0 引言
随着煤矿开采规模不断扩大及煤矿安全生产要求不断提高，煤矿井下环境监控、视频监控、人员管理、设备管理、通信、自动化、信息化等各类系统越来越多[1]，井下接入的业务种类随之增多，业务量越来越大，这就要求井下主传输网络能够提供丰富的接口、足够的带宽和稳定的性能，满足各系统接入需求。但目前井下通信基站设备箱体多、无线数据传输带宽不足等问题仍然存在。针对上述问题，本文采用LTE(Long Term Evolution，长期演进)技术，设计了一种全矿井融合通信系统，采用综合基站实现了各系统数据统一接入、统一共网回传功能。
1 LTE技术在煤矿的应用
LTE是4G技术的典型代表，其基于OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)技术，包括采用成对频谱的FDD(Frequency Division Duplex,频分双工)和非成对频谱的TDD(Time Division Duplex,时分双工) 2种模式。LTE技术下行峰值速率为100 Mbit/s、上行峰值速率为50 Mbit/s，采用专业切换算法，移动性好，具有专有频段，井下抗干扰性强，可用于实时传输工作面、井下机车较密集区域等工作场所的语音、视频和数据，数据传输质量较好，能够避免丢包、延迟等问题，有效简化井下无线网络部署数量，改善目前煤矿井下各子系统独立布设的现状，解决信息孤岛问题[2]。
煤矿LTE技术要发展以数字广带为基础的网络，形成煤矿集无线局域网和基站宽带网络的混合网络，如图1所示，以实现井下通信系统在3G、4G、WLAN、固定网络之间的数据漫游。
图1 煤矿井下混合网络
Fig.1 Hybrid network in coal mine underground
目前煤矿井下4G无线通信、语音广播、IP电话、程控调度、视频监控等子系统采用不同的协议进行数据传输，并采用独立的显示平台。采用LTE技术建立全矿井融合通信系统，可实现井下各子系统的SIP(Session Initiation Protocol，会话初始协议)统一接入，如图2所示，从而实现不同的用户定位、会话建立、会话管理等功能。
2 全矿井融合通信系统组成
基于LTE的全矿井融合通信系统由核心网、信令网关、综合数据服务中心平台、矿用本质安全(以下简称本安)型综合基站、矿用本安型天线、矿用本安型终端(包括矿用本安型手机、矿用本安型执法记录仪、矿用多参数气体测定器等)及其他配套设备组成[3-5]，如图3所示。
图2 全矿井融合通信系统传输协议
Fig.2 Transmission protocol of mine integrated communication system
图3 全矿井融合通信系统组成
Fig.3 Composition of mine integrated communication system
全矿井融合通信系统可满足井下各子系统的接入和传输要求[6-8]，通过减少井下各站点站址，将数字监控、人车定位、无线通信、IP电话、语音广播等系统的多个基站合一，共电源、共传输，大大减少井下站址和线缆，降低员工日常维护量。
3 综合基站设计
3.1 硬件设计
矿用本安型综合基站是全矿井融合通信系统的核心设备，其采用ATN950B万兆环网交换机，集成FDD-LTE无线通信、人车精确定位、广播通信、IP电话调度通信、工业自动化接入、串口服务器接入、供电等模块，如图4所示，可实现煤矿多系统统一调度管理，并可根据实际需要接入安全监控系统数据。
综合基站通过内置的交换机实现自身级联，通过4×RS485/RS232接口和空闲FE端口实现综合接入功能，以减少对主干光纤环网的接入压力。供电模块采用统一的矿用隔爆型锂离子蓄电池，统一电缆、光纤、供电部署。综合基站采用模块化、可插拔设计，各模块均提供标准的PCI(Peripheral Component Interconnect,外设部件互连标准)插槽，可根据实际功能需要分合，扩展性强。
图4 综合基站组成
Fig.4 Composition of integrated base station
3.2 受限空间内多系统间抗干扰设计
为消除多网融合而形成的干扰对综合基站的影响，以井下受限空间电磁波传输理论为基础，建立了干扰源模型[9-11]，对干扰源分析及建模、多系统近址共建共电源防护及空间布设、多网融合中各系统自身抗电磁干扰等关键技术进行了研究，提出了综合基站抗干扰机制，达到了静电、脉冲群、浪涌抗扰度国家三级判据A性能。
图5为基站脉冲群抗干扰电路。电容C1接在输入线两端，用于消除差模干扰。电容C2，C3接在输入线和地线之间，用于消除共模干扰。T1为共模线圈，用于消除共模干扰，其共模电感的两臂作为线路隔离电感，可对波头电压产生一定的延迟，保证瞬变电压抑制二极管D1，D2优先动作，D3延迟动作，从而减少回路大电流，有效保护电路中元件免受浪涌冲击而损坏。
