基于多系统融合的4G+WiFi无线通信分站研究与应用

杨景峰

(陕西陕煤彬长矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

近年来，根据国家产业发展方向，煤矿为了进一步提高矿井的信息化和自动化水平，推动矿井走更加集约、高效的发展道路，提升企业竞争力，各矿井逐步建设了调度通信、无线通信、人员定位、车辆管理、IP广播及工业视频等系统，每个系统均在井下布设各自的专用基站及线缆。但是，随着井下巷道延伸，各系统基站安装、线缆敷设等工作随之增多，由于各系统设备分属不同厂家，接口不统一，造成线缆数量多，维护强度不断加大。孟村煤矿作为陕煤集团彬长矿业公司新建矿井，在智能化矿井建设方面提出了实现“一中心、一基站、一融合、一平台”的总体设计思路，井下采用了基于多系统融合的无线通信分站，分站集成多种接口，通过千兆接入万兆工业环网，实现了井下就地融合，为企业安全生产节省了投资成本，降低了维护工作量。

1 多系统融合的技术难题

针对煤矿井下应用环境,提出基于井下多系统融合的4G+WiFi无线通信分站应用研究，首先要解决以下多系统融合技术难题。

1.1 多网络融合覆盖的本安型分站与信号覆盖

针对孟村煤矿安全生产需要，需同步建设4G无线通信和WiFi信号覆盖，同时广播、扩音电话、视频需要接入，解决设备多、线缆多的问题，让多网络融合基站本安化、小型化，便于安装和维护。

由于4G无线通信、WiFi的无线信号覆盖距离各不相同，同时受相近频段干扰、井下封闭空间内多径干扰更是远距离覆盖的难点。

1.2 井下多协议以太网封装与解析

多网络融合基站集成了不同系统模块的不同接口，需要采用统一的以太网协议进行封装，地面采用高效的协议解析，形成以太网的透明协议传输，协议需要保障系统的实时性和可靠性，是底层融合的关键点。

1.3 跨电压等级的电源

融合了多业务模块的分站，除要求自身稳定可靠性外，还要保证供电的可靠性。为了保障供电系统的稳定，需要采用“专线”供电。适用远距离压降，并能够承受井下电网波动冲击的电源需要解决。同时由于基站融合程度较高，也需要大功率本安输出的电源。

1.4 多系统融合的调度软件

在一个触摸屏调度台上融合有线调度、无线通信、广播、车辆调度、可视调度以及人员定位、安全监控、工业视频等多系统，打通各系统壁垒，提升调度指挥水平，尤其是应急指挥水平，这就需要一个多系统融合的调度软件。

2 引入多系统融合的关键技术

2.1 低功耗融合分站设计技术

为了满足煤矿安全规程的标准要求，低功耗融合分站设计需采用高效率及宽电压的开关型DC-DC电源、低功耗高性能的COTEX-M4内核的处理器、高效率低功耗隔离总线通讯模块，充分贴合低功耗和高集成度的设计目标。

2.2 本安型电路设计与无线等距传输技术

本安型设计：本安型是本质安全型的简称，即在其内部的所有电路都是本质安全电路的电气设备。本安型设备除了其安全性能外，更具有体积小、重量轻等特点，方便在煤矿井下运输、安装、维护。电子类设备工作电流低，可按照煤矿本质安全型检验标准进行电路设计和器件选型，满足煤矿安全与安装维护的需求。

多频无线等距离传输技术：多功能融合分站具备WiFi、4G两种无线信号，按照常规设计，融合基站要采用定向天线，安装到煤矿井下巷道，每种天线至少两个，对两个方向进行信号覆盖，两种信号(WiFi、4G)需要4根天线。

在煤矿井下一个基站的两侧安装4根天线，而且要避免天线之间的信号相互干扰，对于现场实际应用来讲，一是安装不方便，二是增加项目的成本。针对项目建设需求，设计采用多频天线技术，将4G和WiFi共用1根天线，降低项目实施成本。

2.3 多协议封装技术

多功能融合分站需要同时具备4G通信、WiFi、以太网、CAN、RS485、I/O等多种功能及协议接口，采用基于以太网IPV4传输的短延时、多通道的封装、加密、解析处理模块，解决4G无线通信、WiFi数据传输等多种数据的封装与解析难题，实现在工业以太环网的统一数据传输。

通过一个触摸屏调度台，实现有线电话、无线手机、广播终端的集中调度和管理，具备生产调度所需强插、强拆、组呼、群呼等功能。两种系统之间通过核心语音交换设备实现有线到有线、有线到无线、无线到无线、有线到广播、无线到广播等相互之间的自由通话，为煤矿井下调度指挥提供快速的指挥能力和应急能力。

2.4 协同应用与联动告警技术

协同应用技术：该技术与地面调度中心平台的深度融合，不仅将有线调度、无线调度及应急广播进行了融合，而且将车辆调度管理、视频监控信息进行了数据共享。

Power stations，large and small，have been set up all over the country.（大大小小的电站已经在全国各地建起来了。）

构建特有的动态分区功能，根据设定的分区范围，将区域内所有有线调度电话、无线手机、广播终端、摄像仪、车辆进行集中显示，并能查看分区内人员分布情况。

联动告警技术：系统应具有联动告警功能，系统能够根据预设条件，自动对有线电话、无线手机、广播发起组呼或者群呼。并且可以与其他自动化系统进行互联互通，可以自动发送报警信息到制定手机，并且可以自动呼叫广播、有线电话、无线手机，使信息得到及时传达。

