浅析矿用TD-SCDMA无线通信系统及应用

内蒙古鄂尔多斯永煤矿业投资有限公司 王 勇

1.我国矿用无线通信系统现状

矿用调度通信和行政通信系统经过多年建设和发展，取得了较大的发展。部分国有老矿建立了以程控交换技术为主的有线通信调度系统，实现了语音通话、电话调度功能，但系统存在调度效率低，调度范围小的问题；新建或技术改造后的大中型煤矿增加了矿用小灵通调度系统，系统以语音业务为主，缺乏宽带数据和智能业务，难以满足建设智慧矿山的发展需要。

2.我国矿用无线通信技术发展历程

我国矿用无线通信产业大致经历了PHS（Personal Handy-phone System-小灵通）、Wi-Fi（Wireless Fidelity-无线保真）、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access-时分同步码分多址）技术为代表的三个演化进程。

PHS技术早期起源于日本，通过微蜂窝基站实现无线覆盖，将手机终端以无线的方式接入本地电话网，不过小灵通在日本市场没有取得太大的应用。经过美国UT斯达康公司改进之后，该技术于1998年引入我国，2006年后开始逐步应用于矿山通信领域。目前面临清频政策导致产业链断链带来的后续维护及发展的限制。

Wi-Fi是一种商业认证，属短距离无线局域网技术。主要解决计算机用户最后一百米接入问题，也是计算机网络无线传输标准，技术规范主要包含802.11a、802.11b、802.11g、802.11n。通常被应用于热点覆盖，如飞机场、酒店、会议室、餐饮店等场所。其语音业务采用分组交换IP交换技术，Qos保证方面存在语音延迟大，话音质量差、终端耗电量大等弊端，作为实时通信系统技术应用还存在一定问题。依据802.11标准及国家无委会对2.4G频段扩频设备的使用规定，该频段的工作频率为2400MHz-2483.5MHz，带宽为83.5MHz，最多有11个可用信道。

TD-SCDMA是由中国提出的第三代移动通信标准，是以我国知识产权为主、被国际广泛接受和认可的无线通信国际标准，是我国电信史上重要的里程碑。其在频谱利用率、频率灵活性、业务支持性及成本等方面有独特优势。矿用TD-SCDMA无线通信系统中的手持终端有别于PHS和Wi-Fi的技术特色在于公网、专网可使用同一手持终端和SIM卡，完成公网和矿用井下专网的注册业务和呼叫业务。

无线通信产品是解决移动终端到通信接入设备之间的最后300米～1000米内的技术应用，矿用通信系统选型需要考虑井下基站覆盖范围、承载业务、业务并发数量和产品的产业链是否健壮等技术要素。

表1为三种矿用无线通信模式的技术参数对比。

表1 三种矿用无线通信模式的技术参数对比

3.矿用TD-SCDMA无线通信系统网络构建

矿用TD-SCDMA无线通信系统与中国移动3G网络技术同源，TD在公网得到充分验证和锤炼，确保系统功能丰富、性能稳定，矿用专网健壮性和多业务性伴随中国移动3G公网的发展而发展。TD-SCDMA无线通信系统从终端芯片到系统主设备，从仪器仪表到业务应用，拥有强大的产业联盟后盾，可确保客户的投资得到长期保障，专网后续的发展与技术演进可获得强力的业务支持。

(1)矿用无线通信系统组成

矿用TD-SCDMA无线通信系统由地面设备及井下设备组成。

地面主要设备主要由智能调度交换机、综合网络控制器、信令转换设备、WEB应用服务器、录音服务器、自动化及安全监控多媒体推送服务器、媒体接入网关、网络交换机、多媒体调度台、UPS电源等组成。

井下设备主要由本安型基站、本安型手机、矿用隔爆兼本安型电源等组成。

(2)矿用组网方案

矿用TD-SCDMA无线通信系统组建井下无线移动专网，并与地面中国移动网络实现井上、下的信息互通，通过综合智能调度交换机实现有线、无线的一体化调度功能。组网拓扑图如图1所示。

