司馬煤業井下信息無線通信系統的優化研究

蘇 輝

（潞安化工集團司馬煤業，山西 長治 046000）

司馬礦無線通信系統于2010 年建設并投入使用，采用了“小靈通PHS”無線通信技術，該技術僅支持語音通話與短信功能，基站信號輻射范圍受地質條件限制。隨著礦井不斷深入開采，所使用的無線通信系統“戰線”越拉越長，維護耗時耗力。由于小靈通無法提供數據業務，頻譜資源也受到工信部的制約經常出現有信號打不出電話、通話經常斷線等現象，給煤礦井下的綜采作業安全帶來了嚴重的影響。

為了提升井下無線通信的效率和可靠性，司馬煤業在對4G/5G 等數據通信模式、改造成本、技術難度等方案進行充分分析后決定基于現有的4GLTE技術為核心，以現有的小靈通數據通信系統為基礎打造全國首個4G 雙模通信系統。該系統不但實現了數據視頻傳輸通話等功能，而且還具有保持原語音通話穩定的功能，將數據通信效率提升了4 倍以上，實現了有線通信和無線通信的統一調度，徹底消除了各個數據系統之間的信息“孤島”。

1 通信系統現狀及技術路線

目前司馬礦的數據通信系統為浙江嘉科電子有限公司的礦用無線通信系統[1]，僅有基本語音、簡單調度、遺漏呼叫、收發短信、強插強拆、通話錄音、群組呼叫等功能，并不能保證煤礦通信的順暢交流。隨著井下綜采的進行，巷道結構日趨復雜，導致通信質量差、信號連續性不足，嚴重影響了井下綜采作業安全及通信效率。司馬煤業井下現有數據通信結構如圖1。

圖1 司馬煤業現有數據通信系統結構

結合司馬煤業現有通信系統結構，為了降低改造成本、減少改造周期，經過對不同數據通信方案的對比，項目組提出將4G LTE 技術和小靈通通信系統相結合[2]，打造全國首個4G 雙模通信系統的方案，并對研究的技術路線進行了分析。

（1）開發一套 EPC 核心服務器（基站控制器），依托于已有的通信網絡，提供有線、無線、分組一體化的接入手段，構筑多業務一體化的通訊平臺。

（2）融合LTE 基站技術，支持主流公網頻段，也支持專網1.8 G 頻段。發射功率動態可調，可以方便滿足礦區地面覆蓋。

（3）開發雙模防爆通訊終端，支持PHS、GSM、WCDMA。

2 4G 雙模通信系統結構

該新型數據通信系統主要包括了綜合調度交換機、核心網EPC、交換機、地面基站、井下基站、PHS+4G 雙模防爆終端。其整體結構如圖2。

圖2 4G 雙模通信系統結構示意圖

4G 核心網EPC 設備[3]是4G 系統的主設備，核心網通過綜合調度交換機對接各個調度通信系統、視頻監控系統等，核心網通過光纖交換機光纜和地面基站或者井下基站連接，再通過光電轉換模塊接入基站，井下基站可以通過網口接入基站，也可以通過光口接入基站，并且基站是通過光纜串聯起來的，每個井下基站大概覆蓋距離為800 m，保證數據信息傳輸的穩定性。

PHS+4G 雙模防爆終端是一部手機，可以同時支持多種網絡制式，支持多個網絡頻段，滿足語音、視頻、數字信號傳輸，也可以通過在4G 手機上安裝app 實現對其他系統的遠程監控查看[4]。

3 硬件系統結構

在該無線通信系統進行優化時，其主要新增的核心模塊為基站控制器（BSC）、室外LTE 基站及雙模防爆通訊終端。

基站控制器（BSC）主要包括了AM/CM 模塊、BM 模塊及TCSM 模塊，其主要功能是進行無線信道管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，并為本控制區內移動臺的過區切換進行控制等[5]。基站控制器（BSC）是基站收發臺和移動交換中心之間的連接點，為基站收發臺和操作維修中心之間交換信息提供接口。一個基站控制器通常控制幾個基站收發臺，該新型基站控制器結構如圖3。

圖3 基站控制器結構示意圖

司馬煤業所采用的通信4G 專網基站主要由基帶處理單元（BBU）、射頻單元（RRU）、核心網（EPC）以及指揮調度系統單元組成[6]。其支持LTE 雙流MIMO，具備高集成度、高性能、高帶寬和靈活性強等特點，其整體結構如圖4。

