TD-SCDMA通信专网TDeN在煤炭行业的应用
时间：2022-06-01 18:35:02 浏览次数：次
[摘要]文章在分析煤矿通信系统现状的基础上，对应用于煤矿的8种无线通信技术进行比较，总结了煤矿对通信系统的需求。论述73G技术应用于煤矿行业的优势，说明组建TD-SCDMA通信煤矿专网TDeN的可行性和必要性。提出了TDeN的设计方案，阐述7TDeN的总体架构、功能、特点和性能参数等。最后，总结7TDeN应用于煤炭行业的优越性。
[关键词]TDeN 煤矿无线通信 TD-SCDMA
到2009年我国煤炭产量已达30亿吨，随着煤炭产量持续增长，煤矿的安全生产形势更加严峻。据国家安全监管总局统计，截至2009年12月，全国各地煤矿事故发生334232起，死亡71283人；其中较大事故发生1636起，死亡6414人；重特大事故发生63起，死亡1080人。煤矿安全事故不断发生，主要原因之一是煤矿企业安全生产信息手段落后，矿井的安全监测、监控体系不健全，采集数据困难；通信系统技术普遍落后，难以实现全矿井覆盖、监测数据及时传输和统一调度等功能。所以，要降低矿难发生就必须走工业化、信息化相结合的道路，根据煤矿生活生产特性定制符合煤矿自身需求的通信专网。因此，如何设计高效、便捷、灵活、经济、安全的通信系统，使生产调度更人性化，提升煤矿生产管理效率，增强容灾时的应急指挥救援能力，有效降低矿难带来的生命危险和财产损失，保障煤炭行业安全生产得到长足发展，显得比以往任何时候更为重要。
1 媒矿通信系统研究现状
1.1煤矿行业通信现状分析
煤矿企业当前应用的通信技术普遍落后，要么使用有线通信系统，其调度效率较低，可调度的范围较小；要么使用技术相对落后的无线通信技术，如动力线载波系统、矿用泄漏通信系统、矿用透地通信系统、矿用感应通信系统、小灵通(PHS)、大灵通(SCDMA)、CDMA(1$95)、WLAN等。
煤矿通信系统主要由矿区地面通信和矿山井下通信两大部分组成。动力线载波系统、矿用泄漏通信系统、矿用透地通信系统和矿用感应通信系统基本解决了井下固定作业场所的环境监测及语音通信问题。但是，矿山井下通信受煤矿生产作业特点(井下的流动设备多、作业点分散，相应地流动作业人员也较多)、通信设备技术跟进和特殊环境条件等的制约，这些系统还存在很多问题。 小灵通(PHS)、大灵通(SCDMA)、CDMA(IS95)、WLAN等无线通信系统相对于有线系统，由于不受煤矿地理位置的限制而发展很快；但是其能提供的网络带宽太小，仅能传输参数和报警信息等小容量数据，业务方面也仅能提供语音、SMS、区域定位等公网通信业务，不能加载更丰富的应用。这些系统虽然可以实现煤矿无线指挥调度的一些功能，但是其本身技术缺陷和组网方式的限制，致使通信时延及QoS指标等不能得到有效保证；井下设备均是隔爆型产品，没有做到小型化，更不用说采用本安设计；在用户容量、井下覆盖距离等方面也不是很理想。
上述各种无线通信系统的比较详见表1。
矿用小灵通系统是通过对PHS系统按“煤安”标准进行安全处理改造而成的，由表1可见，小灵通系统成本很低，因而得到较大规模应用，是目前煤矿通信系统市场的主流。但是2009年1月，工信部发文要求在2011年底完成1900MHz～1920MHz频段的清频工作，该频段就是目前小灵通使用的工作频段。工信部也已经将这段频率分配给TD-SCDMA使用，这就从频谱政策上进一步为TD-SCDMA专网在煤矿行业的应用铺平了道路。
1.2煤矿生产的特点及对通信的需求
煤炭生产主要在地下作业，存在工作环境恶劣(工作区域狭小、地形不确定、照明差、潮湿、有腐蚀性)、不安全因素多(主要有水、火、瓦斯等事故的威胁)、人员／设备流动性大等诸多特殊的因素。从生产作业流程上看，在井下还具有多工种联合流水作业的特点，这种作业经常有很多重型设备参与其中，设备之间的运输、安装、调试配合要求很高，信息传输必须及时、准确。同时，煤矿地面的管理部门、生产辅助环节又具备地面工厂生产的一切特点。所以，通信网必须既满足井下的安全、生产的需求，又满足地面生产、指挥、管理以及人们生活等各方面的需求。
