司马煤业井下信息无线通信系统的优化研究

苏 辉

（潞安化工集团司马煤业，山西 长治 046000）

司马矿无线通信系统于2010 年建设并投入使用，采用了“小灵通PHS”无线通信技术，该技术仅支持语音通话与短信功能，基站信号辐射范围受地质条件限制。随着矿井不断深入开采，所使用的无线通信系统“战线”越拉越长，维护耗时耗力。由于小灵通无法提供数据业务，频谱资源也受到工信部的制约经常出现有信号打不出电话、通话经常断线等现象，给煤矿井下的综采作业安全带来了严重的影响。

为了提升井下无线通信的效率和可靠性，司马煤业在对4G/5G 等数据通信模式、改造成本、技术难度等方案进行充分分析后决定基于现有的4GLTE技术为核心，以现有的小灵通数据通信系统为基础打造全国首个4G 双模通信系统。该系统不但实现了数据视频传输通话等功能，而且还具有保持原语音通话稳定的功能，将数据通信效率提升了4 倍以上，实现了有线通信和无线通信的统一调度，彻底消除了各个数据系统之间的信息“孤岛”。

1 通信系统现状及技术路线

目前司马矿的数据通信系统为浙江嘉科电子有限公司的矿用无线通信系统[1]，仅有基本语音、简单调度、遗漏呼叫、收发短信、强插强拆、通话录音、群组呼叫等功能，并不能保证煤矿通信的顺畅交流。随着井下综采的进行，巷道结构日趋复杂，导致通信质量差、信号连续性不足，严重影响了井下综采作业安全及通信效率。司马煤业井下现有数据通信结构如图1。

图1 司马煤业现有数据通信系统结构

结合司马煤业现有通信系统结构，为了降低改造成本、减少改造周期，经过对不同数据通信方案的对比，项目组提出将4G LTE 技术和小灵通通信系统相结合[2]，打造全国首个4G 双模通信系统的方案，并对研究的技术路线进行了分析。

（1）开发一套 EPC 核心服务器（基站控制器），依托于已有的通信网络，提供有线、无线、分组一体化的接入手段，构筑多业务一体化的通讯平台。

（2）融合LTE 基站技术，支持主流公网频段，也支持专网1.8 G 频段。发射功率动态可调，可以方便满足矿区地面覆盖。

（3）开发双模防爆通讯终端，支持PHS、GSM、WCDMA。

2 4G 双模通信系统结构

该新型数据通信系统主要包括了综合调度交换机、核心网EPC、交换机、地面基站、井下基站、PHS+4G 双模防爆终端。其整体结构如图2。

图2 4G 双模通信系统结构示意图

4G 核心网EPC 设备[3]是4G 系统的主设备，核心网通过综合调度交换机对接各个调度通信系统、视频监控系统等，核心网通过光纤交换机光缆和地面基站或者井下基站连接，再通过光电转换模块接入基站，井下基站可以通过网口接入基站，也可以通过光口接入基站，并且基站是通过光缆串联起来的，每个井下基站大概覆盖距离为800 m，保证数据信息传输的稳定性。

PHS+4G 双模防爆终端是一部手机，可以同时支持多种网络制式，支持多个网络频段，满足语音、视频、数字信号传输，也可以通过在4G 手机上安装app 实现对其他系统的远程监控查看[4]。

3 硬件系统结构

在该无线通信系统进行优化时，其主要新增的核心模块为基站控制器（BSC）、室外LTE 基站及双模防爆通讯终端。

基站控制器（BSC）主要包括了AM/CM 模块、BM 模块及TCSM 模块，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等[5]。基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，为基站收发台和操作维修中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，该新型基站控制器结构如图3。

图3 基站控制器结构示意图

司马煤业所采用的通信4G 专网基站主要由基带处理单元（BBU）、射频单元（RRU）、核心网（EPC）以及指挥调度系统单元组成[6]。其支持LTE 双流MIMO，具备高集成度、高性能、高带宽和灵活性强等特点，其整体结构如图4。

