Wimax接入技术在矿井视频监控系统中的应用

谢 芳

（龙岩农业学校，福建 龙岩364000）

龙岩市作为福建省的主要产煤区域，在取得喜人的成绩的同时，煤矿事故频发，给国家和人民带来巨大的损失.造成煤矿事故的主要原因是煤矿安全技术相对落后，安全管理制度不健全，矿井下的安全监测设施不足等.此外，煤矿安全信息化技术不先进，矿井下的信息不能实时地传送至安全监测中心及上级安全监管部门，也是造成煤矿事故的原因之一.如果能安装视频监控系统，将矿井下的视频信息实时传送至矿井上，管理人员就可对矿井下的生产进行实时监管，及时进行安全隐患的排查，将事故率降至最低.因此，矿井下的视频监控系统的设计与实现显得尤为重要.但是，考虑到矿井下环境较复杂，不确定因素较多，采用传统的有线模式来进行视频系统的设计，由于布线繁琐、新增监控点较难且成本较高，此种方法不可取.传统的无线模式大都采用Wifi接入技术来进行系统的设计，虽然能解决有线模式的不足，但是由于 Wifi信号穿透能力差、传输距离近、传输速率不足，无法满足矿井下的视频信息的可靠传输.而基于IEEE802.16协议的Wimax无线宽带接入方式具有传输距离远、传输速率高、成本低的优势，能适应矿井下复杂环境中的视频信息的实时传输.本文采用Wimax作为矿井下的视频监控系统的接入技术，可实现矿井下的实时信息的传输，从而最大程度上预防矿井下的事故发生.

1 Wimax技术

1.1 Wimax概述

Wimax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），是全球微波互操存取的简称［1］，是当前电信运营商及设备制造商最为关注的热点之一.它以IEEE802.16系列标准为基础，采用无线方式实现“最后一公里”的宽带接入技术.Wimax的优势很多，主要体现在其集成了Wifi无线接入技术的移动性和灵活性，同时又具有xDSL等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性，其技术优势是传输距离远、速率高、系统容量大、多媒体通信服务广泛、安全性好、互操作性佳、应用范围广等［2］.

1.2 Wimax的组网模式

Wimax的应用场景非常广泛，但主要应用在基于IP数据的综合业务宽带无线接入，具体工作模式包括点对多点宽带无线接入、点对点宽带无线接入、蜂窝状组网方式等.Wimax对于不同的应用场合，能够灵活、快速地进行部署.Wimax主要由核心网接口、用户站、网管系统、中继站、基站和无线终端等组成［3］.其网络体系结构如图1所示.

图1 Wimax网络体系结构

1.3 Wimax标准规范

Wimax系统的标准有3个：802.16、802.16－2004和802.16e－2005，各版本间的技术细节比较如表1所示.

2 系统设计

2.1 网络结构设计

矿井下通道狭小、拐弯处多，环境较为复杂，各个监控点之间呈非视距的状况居多，因此，无线信号在矿井下的穿透力大为减弱.同时，随着生产进度的推移，矿井下的监控点发生改变，需经常移动或新增监控点.为了适应这些特殊情况，满足矿井下的视频监控需求，同时又能降低成本，本文采用单基站蜂窝组网模式进行视频监控系统的设计，将基站设置在地面上，矿井下设置多个Wimax中继站.其网络结构如图2所示.

表1 Wimax标准技术细节对照表

2.2 Wimax基站

Wimax基站主要起视频监控终端和视频监控服务器的连接作用，通常采用扇形定向天线和全向天线进行信号发送和接收.它可以提供较灵活的子信道的配置及部署功能，同进可依据监控终端的群体状况不断地升级和扩展网络.由于采用的是蜂窝组网模式，本系统采用扇形覆盖方式进行信号发送和接收.

2.3 Wimax中继站

Wimax中继站是用于放大Wimax信号的基本设备，充当基站与视频监控终端设备间信号传输的中继，延伸视频监控网络的覆盖范围.由于矿井弯且窄的特点，以串行的方式安装多个 Wimax中继站，即可构成一个连续的线性覆盖信号区域，为无线摄像机等监控设备提供接入信号，同时可为其他扩展系统的设备提供接入信号.

2.4 无线摄像机

无线摄像机用于视频信号的采集，可实时地将矿井下的工作情况上传到主控室和上级安全监管部门，对矿井下的安全情况进行监管，及时排查安全隐患，从而实现安全生产.考虑到井下的光线问题，摄像机还应有红外夜视功能，同时应具有云台功能，且配备Wimax无线模块.系统中的无线摄像机安装均遵循GB 50348《安全防范工程技术规范》和GA／T367《视频安防监控系统技术要求》的相关规定.

