在某金礦進(jìn)行實(shí)地外場測試，包括覆蓋距離、掉話率、切換測試等，驗(yàn)證了所提出的測試方法完全可行。

關(guān)鍵詞：4G-LTE；外場測試；覆蓋距離；掉話率；切換測試

中圖分類號(hào)：TP39；TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

隨著礦井工業(yè)化、信息化的發(fā)展，無線通信也經(jīng)歷了礦用程控電話、小靈通無線通信、WiFi通信、3G移動(dòng)通信，以及4G移動(dòng)通信[1]。雖然井下通信發(fā)展到4G通信，但卻缺少一套行之有效的可以測試及評(píng)估礦用4G專網(wǎng)通信系統(tǒng)的測試手段，采用傳統(tǒng)人工體驗(yàn)式測試方法得出的結(jié)論缺乏有效性，增加了人力成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了測試效率。本文通過對礦井無線環(huán)境及通信鏈路進(jìn)行仿真，并在仿真的基礎(chǔ)上提出針對礦井無線覆蓋和漫游切換的測試思路，構(gòu)建了具體的測試方法，并通過實(shí)地測試驗(yàn)證了測試算法的有效性及測試方案的可行性。

1 概 述

長期以來，煤炭作為我國主要能源，有力支撐著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展。隨著礦山多種綜合業(yè)務(wù)的需要，處理各類應(yīng)急事件時(shí)對井下無線通信要求較高，因此基于4G（TD-LTE）技術(shù)的無線通信技術(shù)必將成為礦山的主流配置。目前4G無線通信系統(tǒng)在我國煤礦井下大約已裝備了60個(gè)。

礦用4G總體處于建設(shè)及維護(hù)階段，目前雖然我國掌握并具備了礦井4G覆蓋的核心技術(shù)，但仍存在許多不足，缺乏有效的手段來準(zhǔn)確測量無線覆蓋范圍以及其他重要測試指標(biāo)，例如切換成功率、通話掉話率等。本文針對這一系列問題提出了一整套有針對性的系統(tǒng)測試方案。

2 測試?yán)碚摷皽y試方案的設(shè)計(jì)

2.1 礦用4G系統(tǒng)的構(gòu)成

礦用4G系統(tǒng)由EPC（核心網(wǎng)）、eNodeB（基站）、UE（用戶設(shè)備）組成[2]，4G礦用調(diào)度系統(tǒng)在4G系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了4G專網(wǎng)礦用無線調(diào)度通信系統(tǒng)，調(diào)度通信系統(tǒng)能夠方便管理人員隨時(shí)隨地掌握人員、生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，并實(shí)時(shí)對生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行指揮和調(diào)度，為煤炭安全生產(chǎn)提供有力保障。

2.2 理論與仿真

隧道內(nèi)的無線信號(hào)經(jīng)直射、反射、散射后到達(dá)接收機(jī)[3]。隧道墻壁對無線電波有屏蔽、吸收和散射作用，理論上，隧道是超大尺寸的非理想波導(dǎo)，只有高于其截止頻率的波才能在其中傳播，如圖1所示。

菲涅耳區(qū)域理論認(rèn)為，電磁波在隧道中傳播時(shí)，可將隧道分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)兩個(gè)傳播區(qū)域，波在近區(qū)主要為多模傳播，而在遠(yuǎn)區(qū)波的傳播方式主要是穩(wěn)定的引導(dǎo)傳播[4]。由圖2可知，在巷道模型一定，介電常數(shù)一定的情況下，主波模衰減隨頻率的增加衰落減小。

礦井巷道可以被理解為超大尺寸的非理想波導(dǎo)，高于波導(dǎo)截至頻率的電磁波才能在波導(dǎo)中傳輸，一般巷道截至頻率為幾十兆赫茲。

圖3表明轉(zhuǎn)折點(diǎn)前，f越大，路徑衰減越大；轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，f越大，路徑損耗的衰減趨勢變緩慢。

通過軟件及硬件方法將上述指標(biāo)及無線鏈路的衰落情況進(jìn)行自動(dòng)測量并如實(shí)記錄，再結(jié)合后臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析給出基本的統(tǒng)計(jì)值，最后通過經(jīng)驗(yàn)閾值與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行范圍比對，就可以對礦井無線覆蓋指標(biāo)、切換指標(biāo)、業(yè)務(wù)指標(biāo)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和分析，這就是本文設(shè)計(jì)礦用4G無線覆蓋測量方案的核心原理所在。

3 測試方案設(shè)計(jì)

