煤矿4G无线通信系统-煤矿WIFI无线通讯系统

1、项目概述

随着科技尤其是移动通信技术的发展，人类的生活和生产面貌发生了巨大的改变。人与人之间的沟通变得更加便捷，生产效率得到极大提高，生产安全得到更多保障。

专网通信相对于运营商公网系统而存在，有自己独立的号码管理，设备管理，调度指挥等特点。煤矿的信息化建设一直在不断的更新，煤矿六大安全系统包括了通信联络系统，其中无线通讯系统在保障煤矿日常安全生产中有着非常重要的作用。

   无线通信技术的发展先后经历了模拟通信、2G、3G技术。4G目前已开始正式商用。2G技术较好的解决了语音通信问题，单是无线数据传输带宽局限性太大，几十Kbps的数据带宽无法满足数据传输要求，3G系统应运而生。3G系统的数据传输相对于2G有了很好的提高，但是数据带宽还是非常有限。4G无线通信系统的发展，在一定程度上解决了移动终端的高速数据传输问题，通过建设矿用4G无线通信系统，可解决煤矿井下高清语音通信、高速高带宽无线数据传输，扩展系统的应用带宽。

一般而言，专网通信技术会跟随公网技术的发展。目前国内三大运营商已经全面建成以LTE技术为基础的4G网络，终端也从2G时代以语音短信的功能机为主到4G时代智能手机的蓬勃发展，无线宽带已经深入人心。 

2、系统起因

   义桥煤矿希望通过建设4G无线通信系统，实现地面、井下无缝的高清语音通话和井下的高带宽数据传输（包含视频和数据流传输），并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。

3、系统现状

   目前义桥煤矿使用的是杭州北辰的小灵通，使用年限已久，由于小灵通系统自身的技术特点，不支持视频、数据等业务，现在在国内应用已越来越少，另外国家已强制性清退其公网频率，在地面已全部停市，技术已经被淘汰，因此义桥煤矿为了满足煤矿新信息化建设的形势，同时响应国家“六大系统”建设要求，并为了方便带班领导、各岗位负责人、瓦检员、安全检查人员、电机车司机等流动岗位人员的通信联络，增强调度指挥力度、提高工作效率。认真贯彻“安全**，预防为主，综合治理”的方针，保证煤矿井下通信设备和系统的正常使用，建立通畅、便捷、有效、快速、智能化的井上下通信联络，因此需要设计一套稳定性和数据业务性更好的4G无线通信系统，作为矿方通信联络系统的又一保障。

4、系统建设目标

1. 建立4G矿用无线通信系统，实现地面和井下的高清语音通信，视频通话、短消息、数据业务功能。现实4G覆盖，接入井下工业以太环网进行传输。

2. 系统具备组呼、全呼、强插、强拆、转接、监听、录音等全面的调度功能。

3. 系统具备中继对接功能，实现矿用本安型手机与有线调度及矿用IP广播互联互通。

4. 系统提供优质的语音和数据业务，建立通畅、便捷、有效、快速、智能化的井上下通信联络，保证数据实时传送。

5. 实现多业务统一接入及实时传输、矿井全无线覆盖，提供高效语音通信功能。

6. 系统能实现无线通信系统、有线通讯系统、IP广播系统和视频通信系统资源整合，形成一体化调度平台，有效提高矿山通讯联络水平。

7. 系统可扩展接入人员精确定位系统，车辆管理系统、综合自动化系统等

5、方案选型

当前煤矿使用的无线通信技术主要有如下几种：小灵通PHS技术、WiFi技术、3G包括WCDMA和TD-SCDMA技术、新建的4G LTE技术。小灵通PHS由于其技术成熟可靠，成本相对低廉，几年前占据了煤矿无线通信的大部分份额。WiFi和3G属于过渡产品，实际使用效果差强人意。近期兴起的4G技术由于产业链的大力支持，已经成为了主流的无线通信技术。

