廣電白頻譜超級(jí)WiFi技術(shù)在露天煤礦視頻監(jiān)控傳輸中的應(yīng)用探討

范俊杰

摘? ?要：針對(duì)露天煤礦視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸過(guò)程中存在的干擾嚴(yán)重、傳輸不穩(wěn)定、存在信號(hào)盲區(qū)等問(wèn)題，文章在分析當(dāng)前露天煤礦常用的視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出了利用基于廣電白頻譜超級(jí)WiFi技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸露天煤礦視頻監(jiān)控的方式，并在實(shí)際測(cè)試中取得了滿意的效果，為智慧礦山安全生產(chǎn)中的網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：白頻譜;超級(jí)WiFi;視頻監(jiān)控;露天煤礦

安全生產(chǎn)是煤礦企業(yè)的第一要素[1]。如果沒(méi)有安全這個(gè)“1”，再多的生產(chǎn)成果也難免成為毫無(wú)意義的“0”。煤礦環(huán)境屬于高危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域，提高煤礦作業(yè)的生產(chǎn)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)煤礦環(huán)境的智慧化監(jiān)督和控制，已成為目前各煤礦企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[2]。視頻監(jiān)控作為安全生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?yàn)楣芾砣藛T提供直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息，讓管理人員實(shí)時(shí)了解煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況，為安全生產(chǎn)指揮調(diào)度提供決策依據(jù)。

露天煤礦具有作業(yè)面范圍廣，地勢(shì)隨開(kāi)采進(jìn)度變化快，電鏟車、運(yùn)輸車等作業(yè)設(shè)備大范圍移動(dòng)工作等特點(diǎn)，其視頻監(jiān)控采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸存在諸多問(wèn)題，如施工周期長(zhǎng)、見(jiàn)效慢，甚至難以實(shí)現(xiàn)布線，不便于后期的擴(kuò)展和維護(hù)。目前，露天煤礦視頻監(jiān)控通常采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，但存在干擾嚴(yán)重、傳輸不穩(wěn)定、信號(hào)盲區(qū)等問(wèn)題。本文在分析當(dāng)前露天煤礦常用視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了利用基于廣電白頻譜超級(jí)WiFi技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸露天煤礦視頻監(jiān)控的方式，解決了露天煤礦視頻監(jiān)控傳輸存在的問(wèn)題，取得了滿意的應(yīng)用效果。

1? ? 露天煤礦常用視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸技術(shù)

視頻監(jiān)控是露天煤礦實(shí)施安全生產(chǎn)重要的一環(huán)，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)有高速率、大容量、高可靠、易于維護(hù)擴(kuò)展和支持移動(dòng)性的要求。視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸是指利用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)傳輸視頻監(jiān)控的信息，目前在露天煤礦常用的視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要有兩種：（1）4G長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。（2）基于2.4 GHz/5.8 GHz WiFi技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。兩種網(wǎng)絡(luò)都能滿足視頻監(jiān)控?zé)o線傳輸?shù)牟糠中枨螅泊嬖谝恍┎蛔恪Ｍㄟ^(guò)基于運(yùn)營(yíng)商4G LTE技術(shù)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸露天煤礦視頻監(jiān)控，是運(yùn)營(yíng)商在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）技術(shù)建立屬于煤礦自己的虛擬私有網(wǎng)絡(luò)，可以滿足煤礦在運(yùn)營(yíng)商基站附近作業(yè)區(qū)中視頻監(jiān)控傳輸?shù)男枨螅芟抻谶\(yùn)營(yíng)商的頻段資源與運(yùn)營(yíng)維護(hù)機(jī)制，在距離基站較遠(yuǎn)覆蓋不到或集中作業(yè)區(qū)容量不足時(shí)難以擴(kuò)展，應(yīng)用中存在信號(hào)盲區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)控中斷。通過(guò)基于2.4 GHz/5.8 GHz WiFi技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)傳輸露天煤礦視頻監(jiān)控，煤礦可以根據(jù)實(shí)際情況靈活部署和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，但2.4 GHz/5.8 GHz易受干擾、衰減大、傳輸距離短、覆蓋相同區(qū)域需要更多的設(shè)備，維護(hù)繁瑣，視頻監(jiān)控傳輸?shù)姆€(wěn)定性波動(dòng)大。除此之外，2.4 GHz/5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)也容易受到攻擊和入侵，安全性無(wú)法保障。

2? ? 基于廣電白頻譜的超級(jí)WiFi技術(shù)

