基于WiFi技术在井下无线通讯的应用

康德明

摘 要：WiFi技术和VOIP技术相结合应用到煤矿井下是一种新的解决矿井无线通讯方案，其主要是发展一种低成本的无线网络，在煤矿有较好的发展前景。本文根据煤矿对井下无线调度系统的需求，提出将WiFi无线技术与VOIP技术相结合实现井下无线调度通信系统的方案。

关键词：WiFi技术；VOIP技术；IP电话

井下通信系统是煤矿安全防护及生产调度必不可少的设施，目前我国井下主要通信为有线方式。由于井下环境差，巷道分布多，干扰信号源多，对井下无线通信造成极大的阻碍，但随着技术发展，近年泄露技术、小灵通技术、无线对讲技术及WiFi技术相继用于煤矿井下。尤其是WiFi技术和VOIP技术的相结合具有很多优势，正大规模的应用于井下的各个方面。

1 WiFi技术分析

1.1 WiFi技术简介

WiFi（Wireless Fidlity）又称为802.11b标准，使用2.4Ghz直接序列扩频，最大传输速率为54bit/s，并可根据信号强弱把传输速率调整为5.5bit/s、2bit/s及1bit/s，在2.4Ghz及5ghz频段上免许可，具有成本低、终端便携、宽带等特点，组网系统主要包括无线站点、AP节点及网络服务器，站点和节点之间可以实现级联连接或组建局域网，站点可以实现集线器的所有功能。总的来说，WiFi技术属于短距离无线技术，覆盖范围可达几百米，使用的是2.4GHz附近的频段。WiFi有着“无线版本以太网”的美称，世界上至少有80%以上的局域网采用以太网技术，其几乎可以视为以太网标准在无线领域的延伸。由于WiFi协议本身限制其设备的功率，使无线设备可以设计成符合煤矿安全要求的本质安全型设备，增加在井下的使用范围，并且可以改变井下无线通讯长久以来一直徘徊在窄频范围的现状，使无线通讯方式在井下得到更多的运用。

1.2 WiFi与相关技术的比较

目前国内外矿井无线通信方式主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS（小灵通）通信、3G（大灵通）通信系统等。

与WiFi技术相比，漏泄通信系统存在着抗灾变能力差、大量的串联中继设备导致可靠性差、系统不具备冗余功能等问题，通信终端存在功能单一、信道容量小的缺陷。而感应通信系统存在着体积大、重量重、信道容量小、通信距离短等问题。面临同样问题的是透地通信系统存在着设备体积大、重量重、信道容量小、地面设备功率大、地面天线布置困难、单向通信（地面向井下）等问题。

PHS（小灵通）通信系统与3G（大灵通）通信系统都存在着基站控制器和基站非本质安全型防爆、系统不具备冗余功能、抗灾变能力差、井下基站至地面最大通信距离不满足井下通信10公里的要求等问题，通信终端存在功能单一、信道容量小的缺陷。考虑到矿井下的特殊性和经济性，还是选用WiFi更适合井下局域网的环境。

1.3 WiFi网络基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一个或多个接入点Access Point（AP）及一个或多个客户端。每个接入点（AP）每隔一定时间将服务单元标识SSID（Service Set Identifier）经由beacons（信号台）封包广播一次。基于如SSID这样的设置，客户端可以决定是否联结到某个接入点（AP）。若同一个SSID的两个接入点（AP）都在客户端的接收范围内，客户端可以更具信号的强度选择与那个接入点的SSID联结。

1.4 WiFi网络的操作模式

IEEE802.11标准定义两种基本操作模式：infrastructure模式和ad hoc自组网络模式。

（1）Infrastructure模式，属于有固定基础设施的无线局域网。组成结构至少包括一个与无线网络连接的无线接入点AP，模式也可以通过门桥提供与有线网络即因特网入口相连接的可能性。这种配置（一个ap及若干站点的组合）可以构成一个基本服务集合BSS。在通一个BSS覆盖范围内，所有的站点都使用相同的无线频率。