3 系统架构设计与创新点

3.1 系统架构设计

根据孟村煤矿的实际需求，4G+WiFi无线通信系统包含井下和地面无线信号的覆盖。

地面覆盖范围：孟村煤矿办公区域、主副井工业广场、风井工业广场、职工生活区。

井下覆盖范围：中央一号辅助运输巷、中央二号辅助运输巷、中央带式输送机巷、401盘区辅助运输巷、401盘区带式输送机巷、401101工作面辅助运输巷、副井底东西行人巷、井底等候室、煤仓下口、上仓变电所、中央变电所、中央水泵房、401盘区变电所、401盘区水泵房、一号永久避难硐室、二号永久避难硐室、三号永久避难硐室等主要行人区域及重要机电硐室。

系统制式：在4G系统的FDD-LTE和TD-LTE两种制式中，从功能逻辑上来说，在相同的信号带宽、相同的调制方式下，FDD-LTE有2个通道同时不间断开工，而TD-LTE只有一个通道需要分时段开工，在通话质量相差不大的前提下，FDD-LTE数据传输更强。本次系统设计采用带宽最高、使用范围最广、技术最成熟的FDD-LTE制式作为孟村煤矿的4G专网覆盖。

系统组成：系统主要由4G核心语音交换机、4G综合业务平台、触摸屏调度台、网管录音服务器、网络交换机、地面基站控制器、地面大功率基站、井下基站、移动终端等设备组成。

系统传输：系统结构多样，组网灵活，兼容性强，根据孟村煤矿的现状，现选择光纤组网的方式来完成数据链路的传输，系统架构图如图1所示。

图1 4G+WiFi无线通信系统架构图

系统集成：系统高度集成，“一站”集成4G模块、WiFi模块等多业务模块与接口，“一线”传输多个系统，打包解决了4G语音通信问题、WiFi数据传输问题、车辆调度指挥管理问题，“一个系统投资，两个网络的完美覆盖”，同时系统使用线缆少，维护方便。

系统架构：系统的整体架构基于工业以太网，各系统底层互通，数据共享，方便系统扩展应用与其他系统的融合。“4G+WiFi”的无线架构，有效解决了无线大数据传输问题，基于802.11协议的更开放，兼容性更强。

3.2 系统创新点

基于井下融合的4G+WiFi无线通信分站，实现煤矿井下多种基站功能的融合，实现多种传感器及系统的接入，实现地面各系统平台的融合，能够解决煤矿井下多个设备的安装维护难题，提高地面生产指挥和应急指挥的工作效率，其创新点主要有:

无线信号全覆盖：基于MIMO天线阵列杂波过滤技术增强WiFi传输灵敏度技术、基于FDD-LTE的4G无线通信技术进行一体化设备融合，解决因井下设备及线缆众多造成的投资大、维护难、效率低等难题，可实现4G无线通信、WiFi无线信号等距无线覆盖。

多种功能及接口：基于无源业务背板+模块化功能插件的结构设计方式，采用低功耗电路设计、本安电路设计及集成电路设计等技术方法，实现在一台矿用本质安全型的小型基站中实现高度集成的多功能业务，使其具备4G通信、WiFi、以太网、CAN、RS485、I/O等多种功能及接口。

数据统一传输：采用基于以太网IPV4传输的短延时、多通道的封装、加密、解析处理模块，解决4G无线通信、WiFi数据传输、监控视频、广播、控制等多种数据的封装与解析难题，实现在煤矿工业以太环网的统一数据传输。

4 系统应用效果分析

经过基于井下融合的4G+WiFi无线通信分站的应用，解决了多系统重复投资建设、敷设线缆多、维护难度大等问题，同时降低了煤矿信息化多系统维护难题。

4.1 信息化能力提升

通过基于井下多系统融合的4G+WiFi无线通信分站应用研究，分站高度集成，符合国家及煤炭行业信息化发展趋势，实现了各系统底层融合，为后期综合信息化数据融合及分析提供了基础，提高了煤矿信息化管理水平。

4.2 经济和社会效益显著

通过基于井下多系统融合的4G+WiFi无线通信分站应用研究，实现了4G无线通信、WiFi无线网络两套基站的功能，设备投资节省约80万元；高度融合的分站应用，节省了设备之间线缆敷设，节省线缆投资约20万元；降低了系统维护成本，至少每班减少1名维护工，三班减少3人，每年减少投入约18万元。总体节省资金118万元。

通过项目实施，提高了孟村煤矿信息化管理水平和维护人员运维能力；基于井下多系统融合的4G+WiFi无线通信分站应用是各信号通过综合分站融合统一传输，提高了各系统之间的数据共享，为孟村煤矿安全生产提供了保障。

5 结语

通过基于井下多系统融合的4G+WiFi无线通信分站的应用，实现了底层设备的融合，避免了重复投资，消除了信息孤岛，打通了信息壁垒，大幅提升了孟村煤矿的信息化水平，取得了显著的经济和社会效益。

该系统在孟村煤矿的成功应用，具有很好的示范效应，为陕煤化集团其它矿井建设井下多系统融合无线通信系统提供了实例。