廣電白頻譜，主要指廣播電視傳播所用的特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段中沒(méi)有被占用的空閑部分，具有傳播特性好、穿透能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，隨著廣播電視數(shù)字化進(jìn)程加快，該部分頻譜資源將逐步被釋放，用于開(kāi)展新的業(yè)務(wù)，解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中存在的各類通信難題[3-4]。

基于廣電白頻譜的超級(jí)WiFi技術(shù)是在廣電白頻譜上采用802.11af協(xié)議進(jìn)行通信。802.11af協(xié)議基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，能與周圍環(huán)境交互信息以感知和利用在該空間的可用頻譜，并限制和減少?zèng)_突干擾的發(fā)生，同時(shí)使用正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）抵抗干擾提升頻譜利用率，并引入多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）提高通信質(zhì)量和速率[5-6]。

與普通WiFi網(wǎng)絡(luò)相比，基于廣電白頻譜的超級(jí)WiFi網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)上沒(méi)有復(fù)雜化，具備WiFi的高速率傳輸和良好的多媒體支持特性，由于所使用頻段的低頻特性及先進(jìn)的通信技術(shù)，不僅傳播的距離更遠(yuǎn)，而且穿透性好，不受建筑、樹(shù)木阻隔，不受惡劣天氣影響，非常適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、較大覆蓋范圍的無(wú)線寬帶傳輸應(yīng)用。

3? ? 廣電超級(jí)WiFi在露天煤礦視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

在某露天煤礦，礦區(qū)半徑約4.5 km，各類作業(yè)車約170輛，作業(yè)面小范圍內(nèi)集聚了較多的作業(yè)車，指揮調(diào)度室管理人員需要通過(guò)作業(yè)車上的移動(dòng)視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)觀察生產(chǎn)區(qū)域的情況，以便高效調(diào)度安全生產(chǎn)。礦區(qū)內(nèi)塔位有6個(gè)，高約25 m，塔位間距在2 km左右，由于只有一個(gè)塔位有落地光纖資源，塔位間缺少有線網(wǎng)絡(luò)連接，布線施工與維護(hù)難度大，無(wú)法滿足移動(dòng)車輛需求，因此只能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸安全生產(chǎn)的視頻監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行調(diào)度，礦區(qū)塔位分布如圖1所示。

實(shí)際中，要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在覆蓋整個(gè)礦區(qū)的基礎(chǔ)上，能滿足全礦區(qū)不少于32路移動(dòng)視頻監(jiān)控的并發(fā)傳輸，且在集中作業(yè)區(qū)滿足不少于22路移動(dòng)視頻監(jiān)控的并發(fā)傳輸，每路監(jiān)控視頻2 M/bps。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，采用運(yùn)營(yíng)商4G LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋全礦區(qū)，且難以滿足集中作業(yè)區(qū)的需求。采用2.4 GHz/5.8 GHz WiFi則易受嚴(yán)重干擾不穩(wěn)定，且在邊緣地方存在信號(hào)盲區(qū)，塔位之間的數(shù)據(jù)傳輸受限，無(wú)法滿足要求。基于廣電白頻譜超級(jí)WiFi的優(yōu)勢(shì)，可以為礦區(qū)提供穩(wěn)定、高速的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，解決作業(yè)車移動(dòng)視頻監(jiān)控傳輸中遇到的問(wèn)題。

基于廣電白頻譜超級(jí)WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，接入層網(wǎng)絡(luò)由塔位上配置16 M帶寬的基站組成，相鄰的基站采用異頻組網(wǎng)，減少干擾，在傳輸距離約2 km的情況下，可以提供60 M/bps的速率，能滿足30路視頻監(jiān)控的并發(fā)傳輸，6座塔最大可以滿足180路視頻監(jiān)控的傳輸，作業(yè)車輛上的攝像頭等接入終端均可通過(guò)接入層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與中心機(jī)房的雙向互聯(lián)互通。在集中作業(yè)區(qū)，通過(guò)南北兩個(gè)塔位的基站對(duì)其進(jìn)行覆蓋，可以滿足約60路視頻監(jiān)控的并發(fā)傳輸。塔位至落地塔之間的傳輸層采用超級(jí)WiFi中繼模式，中繼站之間采用背靠背模式，同樣采用16 M帶寬配置，這樣能保證每一個(gè)中繼鏈路上能提供60 M/bps速率，不會(huì)出現(xiàn)帶寬損耗，把分布在礦區(qū)內(nèi)的5個(gè)塔位與有落地光纖資源的塔位通過(guò)無(wú)線方式相連接。視頻監(jiān)控信息傳輸至有落地光纖的塔位后，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)應(yīng)用層的平臺(tái)。