（2）ad hoc自组网络模式。由一组客户终端组成，作为独立的基本服务单元BSS即IBSS（Independent Basic Service Set）。该模式不需要任何基础设施（如接入点AP或到分配系统的连接）的支持就可以实现其覆盖范围内的站点之间的通信。每个站点不需要通过接入点AP就都可以与相同IBSS下的任何其他站点建立通信。

2 VOIP技术分析

2.1 VOIP的基本原理与实现方式

（1）VOIP的基本原理

VOIP（Voice Over IP）其实就是IP电话，是基于IP网络的语音传输技术。其基本原理是通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压缩处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。IP电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可以接入因特网传送的IP数据包，同时也将接收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。广义的VOIP技术还可以进行包括话音、传真、数据甚至图像的传输。

（2）VOIP的实现方式

目前，VOIP终端的实现方式主要有3种：带扬声器的个人电脑PC、传统电话机、IP电话机。每种终端连接不同的网络，并且都支持相互间的通信。其中，IP电话机是一种新的电话终端，具有以太网或非对称数字用户线路ADSL借口，只需将IP话机连接在家中的宽带网接口上，并通过话机键向服务提供商进行注册，就可以像普通电话机一样进行通信。

3 基于WiFi的井下无线通信系统原理与模型建立

3.1 井下无线通信系统工作原理

井下无线通信系统是基于WiFi无线网络和TCP/IP协议为基本构架，以矿井工业以太环网为整个系统的主干传输平台，形成有线主干与无线终端相结合的方式，覆盖矿井部分或全部巷道及地面相关区域，最终实现煤矿宽带无线通讯。

系统工作原理简单来说就是位于地面的管理主机通过交换机为进入到无线信号覆盖区域的每一台手持机分配一个IP地址，并自动为其在管理软件中注册，将数据存入数据库，注册后的IP话机即可进行正常通话。

3.2 基于WiFi的井下无线通信系统模型建立

在煤矿井下工业以太网络建设的基础上，根据井下无线调度通信系统的需求与目标，建立以下基于WiFi技术的井下无线调度通信系统模型，如图1.1：

基于WiFi的井下无线调度通信系统实际上就是用软交换技术实现IP电话的控制系统即IPPBX；然后通过WiFi无线技术将承载话音的IP包传输到井下，实现井下的WiFi无线通信；并通过软件编程实现对IP电话的调度功能。该模型可分为三层结构：（1）数据源：包括WiFi手机，IP电话，广播等多媒体终端。这些终端的信息经过VOIP处理器编码，打包；经过模数，数模转换；及射频发射和接收来实现与WiFi网交换数据。（2）承载传输层：包括井下WiFi无线网络、及各种协议接口。该层负责将承载了语音的IP包通过传输网送达目的地。（3）应用处理层：包括IPPBX、调度台、调度主机、媒体服务器等。该层负责呼叫控制、强拆、录音等功能。

3.3 WiFi技术在矿井应用中的主要优势

WiFi技术就是基于802.11标准建立的，它具有部署方便、成本低廉、传输速率高、抗干扰能力强、灵活性好等优点。

（1）无线电波的覆盖范围广

WiFi的覆盖半径基本上能达到100米左右，而普通的蓝牙技术基本上只能覆盖15米左右半径的区域。

（2）价格低廉

WiFi网络的建设成本相对于传统的局域网布线成本要低，WiFi网络只需要安装一定数量的无线网络节点（AP）就可以满足制定区域信号的覆盖，可以避免固定局域网繁琐的布线工程。

（3）传输速率快，网络可靠性高

WiFi最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可以调整为5.5或2.1Mbps，带宽的调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。

4 结束语

WiFi无线传输技术是当前信息领域的研究热点，基于WiFi技术的开发应用层出不穷。本文紧跟通信技术前沿，分析了基于WiFi无线技术的井下无线通信系统，可以有效地将井下数据信息传递到地面调度中心。凭借WiFi技术的无线节点可以移动、组网快速简单、成本低廉、网络易维护等特点，该系统在矿井调度和应急中有着很大的推广应用价值。

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