融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统的设计与应用

摘要通过结合成熟商用的TD-SCDMA技术和Wi-Fi网络各自的技术优势和业务特点，研究并设计了一种融合两种通信技术的煤矿专网系统方案。通过实验巷道测试数据的分析，体现设计方案中利用Wi-Fi网络高速数据传输的极大优势，也补充了TD-SCDMA系统热点区域高速数据业务的覆盖限制和容量不足，并对后续通信技术在煤炭行业的应用提供强力支持和指导借鉴。

1　引言

伴随着国家能源的市场化运行，煤炭行业在我国能源体系中的战略地位越来越重要，国家多年前就提出建设“数字化矿井”，即用先进的高科技通信技术手段来提高煤矿企业的安全生产。由此，根据现有的多种无线通信技术特点，并与煤矿行业紧密结合设计出符合自身建设的专网系统尤为重要,其采用的通信技术如PHS小灵通、CDMA450大灵通、Wi-Fi无线局域网、TD-SCDMA无线通信技术等[1]。由于煤矿井下环境差、巷道分布多、干扰信号源繁杂,使得对矿用无线通信系统的设计提出了更高的标准和要求。但就当前通信技术而言，要实现全矿井的高质量通信，仅靠单一的通信体制或单一的通信设备是远远不能满足的，所以必须依靠多种技术、多种通信设备的相互融合来实现。

2　系统性能对比分析

对比上述两种通信技术的特点，如果将Wi-Fi技术和TD-SCDMA技术在同一网络系统中进行融合设计，其中Wi-Fi作为TD-SCDMA网络系统中热点区域数据业务的补充通道，可提供给网络用户基于TDSCDMA技术的移动性和高质量话音业务，同时又能使企业用户享受基于Wi-Fi无线宽带接入的高速数据多媒体业务。

3　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统方案

TD-SCDMA技术与Wi-Fi系统的融合涉及的层次主要有三种，分别为业务融合、技术融合和网络融合[2]。

业务融合方面，对网络用户来说保障现有的服务质量是整个融合过程的基础，在此基础上提供更加丰富的扩展业务。

技术融合方面，TD-SCDMA技术要能在保持自己优势技术的同时，吸收融合Wi-Fi的先进性能，使得两大通信技术互相融合和促进，并相互最大限度的进行网络补充。由此系统性能大幅度提升，支持更高速率的数据服务、更高质量的实时话音服务以及更高的用户移动性。

网络融合系统包括两种通信技术，保证移动终端在融合网络之间进行无缝漫游和切换，系统方案可提供广域覆盖下的话音服务和中低速数据服务，以及热点覆盖下的宽带数据服务。

由于Wi-Fi网络技术定位为热点地区覆盖，因此在组网初期，优先考虑热点区域覆盖，后期根据需求扩大覆盖范围。在原有煤矿专网系统基础上，减少对设备的改造，提升网络稳定性，保障业务的QoS（Quality of Service,服务质量）。此方案以煤矿TDSCDMA无线通信系统为主干，在矿井热点地区进行Wi-Fi网络的覆盖，具体组网方案如图1所示。

融合方案系统采用分布式部署架构，即“光纤拉远分布式基站”部署方案，这种方案部署场景更灵活，组网更简单，充分满足煤矿通信专网在各种复杂情况和地质条件下的组网要求[3]。融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统的主要设备包括：

（1）综合网络控制器（TDR100）：通过简化并集成公网的RNC（无线网络控制器，Radio Network Controller）及CN（核心网，Core Network），主要完成用户业务的接入和综合处理功能。

（2）交换调度机（TDS100）：主要完成系统用户签约数据的管理，核心交换与调度功能。

（4）井下本安型基站（TDU150）：井下矿用RRU（射频拉远模块），属于本质安全型基站，用于井下的无线网络覆盖。其中TDU150矿用本质安全型无线基站提供手机接入的无线接口，接收来自手机的射频信号，进行解调提取出基带数据，传输给基站主设备进行编解码处理，或者将来自基站主设备的基带数据进行AD/DA变换和变频调制后，发送给移动终端。

（5）井上的主要设备还包括：调度台，主要完成对井下手机终端的组呼、群呼等集群调度功能；操作维护中心，负责完成相关设备的配置、维护、故障和告警等管理功能；其他管理中心用于加载其他业务的服务软件，包括视频监控、瓦斯监控、煤炭产量监控系统等业务应用。

（1）话音业务、短消息业务、分组业务、可视电话业务等增强业务；

（2）话音调度功能，可以实现调度会议、组呼、录音、监听、强插、强拆等功能；

（3）支持宽带数据的接入，支持非对称高速数据业务，可搭载人员定位、高清图像、环境监测等数据的传送；

（4）支持专网内移动电话的互通，支持专网内移动电话和固话的互通，支持专网与公网的互通；

另外还可以通过内置的802.11b/g模块，为矿井现场提供更高传输速率的Wi-Fi无线信号覆盖，满足高清视频监控等应用。

将TD-SCDMA系统基站与Wi-Fi基站融合，减少了井下工程施工、布线的复杂性。双通道、合路天线设计，采用两个不同方向的定向覆盖技术，可以实现TD-SCDMA、Wi-Fi信号的拐角、拐点无缝覆盖；可调的功率设计，灵活满足企业的无线覆盖要求[4]。