图1 大型煤业集团多矿井通信组网拓扑图

在煤矿（或矿群）信息中心设置网管系统及多媒体调度台一套，实现对无线网络的统一管理和对无线用户的调度功能。

无线系统通过E1中继线路与矿用程控交换机连接，提供基本的语音业务，实现矿群内各个煤矿用户之间的拨叫、对公网用户、移动用户的呼叫；各矿区之间采用IP进行互联，实现用户大小号呼叫，矿区间移动漫游（语音、可视电话、内网短信、彩信业务等）；通过ATM/IP接口与中移动公司移动交换机互联，实现一体化组网和满足煤矿用户在地面中移动网络和井下煤矿专网间自动切换和特殊业务（如上网、可视电话、公网短信、彩信等）的要求。

无线系统主要设备（智能调度交换机、综合网络控制器）内部核心模块均采用双机热备方式工作，系统故障时可自动进行切换处理；所有用户、环路中继端口均具备自恢复过压、过流保护，提供优良的抗雷击和抗电力线搭碰性能，最大限度的保证网络的可靠。

地面基站控制器与井下基站之间采用光纤传输，采用级联方式进行多级连接，最多可支持六级级联连接，最远距离达到40公里。

在井下巷道平直条件下，井下基站理论覆盖半径约1000米，即无线系统允许两个基站布设的距离达2000米。考虑到井下基站发生故障的小概率事件（如某个基站的供电系统发生故障），保证整个通信系统正常完成手持终端的接入和呼叫，基站间的距离一般巷道建议设置为700～850米。

(3)系统特点

●采用先进的软硬件技术和电信级工程设计，组建矿用TD-SCDMA无线专网，实现井上、井下的移动3G通信，满足大型矿业集团多矿井组网漫游的需要；

●实现语音、短消息等基本业务；

●实现视频通话、宽带数据接入等3G业务；

●通过调度交换设备实现有线、无线通讯网络的统一号码管理、一体调度及统一网管；

●手机终端使用中国移动提供的SIM卡，可同时作为中国移动和煤矿专网用户，在地面时作为中国移动2G用户，井下专网作为专网3G用户，双网手机归属地服务器同时记录手机最终归属位置。专网3G无线信号需要覆盖主要巷道和主要工作区，地面办公区由中国移动网络2G完成覆盖。手机终端在双网内自动注册和切换；

●依托于企业已有的Intranet网络和自动化平台，为3G用户提供煤矿自动化和安全监控泛在化服务，为企业构筑多业务一体化的通信平台。

4.矿用TD-SCDMA无线通信系统的功能

矿用TD-SCDMA无线通信系统可实现以下主要功能：

(1)智能调度

矿用TD-SCDMA无线通信系统提供调度交换机要求的所有调度功能，能同时对3G无线用户、有线用户进行统一调度，调度台采用触摸式多媒体调度台，界面友好、操作简单，易于功能扩展。

调度功能包括调度呼叫、强插、强拆、代答、监听、组呼、群呼、禁言、自动转接、会议、拨号盘、录音、夜服/辅机、排队等功能。

(2)泛在化服务

煤矿的自动化信息平台和安全监控信息，在我们的印象中只能在调度室看到。借助矿用TD-SCDMA网络可以实现井下和井上的泛在化服务应用。

借助矿用TD-SCDMA无线专网，多媒体推送服务器推送图形化的各系统的工况参数、运行情况、开停状态；各巷道的瓦斯、CO、风量等信息到井下矿用手持终端。井下巡检人员能够及时发现和消除故障隐患，方便煤矿领导井下现场调度指挥。

在井上借助网络和多媒体推送服务器信息推送，煤矿领导团队能够通过手机终端随时随地的实时了解煤矿生产运行情况及井下安全监测信息，提升煤矿安全生产的监管能力，实现远程移动办公和调度指挥。

多媒体推送服务器由数据服务器、防火墙、业务推送软件和显示终端组成。业务推送软件实现与煤矿自动化、安全监测及人员定位等系统对接并获取数据，经分析和综合后，每10s推送一次数据到手机终端或平板电脑终端上。手机或平板电脑终端支持通过Wi-Fi和3G等通信方式接入多媒体推送服务器。图2是矿用TD-SCDMA系统泛在化服务示意图。

图2 矿用TD-SCDMA系统泛在化服务示意图

在调度室布置一台应用数据服务器，作为数据采集、储存以及运行Server端程序之用。通过应用数据服务器，获得自动化系统和安全监测监控系统的相关数据并入写入本地数据库，再由服务器的Server端程序将数据推送至手机。