图4 室外LET 基站结构示意图

该基站主要包括了收发信单元模块、交流电源模块/直流电源模块、腔体滤波器模块及低噪声功放模块[7]。收发信单元模块主要用于完成信号的模数和数模转换、变频、放大、滤波，实现信号的RF 收发，以及ZXSDR R8962 L26A 的系统控制和接口功能[8]。交流电源模块/直流电源模块主要用于将输入的交流（或直流）电压转化为系统内部所需的电压，给系统内部所有硬件子系统或者模块供电。腔体滤波器模块主要用于内部实现接收滤波和发射滤波，提供通道射频滤波。低噪声功放模块主要用于实现收发信板输入信号的功率放大，通过配合削峰和预失真来实现高效率。

PHS+4G 双模防爆终端主要用于构建井下数据通信单元，便于工作人员及时进行数据传输和定位，其整体结构如图5。

图5 PHS+4G 双模防爆终端结构示意图

PHS+4G 的外部收发机中大部分功能模块可进行复用，在不同协议间切换时，只需对复用的功能模块进行参数配置即可实现双模手机的外部收发机。利用该复用性可大大减少双模手机外部收发机的实现资源，从而降低双模手机收发芯片的硬件实现复杂度和实现成本。

4 应用情况分析

该系统已经在司马煤业进行了应用，在应用过程中重点对系统的运行稳定性和数据传输效率及可靠性进行了验证，各项指标均运行正常，满足煤矿数据通信可靠性和安全性的需求。

在系统运行稳定性方面，要求设备上电之后主处理器等电压稳定后保存复位200 ms 才进入启动状态。实际测试时系统在保存复位201 ms 时开始进行到启动状态，和设定值之间的偏差量约为0.5%，满足时序稳定性测试需求。

在系统的数据传输效率方面，为了满足数据传输效率和可靠性的需求，要求LTE 设备下载时的平均速率要达到60 M 以上，其上传时速率要达到6 M 以上。实际使用过程中平均下载速率达到90 M以上，平均上传速率8 M 以上，传输效率比优化前提升4 倍以上，能够保证对视频、语音、图像信号的传输可靠性需求。

在系统运行可靠性方面，为了满足井下恶劣环境中的运行可靠性需求，要求其能够在低温-5 ℃和高温40 ℃情况下稳定地运行。

在-5 ℃环境下，从2020 年10 月18 日17:51开始接受开始灌包，到10 月20 日18:12，40 M 速率持续灌包48 h 以上，基站设备一直工作正常，业务总体正常，中途业务有停止是由于灌包jperf 中断导致，随时发现立即重灌包，业务都恢复正常。两台BS4332 的整机分别运行了48.91 h 和49.66 h，最后业务都能正常运行。

在40 ℃环境温度下，从2020 年10 月21 日10:09 开始接受开始灌包，到10 月23 日10:34，40 M 速率持续灌包48 h 以上，基站设备一直工作正常，业务总体正常，中途业务有停止是由于灌包jperf 中断导致，随时发现立即重灌包，业务都立即恢复正常。两台BS4332 的整机分别运行了61.73 h和61.75 h，最后业务都能正常运行。

该系统运行测试情况如图6。

图6 4G 双模通信系统测试图

自该系统在司马煤业应用以来，实现了有线通信和无线通信的统一调度，彻底消除了各个数据系统之间的信息“孤岛”，解决了各个系统相互独立的问题，显著地提升了司马煤业的数据通信效率。

5 结论

为了解决司马煤业采用小灵通无线通信技术所存在的通信效率低、稳定性差的问题，提出了一种新的4G 双模通信系统，在现有的数据通信网络的基础上增加了4G 数据通信技术。根据在司马煤业的实际应用表明：

（1）双模无线通信系统在不打破原有通信资源的基础上融入新技术，扬长避短，有效保护了原有通信资源，节约了重新构建系统所需资金，实现了煤矿地面和井下数据和视频信息的高速传输，传输效率比优化前提升了4 倍以上。

（2）创造性地将4G LTE 网络与PHS 网络完美融合，统一号码管理，实现无线有线统一调度，解决各个系统相互独立的问题，显著提升了数据通信效率。

（3）应用该双模无线通信系统，提升了司马矿井下小灵通调度系统融合性，实现语音、数据、可视电话、集群对讲全业务模式。