从技术层面，各种技术的优劣对比： 

从业务和实际应用层面，各种技术的优劣对比：

小灵通除了对数据业务支持不好这个问题之外，近年来遇到的**困难是频谱受限。按照工信部的规划，小灵通所使用的1900MHz-1920MHz已经划给TD-LTE。中国移动直接使用这个频段部署了大量室外型宏基站。很多矿区地面装有小灵通基站都受到了影响，表现为有信号不好打电话，或者通话经常中断等。虽然PHS采用了业务信道动态分配等技术可以规避干扰，但是中移动已经在大部分地区使用到了1915MHz，对小灵通地面基站形成了很强的邻频干扰。而且不排除将来用掉剩余5MHz频谱。可见实际上煤矿小灵通地面基站已经没有立足之地。当然井下基站不受此影响。 

基于SIP协议的WiFi无线通讯解决方案由于其成本低廉，在部分中小煤矿得到应用。但是SIP本身不是并一个移动通信协议，需要运行在可靠的通信链路上才能发挥其**优势。井下无线链路由于特殊的地形结构，导致2.4GHz信号传播并不理想。我们在实际使用中也发现WiFi方式覆盖能力弱，用户体验较差，边界区域语音质量差，容易掉话。

另外SIP协议较为松散，没有严格的标准约束，各个厂家之间有不同的理解，导致设备间的兼容性较差。限制了系统后续升级或者扩展。

SIP服务器端，大量采用开源协议栈运行在Linux平台之上，语音编码使用x86CPU的软解，带来系统的不可靠性。实际使用中我们也发现这种架构的服务器经常需要定时重启。

3G系统虽然有严格的通信协议保障，但实际部署中效果也是差强人意，主要存在如下几个问题：

l 数据业务能力比较鸡肋，即使是WCDMA的HSPA，下行单基站理论峰值14.4Mbps吞吐量，实际上使用Femto方案的基站只能达到5Mbps；一个基站下能支持的数据用户也非常有限；

l 井下覆盖如果使用RRU拉远的方式，设备一般只有几家大的通信设备供应商才能提供，成本高昂，维护困难；

l 井下小站覆盖的方式，同步和时钟校准都存在问题，一些性能较差的设备几个月就需要人工校准；

由于以上种种问题，我们认为WiFi和3G都不是煤矿无线通信理想的解决方案，我们采用4G LTE方式来实现煤矿的无线通信覆盖。

6、系统方案设计

6.1设计依据

本技术建议书遵循以下技术规范编写：

Ø 《煤矿安全规程》2016

Ø 国家煤矿安全监察局《煤矿井下避难所试点建设基本要求》（煤安监司办2010第9号）；

Ø 国家安全监管总局国家煤矿安监局关于《建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》（安监总煤装〔修2010〕146号）；

Ø 《煤矿安全装备基本要求》；

Ø 《煤矿通信、检测、控制用电工产品通用技术条件》（MT 209）；

Ø GB4943-90  信息技术设备的安全

Ø GB5081-85  电子产品现场工作可靠性、有效性和维修性数据收集指南

Ø GB7611-87  脉冲编码调制通信系统网路数字接口参数

Ø GB9254-88  信息技术设备的无线电干扰极限和测量方法

Ø GB/T6879-952048kbit/s，30信道PCM复用设备的技术要求和测试方法

Ø GB/T13543-92  数字通信设备环境试验方法

Ø MT401-1995煤矿生产调度通信系统通用技术条件

Ø GB3836.1－2000  爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求

Ø GB3836.2－2000  爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”

Ø GB3836.4－2000  爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”

Ø GB/T4208-93  低压电气外壳防护等级

Ø 系统井下设备除满足上述标准及其他相关标准规定要求外，在结构、隔爆接合面、外壳机械强度、坚固件、引入装置及电气安全等均应符合各自产品标准规定的要求。

Ø 按照煤矿安全规定应具有认可、许可、认证（如煤安及防爆认证）等的设备、材料，提供符合各自产品标准规定并符合上述认可、许可、认证的产品及服务。

6.2 设计原则

1. 坚持以《煤矿安全规程》为依据，统筹规划，突出重点，应用成熟的煤矿成熟可靠的设备为原则。建设及完善煤矿调度通信指挥系统，实现煤矿地面及井下立体综合智能有线、无线于一体，有力地保障安全生产。

2. 新建设的无线通讯网络能与现有的井上下有线通讯网络有机结合，以扩大专网的应用领域。

3. 灵活性和兼容性原则：考虑系统升级扩容的灵活性和兼容性。系统是开放式、分布式的系统，使得在不改变原有设备的情况下能方便的升级、扩容，确保系统的科学合理和先进性。