圖4 室外LET 基站結構示意圖

該基站主要包括了收發信單元模塊、交流電源模塊/直流電源模塊、腔體濾波器模塊及低噪聲功放模塊[7]。收發信單元模塊主要用于完成信號的模數和數模轉換、變頻、放大、濾波，實現信號的RF 收發，以及ZXSDR R8962 L26A 的系統控制和接口功能[8]。交流電源模塊/直流電源模塊主要用于將輸入的交流（或直流）電壓轉化為系統內部所需的電壓，給系統內部所有硬件子系統或者模塊供電。腔體濾波器模塊主要用于內部實現接收濾波和發射濾波，提供通道射頻濾波。低噪聲功放模塊主要用于實現收發信板輸入信號的功率放大，通過配合削峰和預失真來實現高效率。

PHS+4G 雙模防爆終端主要用于構建井下數據通信單元，便于工作人員及時進行數據傳輸和定位，其整體結構如圖5。

圖5 PHS+4G 雙模防爆終端結構示意圖

PHS+4G 的外部收發機中大部分功能模塊可進行復用，在不同協議間切換時，只需對復用的功能模塊進行參數配置即可實現雙模手機的外部收發機。利用該復用性可大大減少雙模手機外部收發機的實現資源，從而降低雙模手機收發芯片的硬件實現復雜度和實現成本。

4 應用情況分析

該系統已經在司馬煤業進行了應用，在應用過程中重點對系統的運行穩定性和數據傳輸效率及可靠性進行了驗證，各項指標均運行正常，滿足煤礦數據通信可靠性和安全性的需求。

在系統運行穩定性方面，要求設備上電之后主處理器等電壓穩定后保存復位200 ms 才進入啟動狀態。實際測試時系統在保存復位201 ms 時開始進行到啟動狀態，和設定值之間的偏差量約為0.5%，滿足時序穩定性測試需求。

在系統的數據傳輸效率方面，為了滿足數據傳輸效率和可靠性的需求，要求LTE 設備下載時的平均速率要達到60 M 以上，其上傳時速率要達到6 M 以上。實際使用過程中平均下載速率達到90 M以上，平均上傳速率8 M 以上，傳輸效率比優化前提升4 倍以上，能夠保證對視頻、語音、圖像信號的傳輸可靠性需求。

在系統運行可靠性方面，為了滿足井下惡劣環境中的運行可靠性需求，要求其能夠在低溫-5 ℃和高溫40 ℃情況下穩定地運行。

在-5 ℃環境下，從2020 年10 月18 日17:51開始接受開始灌包，到10 月20 日18:12，40 M 速率持續灌包48 h 以上，基站設備一直工作正常，業務總體正常，中途業務有停止是由于灌包jperf 中斷導致，隨時發現立即重灌包，業務都恢復正常。兩臺BS4332 的整機分別運行了48.91 h 和49.66 h，最后業務都能正常運行。

在40 ℃環境溫度下，從2020 年10 月21 日10:09 開始接受開始灌包，到10 月23 日10:34，40 M 速率持續灌包48 h 以上，基站設備一直工作正常，業務總體正常，中途業務有停止是由于灌包jperf 中斷導致，隨時發現立即重灌包，業務都立即恢復正常。兩臺BS4332 的整機分別運行了61.73 h和61.75 h，最后業務都能正常運行。

該系統運行測試情況如圖6。

圖6 4G 雙模通信系統測試圖

自該系統在司馬煤業應用以來，實現了有線通信和無線通信的統一調度，徹底消除了各個數據系統之間的信息“孤島”，解決了各個系統相互獨立的問題，顯著地提升了司馬煤業的數據通信效率。

5 結論

為了解決司馬煤業采用小靈通無線通信技術所存在的通信效率低、穩定性差的問題，提出了一種新的4G 雙模通信系統，在現有的數據通信網絡的基礎上增加了4G 數據通信技術。根據在司馬煤業的實際應用表明：

（1）雙模無線通信系統在不打破原有通信資源的基礎上融入新技術，揚長避短，有效保護了原有通信資源，節約了重新構建系統所需資金，實現了煤礦地面和井下數據和視頻信息的高速傳輸，傳輸效率比優化前提升了4 倍以上。

（2）創造性地將4G LTE 網絡與PHS 網絡完美融合，統一號碼管理，實現無線有線統一調度，解決各個系統相互獨立的問題，顯著提升了數據通信效率。

（3）應用該雙模無線通信系統，提升了司馬礦井下小靈通調度系統融合性，實現語音、數據、可視電話、集群對講全業務模式。