基于4G通信技术的煤矿无线通信系统研究

【摘要】随着计算机网络技术的发展，通信技术已成为了煤矿安全生产的重要手段，在无线通信技术不断发展的时代下，4G网络技术涌现在人们面前，因此，采用基于4G通信技术的煤矿无线通信系统，利用先进的计算机技术、通信技术、自动化技术来实现智能化和自动化的煤矿安全生产管理系统，以保证煤矿安全生产。

【关键词】4G;通信技术;煤矿;无线通信系统

随着全IP化的4G演进[1]，4G无线通信技术得到了广泛应用，由于煤矿开采是一项施工复杂、具有危险性的工程，这就对煤矿无线通信系统提出了新的要求，采用4G通信技术来建立信息化、自动化、智能化的煤矿安全生产管理系统，全过程对煤矿开采进行监控管理，确保煤矿开采安全生产，从而提高煤矿企业的经济效益和社会效益。

一、无线通信技术发展历程概述

对于无线通信技术，主要经历了几个阶段[2]：第一阶段，无线个域网和无线局域网技术，无线个域网具有活动半径下、面向特定群体的特点，如蓝牙、RFID等，而无线局域网的的工作模式主要分为基础结构、自组织网络等两种模式，通过利用网络拓扑结构来访问有限网络，并进行相互通信，从而实现无线局域网的安全架构模式;第二阶段，2G通信技术，其全称为全球移动通信系统，简称为GSM，具有覆盖面积广、网络可靠性高的特点，但是，在实际应用中，其通信方式相对较差，不仅可能会延长网络传输时间，还不能用于实时监测，虽然无线数据传输业务（GPRS）的实现可以允许用户实现端到端分组转移模式下发送和接收数据，并且该技术不需要利用电路交换就可以实现网络资源的传输，但该技术仍存在许多不足之处，如数据包丢失、调制方式滞后等;第三阶段，3G通信技术，其主要是利用不同网络状态下的无缝漫游技术来实现对移动终端用户的服务，3G通信技术的出现，不仅有助于提高通信的质量，还可以提高网络的传输速率，并且也具有一定的安全性，其充分考虑了网络接入安全、应用域安全及网络域安全等，但是，3G通信技术也有一定的缺陷，包括：其语言交换系统仍然采用2G系统的电路交换方式;3G数据传输接入速度有限等;第四阶段，4G通信技术，其是3G通信技术与无线局域网技术融为一体的，并能高速度传输视频图像的技术产品，其下载及上传速度可以分别达到100Mb/s，50Mb/s以上，如图1所示，表示 4G无线通信技术网络体系结构，4G无线通信技术的应用，用户则可以在任何时间、任何地点使用无线网络，其中，TD-LTE（分时长期演进）是基于3GPP演进的一种通信技术，TD-LTE属于LTE的一个分支。

图1 4G无线通信技术网络体系结构

二、无线通信技术应用于煤矿开采的重要意义

由于煤炭生产的施工环境比较复杂，井下人员较多，设备流动性也较大，在生产操作中，常常采用多工种联合流水作业的形式进行煤矿开采，这就要求需要大量的重型设备参与到煤矿生产中，无论是在设备运输中，还是在安装、调试中，其都有较高的要求，若不注重煤炭井上井下的协同生产，则容易发生瓦斯爆炸等事故。然而，随着移动通信技术的发展，建立基于4G通信技术的无线移动通信系统，并将其应用于煤矿生产中，其不仅可以确保煤矿生产顺利进行，还可以完成紧急事故的处理，因此，煤矿4G无线通信移动系统的实现，具有十分重要的意义。

三、基于4G通信技术的煤矿无线通信系统

（一）无线移动通信系统架构

针对当前煤矿生产对无线移动通信系统的需求，利用4G中的TD-LTE通信技术来实现高传输速率的宽带无线网络，建立信息化、自动化、智能化于一体的煤矿安全生产管理系统，打破当前煤矿系统安全生产局面，将煤矿井下传感器、视频等各类业务数据进行统一的网络部署，有效解决信息孤岛的问题，确保煤矿安全生产，从而提高煤矿的生产效率。因此，建立基于分时长期演进（TD-LTE）的宽带无线网络，由于基于4G通信技术的无线移动通信系统可以在频谱带宽20MHz下可以实现上行峰值速率和下行峰值速率分别为50Mb/s，100Mb/s，其接入时延可以小于100ms，如表1所示[3]，表示4G通信系统与3G无线通信系统的对比，因此，采用TD-LTE无线通信技术不仅可以满足语音和数据业务的实时传输，也可以有效避免数据丢包、延时等问题。下面对基于4G通信技术的无线移动通信系统进行对比分析：

表1 4G与3G无线通信系统参数对比

1.基于TD-LTE通信技术的系统架构。TD-TLE煤矿无线通信系统网络总体架构主要由基站、接入网关、BRAS及核心网通信构成，其中，核心网网元可以实现语音通信、数据传输及集群呼叫功能，其主要通过IMS+EPC+DSS集群模式来实现的[4]。