4. 扩容无需再进行繁杂的布线工作，能与现有设备有机对接，同时系统还留有很大的冗余，保证将来系统扩容升级时无需替换现有设备，避免重复性投资。

5. 系统硬件采用模块化设计，使用先进可靠的设计制造技术，在系统结构形式和控制方式上确保系统的可靠性。硬件连接简单、方便实施。

6. 系统设计人性化，功能丰富，操作性强；硬件连接简单、方便实施。

7. 系统设计合理，集成度高、造价低。

8. 系统必须符合国家相关规定，整个系统必须具有煤矿安全标志

6.3 系统组成

6.3.1系统架构

4G无线通信系统由4G语音调度服务器、4G核心网系统、录音服务器、网管服务器，地面核心交换机、地面无线基站、矿用本安型基站、矿用本安型手机、矿用隔爆兼本质安全型电源、光缆等组成。系统架构如下

4G语音调度服务器：XYP-8000B语音调度服务器采用先进的软硬件技术、电信级的设计，保证了设备的稳定以及可靠性；XYP-8000B语音调度服务器支持FDD等无线通信系统的接入；支持有线、无线终端的统一调度，实现组呼、群呼、强插、强拆、会议、录音、监听等功能；同时支持SIP等多种信令接入方式，实现了语音、数据和增值业务的融合，是矿山企业用户生产调度、通信等综合业务的基础平台。系统采用集中方式部署，提供签约数据管理、鉴权管理、移动性管理、会话管理、承载管理及数字集群业务等相关功能，并通过外接管理系统实现集群系统的调度功能。

4G核心网系统：由核心EPC和核心IMS组成。

集成MME、S-GW、P-GW、HSS各网元功能，为LTE终端用户提供信令处理、移动性管理；对用户数据进行路由及转发；根据用户的签约信息进行QoS控制；同时管理用户签约信息，对系统接入用户进行鉴权和位置管理。EPC可支持井下基站、地面基站的接入，终端上网等。实现VoIP语音、数据和增值业务的融合，支持IAD、AG、IP-Phone、Soft-Phone、模拟电话、视频电话等终端混合组网，可以通过SIP、H.323等协议与第三方网关、软交换系统、IMS互通，同时还可以通过SS7、No.1、PRI、ATO等中继方式与PSTN、传统的PBX互联互通。

录音服务器：实现对无线手机的录音、数据管理、数据统计、提供查询等。录音服务器采用全数字录音，音质采用G.711标准，是电信级通话音质；能对系统内所有分机、环路中继及数字中继进行实时在线录音；采用大容量硬盘作为存储介质，录音时间长达18000小时。采用WEB登陆在线录音系统的访问方式，查询通话记录和录音文件的播放，能按时间和分机号进行查寻、播放任意时段的历史语音数据。软件界面使用中文显示，功能完善，操作方便，同时支持多用户同时登入，录音程序管理维护方便，具有录音文件定期自动删除功能。

网管服务器：系统的专业网管软件可以对网内的不同调度机统一网管配置，同时强大的运行日志，可以清楚记录设备的运行和操作状态，大大降低运行维护的成本，具备系统管理、分组管理、帐号管理、权限管理等功能；井下基站的日常维护与管理。同时还能够有效地将音频、视频和数据业务综合起来，能为用户提供完善的多媒体(音频/视频/数据)业务解决方案。

网络交换机：4G地面大功率基站、矿用本安型无线基站通过光缆接入地面交换机与4G语音调度将服务器连接。

地面无线基站：由基站控制器XYP-BBU和地面大功率基站XYP-RRU组成

主要用于地面4G无线信号的覆盖，通过光纤连接到机房交换机内。

井下无线基站：KT393-F(A)井下本安无线通信基站有两种：其中一种通过光缆传输信号，主要用于大巷、固定点的信号覆盖；另外一种通过双绞线传输信号，主要用于综采、掘进工作面、瓦斯钻场等移动场所，便于现场安装和施工维护。