3.1 測試方案準(zhǔn)備

（1）綜合業(yè)務(wù)交換機(jī)：集成了IMS和LTE核心網(wǎng)EPC功能，是4G無線系統(tǒng)的核心設(shè)備，提供4G特色功能VoLTE，對接入終端合法性和安全性進(jìn)行控制，為用戶在全網(wǎng)絡(luò)提供無縫移動(dòng)服務(wù)，為4G無線網(wǎng)絡(luò)提供向外連接的接口。

（2）礦用本安型基站：按照礦用本安標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，4G FDD-LTE基站的單站覆蓋范圍（兩個(gè)定向天線）可達(dá)1 km以上，對外提供千兆以太網(wǎng)接口（包括電口和光口），支持串接6級(jí)基站。

（3）礦用本安型手持終端：提供基礎(chǔ)型和高端型礦用本安手持終端，支持接入專網(wǎng)及運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

（4）礦用煤安認(rèn)證的基站電源：提供井下基站配套的礦用煤安認(rèn)證電源，后備容量可供電4小時(shí)。

（5）地面基站：提供基于公網(wǎng)應(yīng)用方式的BBU+RRU無線覆蓋，滿足地面無線信號(hào)覆蓋的要求及提供業(yè)務(wù)傳輸通道。

（6）板狀天線：提供單方向的定向覆蓋，單基站拉遠(yuǎn)測試覆蓋范圍可達(dá)1 km。

3.2 測試場景

測試場景選取位于陜西省寶雞市的某金礦，采用F頻段同頻組網(wǎng)，帶寬20 MHz。礦井巷道與地面空間不同，是一種特別的受限空間，環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較狹窄，巷道壁粗糙，還有運(yùn)輸車輛、列車軌道、動(dòng)力線、機(jī)電設(shè)備等，如圖4所示。

直巷主要采用定向板狀天線覆蓋，以礦內(nèi)實(shí)際最高建筑物為基站安裝點(diǎn)；根據(jù)巷道實(shí)際情況，站間距在800～1 000 m之間；巷道交錯(cuò)區(qū)域，在交叉路口可設(shè)立一個(gè)LTE基站，并采用多個(gè)天線進(jìn)行分布式覆蓋。

3.3 專網(wǎng)的系統(tǒng)測試方案

3.3.1 單小區(qū)覆蓋測試

（1）測試場景

站點(diǎn)系統(tǒng)帶寬20 MHz，工作頻段Band3，一個(gè)單方向板狀定向天線，站高2 m，天線增益（12±1）dBi，工作頻段為1 710～2 700 MHz，駐波比≤1.5，極化方式±45°。選定礦井巷道為測試小區(qū)，無公網(wǎng)的頻帶干擾，巷道空直窄長，適合定向天線做覆蓋測試。

（2）測試過程

a.選定空直巷道為測試小區(qū)，縱向長度可達(dá)500 m，測試方向無其他站點(diǎn)，相當(dāng)于孤站測試；

b.測試人員A攜帶一臺(tái)測試終端，定點(diǎn)于天線附近，測試人員B攜帶一臺(tái)測試終端，兩終端建立連接，保持通話狀態(tài)；

c.以站點(diǎn)天線處為起點(diǎn)，設(shè)定停頓測試點(diǎn)為0 m，100 m，200 m，350 m，400 m，450 m，500 m，500 m后的測試點(diǎn)根據(jù)測試情況將間隔不斷調(diào)?。?/p>

d.測試人員B沿巷道徑向行走，在設(shè)定測試點(diǎn)停頓，記錄1 min測試數(shù)據(jù)，主要包括當(dāng)前測試點(diǎn)距離、信號(hào)強(qiáng)度；

e.為保證結(jié)果準(zhǔn)確，拉遠(yuǎn)覆蓋測試在關(guān)鍵位置，500 m以后的測試次數(shù)為10次，且遍歷測試路線1次。

（3）測試結(jié)論

基站下信號(hào)是最強(qiáng)點(diǎn)，信號(hào)強(qiáng)度為-44 dBm；隨著距離的增大，信號(hào)越來越弱，500 m處通話質(zhì)量良好，信號(hào)強(qiáng)度約為-110 dB，500～550 m區(qū)間信號(hào)微弱，信號(hào)強(qiáng)度遞減直至掉話。

3.3.2 切換測試

（1）測試場景

同單小區(qū)覆蓋測試的場景。根據(jù)覆蓋的測試結(jié)果，在巷道口以及巷道中布置四個(gè)站點(diǎn)，無公網(wǎng)的頻帶干擾，巷道的環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道比較狹窄，巷道壁粗糙，實(shí)驗(yàn)環(huán)境符合測試切換的條件。圖5所示為整個(gè)礦井的部分巷道圖，在巷道入口a處布置一臺(tái)基站，在巷道拐彎處b和c處布置基站，a-b，b-c，c-d的距離均為800～1 000 m。