2.建立基于TD-LTE通信技术的基站通信系统。将Femto/Pico基站应用于无线通信系统建设中，增强区域的覆盖范围，通过自身的传输网络统一接入到安全网关中，采用IP SEC的方式，以保证网络传输安全。当基站通过提供WLAN AP来承载数据业务过程中[5]，其也可以通过PDG直接接入网络来承载数据业务，为了确保提高高质量、高传输速率的数据和语音业务，则可以通过直接接入3GPP核心网来满足不同的产品需求，实现统一的业务活动，建立以Small Cell为基站的网管系统，从而实现下层无线网络通信系统与上层网管系统的对接。

3.建立基于IMS+EPC+DSS集群模式的核心网[6]。在系统中设置核心网，其主要作用是提供用户连接、系统管理、网络承载等功能，分析该系统的核心网系统AXUN iEPC-5[7]，其主要依托电信级EPC核心网的优势来实现网元MME、PGW等功能融为一体的模式，该核心网实现了移动办公、遥感业务、监视控制及电子商务等基本业务，其可以为用户提供安全可靠的LTE接入。另外，核心网系统还利应用了IMS系统，其是一种全新的多媒体业务形式，其不仅可以满足多样化的多媒体业务需求，还可以实现LTE语音业务系统，并且DSS核心网可以实现LTE的集群呼叫功能，DSS与EPC相比，其都采用了ATCA架构，并且都可以实现设备小型化的核心网。

4.建立综合应用无线通信系统平台。利用分布式高性能计算机框架架构来建立一个安全、可靠、统一的综合应用系统平台，为了构建灵活、适用强的处理平台，应在软件处理平台基础上增加分析处理数据的专用支持工具，如支持LTE、Wi-Fi网络和终端的基站系统[8]，实现数据传输、视频及语音等各类业务，提供统一的数据存储及应用接口，从而实现自动化管理的应用系统。

（二）无线移动通信系统功能概述

1.调度功能。调度系统是煤矿生产的重要通信手段，生产调度员通过利用调度功能来统筹调度所有资源，并对煤矿生产中各种突发状况进行处理，以保证煤矿生产顺利进行。调度功能主要包括生产进程管理、煤矿生产流程整合及资源分配等功能。

2.语音业务。其主要包括以下几种业务：第一，移动电话，其可以提供语音通信功能;第二，紧急呼叫业务，当煤矿井下的集群用户发起紧急呼叫，呼叫中心将会做出答复，其类似与电话业务，具有简单方便、快速的特点;第三，主叫号码识别显示业务，其主要功能是提供主叫用户号码给被叫用户。

3.集群通信。为了实现用户之间的通信，利用无线集群通信系统来实现自动化的信息共享功能，与公众无线移动通信相比，无线集群通信系统不仅可以提供系统内部的全呼、组呼之外，还可以提高双向通话功能，通过建立优先等级呼叫和紧急呼叫功能，以满足煤矿生产安全部门指挥调度的需求。

4.增殖数据服务。在增殖数据业务中，主要包括提供视频通话、物联网接入、手机终端定位、多种数据等业务，其中，对于视频通话，通过手机实时进行无线视频业务，以便于井上工作人员的判断和决策;数据网接入，通过利用3G通信技术来实现终端及无线传感器等接口的采集，并利用物联网提供终端接入;手机终端定位，即利用4G无线通信技术来实现语音通话及矿用无线通信手机终端定位，即通过操作人员携带的手机与基站之间的信号传输来获得操作人员在井下的信息，这样地面上的工作人员则可以通过计算机来了解井下工作人员的信息，其可以确保煤矿井下的安全生产，同时也可以提供实时信息;数据业务，为了满足煤矿井下多种业务对宽带的需求，实现高速分组无线数据业务，并通过智能手机绑定内部系统，实现信息、视频监控及安全生产实时监控等功能，将综合自动化系统应用于系统中，实现组态软件实时显示功能，当煤矿井下出现异常情况，系统将会提供自动报警提示功能。

四、结束语

建立基于4G无线通信技术的煤矿无线通信系统，利用TD-LTE无线通信技术来建立宽带无线网络，由于TD-LTE无线通信技术具有覆盖面积广、信号强、传输速率高的优点，将无线移动通信系统应用于煤矿生产中，不仅可以煤矿地面井下实时通信，也可以确保煤矿井下安全生产，因此，建立基于4G通信技术的煤矿无线移动通信系统具有十分重要的意义。

参考文献

[1]黄文勤.基于4G通信技术的应急通信系统研究[J].信息通信，2013（07）：190.

[2]王心刚.基于4G通信技术的煤矿无线通信系统研究[J].中州煤炭，2013（09）：37-39+118.

[3]李炜键，孙飞.基于4G通信技术的无线网络安全通信分析[J].电力信息与通信技术，2014（01）：127-131.

[4]李美艳.基于LTE技术的煤矿无线通信系统[J].山西电子技术，2014（02）：54-55+96.

[5]李培煊，强蕊.基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究[J].中国安全生产科学技术，2011（04）：139-143.

[6]陈湘源.煤矿无线通信系统的现状与发展[J].工矿自动化，2009（01）：33-36.

[7]郑学召.矿井救援无线多媒体通信关键技术研究[D].西安科技大学，2013.

[8]杨斌，杨晓辉，宋永宝.基于TD-SCDMA技术的煤矿井下无线通信系统研究[A].煤矿综合自动化与机电技术[C].2012：4.

作者简介：朱赛虎（1984―），男，江苏丹阳人，大学本科，工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，主要从事煤矿通信方面的技术支持、工程管理工作。