移动终端：矿用本安型手机KT393-S1(A)、KT135-ZD、KT135-S1用于语音、视频通话。

电源：矿用隔爆兼本安型直流稳压电源KDW660/12B，支持多种电压接入为井下网络交换机、基站等设备供电，并保证4小时的电源后备，具备电源管理功能。

6.4 系统实现主要功能

l 综合业务：实现地面与井下的无线信号覆盖，提供语音、数据、高清视频、短消息、定位等功能；提供呼叫、转接、保持、强插、强拆、监听、队列、临时会议、会议、全局录音等调度功能；

l 系统可实现4G视频通话功能，在4G信号覆盖范围内可实现视频通话，并具有视频会议功能，根据业务需要，建立视频会议小组，实现不少于20个4G智能终端的视频会议，视频流畅不卡顿，语音清晰稳定。

l 系统能支持点对点短信，点对多点短信，短信群发和群呼功能，以便迅速下达应急救灾指令，便于现场人员迅速按调度指挥中心的指令进行人员撤离及救援。

l 系统能设置手机等级限制，设置不同的呼叫权限用户。

l 系统具备计算机管理及维护、系统测试、远程维护功能。

l 系统需具备传统程控交换机的业务功能，如呼叫转移、呼叫等待、呼叫保持、三方通话、呼叫权限设置等。

l 设备状态显示:在网管图上动态显示设备状态，基站工作状态等功能。

l 软件应有容错能力、防护性能、运行故障的监视功能、有完善的实时操作系统、有各类正常呼叫接续处理功能、具有完善的系统控制功能、具有对各种硬件设备测试功能、具有对软件、硬件运行故障的监视、有完善的故障告警及故障处理功能、有与集中维护管理中心相配合的控制功能、具有完善、方便的人机通信控制功能、具有完善的维护管理功能、具有故障诊断和故障定位功能、软件维护管理功能、故障诊断软件应能对硬件故障进行诊断和定位、系统具有网络限制功能,对不需要上网的用户进行控制。

l 能对用户进行等级设置、具有设备加电运行时，热插拔应不引起任何元件的损坏和缩短使用寿命、设备具有电磁兼容性及抗电磁干扰。

l 系统容量大：支持10000注册用户，支持500路以上语音并发，并支持堆叠扩容；

l 覆盖范围广：矿用本安型基站中4G信号在水平巷道中覆盖距离大于800米。

l 可靠性高：支持环形组网，在光纤传输遭到破坏时可以自动完成链路切换；

l 标准接口：核心网支持SIP接口，可以接已有SIP调度系统，保护原投资；

l 互联互通：可以在无线通讯系统网络覆盖范围内与矿井有线通讯系统通信；

l 无线中继：井下基站支持无线中继连接及移动无线接入，方便设备部署，适用于临时或移动无线信号覆盖；

l 移动应用：配合智慧矿山系统软件，通过数据采集接口，实现智能手机对安全监测监控系统、人员定位系统、原煤计量系统等综合自动化系统的监测监控。并具有良好的扩展性，在后期可接入其他的自动化系统。

6.5统优势特点

6.5.1高度集成核心网

自主研发核心网设备，采用集中方式部署，把MME，SGW，PGW集成到一个设备中

同时支持wifi数据传输系统；4G的上网处理，语音交换，数据漫游控制、权限管理等集中在核心网关网管和，统一打包处理，同时兼容wifi、广播、定位等系统便于融合通信系统的实现，实现系统的软件层面融合。

6.5.2 矿用本安型基站

井下采用自主研发的4G无线基站，全本安设计，基站容量大，适用于井下工作面、掘进面等高危险场所；

支持以太网传输，不需要专用的环网交换机，方便系统融合；

可选配多种模块（Wifi模块、人员定位模块、车辆定位模块、环网模块等）形成强大的融合基站；

分支巷道等光缆铺设不方便地方，可使用业内独有的双绞线基站；

6.5.3 电源管理及宽电压接入

基站电源可支持127/380/660V，电压接入，可对电源在线和掉线管理。

6.5.4 系统扩展性强

IP广播：基站支持接入IP广播设备，实现区域扩音广播；

模拟电话：可将模拟电话接入本系统，实现井上井下、有线无线统一调度管理；

视频传输：可以通过通信软件拨打视频电话。

支持4G无线摄像仪的接入，支持有线、无线摄像仪通过以太网口接入基站进行传输。