井下设备全部采用光纤连接，不涉及电信号，安全可靠，无打火危险，符合矿井作业规程的规定，严格满足防尘、防水、耐腐蚀的要求。光纤通信具有频带宽、信号容量大、传输质量高、保密性好、可靠性高等诸多优点。

对于煤矿井下的工作面、采掘面等重点区域，需要布设多个无线传感器，以实现把井下巷道的氧气，甲烷和温度等数据实时传输到井上；需要布设无线摄像机，对井下实施视频监控，满足指挥调度平台的远程视频监控功能。消除视频监控盲点；减少由于工作面环境恶劣、煤尘污染严重对作业人员带来的身体危害[5]。

除此之外，这些区域还要能满足高质量电话、可视电话、视频会议，收发邮件等丰富的业务功能。这些井下的重点区域就是煤矿TD-SCDMA专网系统中的热点区域，对数据业务的要求较高，单一的依靠TDSCDMA系统不能满足这些业务的要求。因此，可以考虑利用Wi-Fi网络有效分担TD-SCDMA系统数据流量，使用户可以享受高速数据业务, 而不受TDSCDMA网络速率的限制，保障了数据业务的高速及可靠传输。

矿下无线Wi-Fi设备通过井下基站AP接入，经由AP模块的RJ45接口连入专网系统设备，由光纤实现与地面综合网络控制器TDR100的Iub口数据透传，直接转到地面以太网交换机，经过交换机连接到地面调度中心或外部的网络。

专网系统基站侧网络处理器（NP）在主控板上，每个BBU板卡上有一个Wi-Fi数据传输专用DSP （Digital Signal Processor,数字信号处理器），DSP对应3个光口的Wi-Fi传输，每个光口可以级联6级RRU，最大拉远传输40 km。在减少矿用中继设备的同时，极大的节约成本。

在实际模拟巷道实验室测试井下终端接入AP的上传、下载，TDR100位于地面机房，在巷道中分别布设TDU100，与地面系统之间用光纤连接，由于井下没有GPS信号，需要在巷道中每10 m设置一个标记点，在每个标记点进行数据速率测试。建立测试小区并开启，设置发射功率为10 dBm，进行FTP下载并处于连接保持状态，在每个标记点处停留1 min并记录测试值。测试记录见表2、表3所示。

通过表2和表3的结果分析，测试终端上传最大速率可达14.47 Mbit/s，平均值均能大于8 Mbit/s，下载速率也有大幅度的提高，平均传送速率在20 Mbit/s，还说明上下行速率都随着距离服务小区的增加而依次降低，符合无线通信的速率要求。不论上传还是下载速率相比单一的TD-SCDMA系统理论值有了很大的改观，这将实现了Wi-Fi技术与TD-SCDMA系统的折中，以此可确保融合方案的可行性。

4　总结

测试结果确定了系统工作的稳定性以及深井巷道环境下电波传播情况，由此也可得到井下的传播模型。结合TD-SCDMA煤炭专网系统的特点和Wi-Fi网络的高速数据业务的优势，在满足煤炭行业用户高质量话音通话和视频通话业务的TD-SCDMA主干网络基础上，提供井下热点区域布配Wi-Fi网络，以此很好的解决这些区域内的高速数据上传下载业务的需求。这种相互融合和互补渗透的系统方案对煤矿无线通信的组网提供了借鉴和指导，采用小区合并的组网技术和不采用此技术时网络性能的区别，为后期的网络规划优化工作奠定基础[6]。鉴于TD-SCDMA系统与Wi-Fi网络的融合还处于起步阶段，如何充分发挥不同网络的优点，更好的保障煤炭专网的可靠性、安全性和有效性，将成为一个通信技术和煤炭行业用户深入研究的课题，并为我国煤炭企业的安全生产和有效管理提供即时的服务。

[1]孙继平. 现代化矿井通信技术与系统[J]. 工矿自动化, 2013 (3):1-5.

[2]刘晓明. TD-SCDMA与Wi-Fi网络融合技术的研究[D]. 北京：北京邮电大学, 2010.

[3]张欣, 刘冬华. 浅析矿井通讯技术[J]. 煤炭技术, 2012 (1):182-184.

[4]何伟刚. 基于EPON技术的煤矿通信应用研究[J]. 煤炭技术, 2012(3):192-193.

[5]孙继平. 煤矿安全监控技术与系统[J]. 煤炭科学技术, 2010,38(10):1-4.

[6]孙继平. 矿井通信技术与系统[J]. 煤炭科学技术, 2010,38 (12):1-3.

Design and application of TD-SCDMA network system for coal mine integrated with Wi-Fi

(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

AbstractThrough the combination of proven commercial TD-SCDMA technology and Wi-Fi network, this paper researched and designed a network system solution for coal mine. The analysis of experimental tunnel test data showed the great advantages of using Wi-Fi networks high speed data transmission, and also made up for the coverage limit and capacity lack of TD-SCDMA system hotspot high-speed data service, and provided strong support and guidance for subsequent application of communication technology in the coal industry.

KeywordsTD-SCDMA; Wi-Fi; mine communication; network convergence; wireless communication

融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统的设计与应用

1 引言

2 系统性能对比分析

3 融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统方案

4 总结

1　引言

2　系统性能对比分析

3　融合Wi-Fi的TD-SCDMA煤炭专网系统方案

4　总结