图5 基站脉冲群抗干扰电路
Fig.5 Anti-interface circuit of pulse group of base station
4 煤矿4G专网与电信运营商对接
全矿井融合通信系统中的4G专网用户与中国电信公网用户进行语音业务互通时，要求专网用户手机统一使用中国电信发放的USIM(Universal Subscriber Identity Module，全球用户识别卡)，在中国电信信号覆盖范围内优先使用中国电信网络，作为公网用户；在中国电信信号无法覆盖的区域使用无线专网，作为专网用户。公网用户与专网用户之间可进行语音及短信互通。煤矿4G专网与电信网络对接拓扑如图6所示。
图6 煤矿4G专网与电信网络对接拓扑
Fig.6 Connection topology between coal mine 4G network and telecommunication network
煤矿4G专网与电信网络的对接技术包含EPC(Evolved Packet Core,演进的分组核心网)对接和IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)对接两部分。
(1) EPC对接。中国电信对专网EPC(4G核心网)开放了S6a接口。专网EPC通过标准S6a接口——Diameter/SCTP与电信HSS(Home Subscriber Server，归属用户服务器)互联，接入电信网络，获取鉴权数据。矿用本安型终端取得专网核心网的双向鉴权后，可驻留使用专网。
(2) IMS对接。煤矿4G专网的IMS采用TDM(Time Division Multiplex，时分多路复用)方式与中国电信2G/3G/4G网络关口局对接，采用E1线及标准ISUP(ISDN User Part，ISDN 用户部分) 协议，实现井上下“一机一号”语音互通。
该对接技术除了4G专网用于鉴权的S6a对接通路外，专网与电信公网只有1条通路且为局间对接，2个网络相对独立，耦合性小，最大限度地降低了专网对电信网络的影响。
5 全矿井融合通信系统测试
5.1 系统部署方案
全矿井融合通信系统在井下布置56台综合基站、250部矿用本安型终端。综合基站通过光纤接入井下交换机，最终与井上综合数据服务中心平台通信。交换机与各基站采用星状组网，每台交换机最多可连接24台基站。
井下综合基站采用定向天线，根据巷道不同情况分别进行布设。其中直巷的天线分别向前后2个方向覆盖，覆盖范围为600～800 m；在弯曲巷道或巷道交错区域的弯曲处或拐弯处布设1个基站，并根据巷道的走向调整天线角度进行覆盖。综合基站布设方法如图7所示。
(a) 竖井
(b) 直角弯巷道
图7 综合基站布设方法
Fig.7 Distribution of integrated base station
5.2 测试结果
在井下对系统进行了信号强度和通话效果测试，结果见表1。
表1 系统测试结果
Table 1 System testing result
测试结果表明，2个基站之间距离不超过800 m、终端与基站之间通信距离不超过400 m时，基站天线增益不低于11.0 dBi，接收灵敏度不大于-105 dB·m，基站最远处的信号强度不低于-105 dB，通话质量较好。
采用Flywireless测试基站切换时间，结果如图8所示。经多次测试后取平均值，得到基站切换时间为21.67 ms，满足工控信息接入需求。
图8 基站切换时间测试结果
Fig.8 Switching time testing result of base station
6 结语
基于LTE技术的全矿井融合通信系统可在大中型煤矿井下实现数字监控、人车定位、无线通信、IP电话、语音广播等多系统的统一接入、承载、管理，实现多业务数据共享和调用，可提供通用的数据接口和平台，实现与现有业务平台的对接。测试结果表明，综合基站覆盖半径为400 m，在该范围内无线信号接收强度不低于-105 dB，通话质量较好，且基站间切换时间为21.67 ms，满足矿井实时、可靠通信要求。
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基金项目：煤科院检测分院科技发展基金项目(2015JC03)。
作者简介：张悦(1982-)，男，山西侯马人，工程师，主要研究方向为矿用支护产品检测技术，E-mail:13810675421@163.com。
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