（2）測試過程

a.選定礦井巷道為實(shí)地測試環(huán)境，礦井環(huán)境復(fù)雜，選擇合適的布站位置；

b.測試人員A攜帶一臺(tái)測試終端，定點(diǎn)于天線附近，即a位置處，測試人員B攜帶一臺(tái)測試終端，兩終端建立連接，保持通話狀態(tài)；

c.測試人員B沿巷道的行走軌跡為a-b-c-d，在設(shè)定測試點(diǎn)停頓，記錄當(dāng)前測試點(diǎn)距離、信號(hào)強(qiáng)度，觀察終端側(cè)信令流程或服務(wù)小區(qū)ID，確定是否切換成功，中間如有掉線，則及時(shí)停車重新建立連接，重新測試；

d.每部終端切換次數(shù)至少為50次，并至少遍歷測試路線一次。

（3）測試結(jié)淪

基站下信號(hào)是最強(qiáng)點(diǎn)，從a-b隨著距離的加大，信號(hào)越來越弱，由-40 dBm降到-100 dBm，b附近發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度突然變強(qiáng)為-40 dBm，中間過程通話正常，觀察終端側(cè)信令流程以及服務(wù)小區(qū)ID，確認(rèn)基站1到基站2切換成功，同樣b-c-d基站2到基站3切換成功。

3.3.3 掉話率測試

（1）測試場景

站點(diǎn)系統(tǒng)帶寬20 MHz。實(shí)驗(yàn)場地選擇為通信實(shí)驗(yàn)室，接入核心網(wǎng)與基站組成的專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，選擇定向天線注冊在專網(wǎng)的手機(jī)終端。

（2）測試過程

a.在自動(dòng)測試情況下，選用自動(dòng)測試軟件，將兩部終端掛到自動(dòng)撥打電話的軟件下，讓一部終端作為主叫，另一部作為被叫；

b.打開自動(dòng)測試軟件，設(shè)置通話間隔與通話時(shí)長，使終端自動(dòng)撥打電話；

c.在測試軟件中可以看到自動(dòng)測試的接通率、掉話率以及通話過程中的信令流程，可以很方便地查看通話過程中出現(xiàn)的問題，采取措施有效解決。

（3）測試結(jié)論

兩部終端各連接100余次，全部成功，空載下未發(fā)生掉線。

掉話率、接通率統(tǒng)計(jì)圖如圖6所示，終端撥打電話進(jìn)程圖如圖7所示，信令流程圖如圖8所示。

4 實(shí)地測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取位于陜西省寶雞市的某金礦，每次實(shí)際測試天數(shù)15天，共三次，總計(jì)45天，統(tǒng)計(jì)實(shí)際測試結(jié)果如下：

（1）單小區(qū)覆蓋測試：巷道細(xì)長且彎曲復(fù)雜，單站覆蓋距離可達(dá)1 km以上，與傳統(tǒng)礦井相比，覆蓋距離以及移動(dòng)性得到很大的提升，小區(qū)覆蓋測試平均數(shù)據(jù)見表1所列。

（2）網(wǎng)絡(luò)性能方面：與傳統(tǒng)井下通信相比，4G的低時(shí)延、大容量、穩(wěn)定性有很大優(yōu)勢。

（3）連接建立成功率、切換成功率均達(dá)到100%，掉線率為0，長時(shí)間的業(yè)務(wù)保持能力為井下通信提供可靠保障。

空載狀態(tài)下掉線率測試數(shù)據(jù)見表2所列，全網(wǎng)切換測試數(shù)據(jù)見表3所列。

（4）通過對EPC進(jìn)行負(fù)荷測試，得出EPC能經(jīng)得住大負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好的結(jié)論。

5 結(jié) 語

本文通過對礦用4G技術(shù)進(jìn)行研究及仿真，提出了一套高效可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)的礦用4G無線覆蓋測試方法及解決方案，從實(shí)際測試結(jié)果來看，這套測試方案行之有效，為我國煤礦在規(guī)劃、建設(shè)及維護(hù)礦井4G系統(tǒng)方面提供了重要的保障。

雖然本文設(shè)計(jì)并提出的礦井4G測試方法經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證完全可行，但是隨著未來技術(shù)的發(fā)展還有如下幾方面可以繼續(xù)開展提升工作：

（1）由于此次實(shí)際測試礦井環(huán)境單一，測試環(huán)境相對較好，未來可以增加其他不同礦井的測試，進(jìn)一步提升測試方案的兼容性。

（2）隨著5G技術(shù)的發(fā)展，本方案在未來還要考慮進(jìn)一步向5G技術(shù)擴(kuò)充。

隨著技術(shù)手段的不斷進(jìn)步和提升，我們有理由相信，在以后的應(yīng)用過程中，礦用4G無線測試的方法及方案會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

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