(3)视频通信

矿用TD-SCDMA系统支持网内用户之间的64K可视电话业务。可视电话业务是一种点到点的视频通信业务，利用电话网双向实时传输通话双方的图像和语音信号，能收到面对面交流的效果，实现人们通话时既闻其声、见其人的梦想。人员利用可视电话可以互传多媒体信息，通过手机摄像头切换可用于井下环境及设备的视频检测。图3是视频通信服务示意图。

图3 视频通信服务示意图

(4)专网短信平台

矿用TD-SCDMA系统的短信应用平台向用户群发短消息。信息群发群收，瞬间到达，而且不受时间地域限制。短信群发是最便宜的通信方式，有效节约企业成本。会议通知及短信确认、公告订阅短信、节日问候短信、监控信息通知等都可以通过群发短信实现。

目前系统已经提供了基站故障的短信通知功能，即在井下基站发生故障，需要人为处理的时候，系统会自动向事先设置的维护人员手机号码上发送提醒短信。

系统提供与公网用户的短消息发送接口，实现和公网用户之间短信息互发。

(5)系统扩展功能

矿用TD-SCDMA无线通信系统能够整合井下监控系统的数据资源和建立基于移动网络的数据传输机制，形成井下监控系统数据的共享数据资源平台，通过矿用通信系统建立手机终端上的煤矿安全生产实时调度、数据监测、井下视频监测、现场测点数据GIS空间定位、实时报警等多功能业务应用系统。

5.矿用TD-SCDMA无线通信系统在煤矿应用案例

神东公司大柳塔煤矿是我国特大型现代化煤矿，由两矿三井组成，煤炭年开采能力3000万吨。2011年底神东煤炭集团率先在大柳塔煤矿建设了基于TD-SCDMA技术的无线通信系统，除实现通信基本功能外，还实现了与煤矿数字矿山其它系统互联互通和业务融合。

大柳塔煤矿矿用TD-SCDMA无线通信系统由地面设备及并下设备组成。地面设备主要包括核心交换机、基站控制器、多媒体调度台、录音服务器、ATM/IP信令交换设备、自动化及安全监控服务器等，井下设备主要由本安型基站、本安手机、矿用隔爆及本安型电源等组成。图4是矿用TD-SCDMA无线通信系统在煤矿应用示意图。

图4 矿用TD-SCDMA无线通信系统在煤矿应用示意图

系统配置了井下51台基站、300部移动终端，对52水平的辅运大巷、主运大项、综采工作面、连采工作面、变电硐室、水泵房等区域的覆盖。

●实现用户侧的无线接入、用户管理、与PSTN互通；

●支持通信基本业务（电话、视频、效据、短信、传真），并提供相应的补充业务，支持矿间漫游、切换功能；

●提供调度业务应用，具备登录、退出、呼叫、组呼、强插、强拆、监听、转接、代答、会议等调度台业务功能；

●打破了调度室管控工业自动化系统的传统模式，实现移动终端对矿井生产的实时性监控，可将设备运行参数、工作面运行情况以更直观的、可视化的形式展现出来，依托这些管理手段，提高了矿井的安全性能，提高安全突发事件的及时处理处置能力，为安全生产提供了保障；

●现在矿领导和区队管理人员除了现场查看和调度室内查看监测系统外，通过3G手机也能了解井下工作面的生产情况，查看主扇、皮带的监控页面和其他安全监控信息，实现井下通讯无盲区，使得安全管理效率大大提高。

大柳塔矿区地面覆盖中国移动2G网络，矿用终端同时作为中国移动和煤矿专网用户，在地面时是作为中国移动2G用户使用，进入井下则自动切换到煤矿专网作为专网3G用户使用。手机SIM卡由中国移动提供，购机用户在移动公司营业部办理购机、租机和享受套餐优惠等业务。

6.结束语

随着煤矿安全生产管理日益精细，建设物联网数字化矿山的技术需求不断提高，矿井无线通信的业务需求也随着技术的发展不断丰富。我国通信设备制造商依靠自身研发能力，为煤矿研制开发出了具有自主知识产权的矿用TD-SCDMA无线通信系统，实现了井下专网与井上矿区公网的无缝衔接，并在此基础之上研发出多项适用于煤矿安全管理的增值业务，挺升了煤矿安全生产管理水平，丰富完善了煤矿数字化建设的内容，具有广阔的推广前景和较高的应用价值。