图2 矿井无线监控系统网络结构图

3 系统关键问题的解决

系统建立时，应注意基站及中继站的选址、基站设备的配置、抗干扰无线传输技术的选择等关键问题.

3.1 基站及中继站的选址

在矿井下，信号覆盖区域通常以非视距及高屏蔽环境为主，虽然Wimax接入技术在非视距中传输性能较好，且在非视距环境下最优的覆盖半径为2km，但考虑到矿井下的环境恶劣及监控视频信息的特殊性，基站及中继站的选址如果不合理，将直接影响监控视频信息传输的可靠性和稳定性.因此，根据矿井地形的实际情况，应在矿井洞口附近设置一个基站，在矿井下设置多个中继站，使各监控点都能有较强的信号覆盖，从而保证监控视频信息可靠和稳定地传输.

3.2 基站设备的配置

IEEE802.16协议对接入设备的空中接口进行了标准化，且各设备之间具有互操作性.由于目前国内不开放3.5GHz固定无线宽带接入系统的空中接口，且用3.5GHz接入设备的成本较高［4］，因此，本系统选用成本较低的IEEE802.16－2004系统取代3.5GHz固定无线宽带接入系统.又由于接入点有着分布不均匀的特点，1套基站设备理论上只能覆盖1个扇区面，因此，需根据接入点的数量及视频监控系统对带宽的需求，确定基站设备扇区面的角度和数量.

3.3 抗干扰无线传输技术

为了确保视频信息能在井上、井下可靠地传输，频率的规范使用就显得尤为重要，IEEE802.16e标准已规定了频率使用范围为2～66GHz.由于在2～6GHz的频率范围内，Wimax才能最好地发挥在非视距无线移动传输中的优势［5］，而目前国内尚未对Wimax频段的使用进行明确规范，且2.5GHz及3.5GHz频段都已被占用，因而阻碍了国内 Wimax技术的发展［5］.在实际应用过程中，需进行规范的顶层设计，规范Wimax频率的使用范围，选择有利于矿区环境监控的方案，例如，可引入认知无线电技术，更好地提高矿井下视频监控网络的抗干扰能力.

建议系统采用4扇区的蜂窝信号覆盖，每扇区为1个信道，使得蜂窝的重新使用率为1∶1.根据矿井下对通信使用频点的规划与要求，规定Wimax网络的使用频段为20～60GHz的带宽.同时考虑到矿区周边环境中其他无线频段带来的干扰，应使用频谱仪进行扫描，排除干扰频率，确保相对干净的频段.

4 Wimax接入技术在矿井视频监控系统中的应用

将矿井视频监控系统设计后，在福建省龙岩市苏邦煤矿的2号井中进行了试验.在控制中心和洞口中间处设置了1个 Wimax基站；在矿井下，考虑到井下环境的复杂性和Wimax的特点，设置了3个中继站，使得每个中继站边缘处都能有较强的信号覆盖.测试示意图如图3所示.

图3 矿井视频监控系统测试示意图

5 结 语

本文提出了基于Wimax接入技术的矿井视频监控系统设计方案，该系统具有安装简易、实时性高、灵活性强、监控范围广及可扩展性好等优点，解决了传统有线接入方式布线繁琐和无线接入方式信号不强等问题，并可将此系统网络进行扩展，为构建矿井下其他监测系统提供基础网络.同时，该视频监控系统可推广应用到国内大、中型矿井中，为我国的矿业生产保驾护航.当然，如何改善和增强视频监控图像的画面质量，保证网络的服务质量，还有待深入研究.

［1］刘波.WiMAX技术与应用详解［M］.北京：人民邮电出版社，2009：2－40.

［2］刘丹谱，郝建军；乐光新.WiMAX宽带无线接入技术及其应用［J］.中兴通讯技术，2008，14（2）：54－57.

［3］何榕，王大旌.论 WiMAX技术在野战通信中的应用［J］.指挥信息系统与技术，2010，1（4）：38－40.

［4］胡平，韩兴.基于3G的无线实时视频监控系统设计［J］.计算机工程与设计，2011，32（12）：4015－4019.

［5］王惠中，范少伟，刘胜文.WiMAX在风力发电故障诊断系统中的应用［J］.中国电力，2011，44（9）：72－75.

［6］张驰.WiMAX技术在地铁应急通信组网中的应用［J］.铁道运营技术，2011，17（2）：14－15.