上述煤矿生产的特殊性要求煤矿无线通信系统要覆盖井上和井下，实现纵向调度灵活可靠、矿区内外通信畅通无阻，不仅能满足平时的通信需要，而且能够保证在各种自然灾害和矿井事故发生的情况下进行应急指挥通信；要求煤矿通信设备必须体积小、质量轻，外壳必须具备防潮、防尘、防机械冲击的能力，特别是要求井下的设备具有本质安全性或防爆性设计；要求通信系统可平滑升级，满足市场经济条件下煤矿对通信提出的新要求。而基于TD-SCDMA的煤矿专网TDeN将有效克服现有煤矿通信系统的缺点，并满足煤矿特殊的通信需求。
2 TDeN专网建设的必要性与可行性
2.1爆矿3G技术的优势
基于3G核心技术的煤矿移动通信系统可提供完善、先进的统一信息系统解决方案，提供集语音通信、数据传输、监控等于一体的网络信息平台。煤矿专网将提供高效的通信服务和有效的数据业务，方便煤矿企业进行统一的管理和调度；采用一定的自组网功能，具有较好的容灾性和抗毁性；提供标准的接口，可与公网互通。
TD-SCDMA技术在三个主流的3G国际标准中具有显著的高频谱利用率优势，可以降低网络建设成本；不需要成对分配频段资源，网络规划和维护简单；具备高可靠性和安全性等特点；目前拥有的关键技术有时分双工方式、智能天线、联合检测、上行同步、接力切换和软件无线电技术等。TD-SCDMA优良的特性、充足的频带资源和丰富的组网经验使其成为煤矿专网建设首选的3G技术。
TD-SCDMA是中国提出的具有自主知识产权的3G标准，为积极响应国家在煤矿安全生产方面增强科技自主创新的战略决策，促进信息化与工业化融合，为煤矿企业降低成本、提高效率、保障安全生产，每个煤矿根据自身的生产和生活特性建立TD-SCDMA专网就很有必要。
2.2TD技术成熟可满足企业长期需求
2009年，中国移动TD公网覆盖城市已达238座，到今年底TDI~I期完成覆盖城市将达到330座。经过充分验证和锤炼，TD系统功能丰富、性能稳定；中国移动丰富的组网经验，确保煤炭TD专网建设更加有效，专网业务能力也更强；煤炭TD专网伴随中国移动3G公网的发展而发展，业务不断丰富，性能不断提升，技术持续进步；在国家的大力支持和关怀下，不断强大的TD产业联盟确保客户的投资得到长期保障且建网成本不断降低。
3 TDeN设计方案
通过分析煤矿行业通信系统现状，依据煤炭行业井下设备必须具有本安保障等特殊需求，吸收TD-SCDMA系统设计的先进理念，本文提出了TDeN在煤炭行业的应用方案。TDeN包括以下设备单元：综合接入控制设
备TDR100。(包括无线控制器RNC、核心网CN、语音调度系统等)、TDU300(井上基站)、TDUl00(井下本安型基站)、矿用TD-SCDMA终端(本安型)、行业应用服务器(根据业务使用情况选配)和光缆接线盒等设备。TDeN总体架构如图1所示。
3.1设备功能
TDRl00完成用户业务的接入与综合处理，及系统和PSTN／PLMN移动网络的交换与调度功能；TDU300完成地面的网络覆盖；TDU100完成井下的网络覆盖；行业应用服务器加载PS业务的服务软件，包括视频监控、瓦斯监控、定位考勤、风机在线系统、煤炭产量监控系统、电子工单和煤炭信息化等业务应用，可随着应用的增加逐步开发新的软件；操作维护中心负责完成TDR100、TDU300以及TDUl00的配置管理、维护管理、故障管理和告警管理等操作维护功能。
3.2覆盖方式
在无线通信系统中，系统覆盖是关键技术之一。TDeN采用分布式部署架构，即“光纤拉远分布式基站”部署方案，这种方案部署场景更灵活，组网更简单。充分满足煤矿通信专网在各种复杂环境和地质条件下的组网需求；井下设备无需电源的光纤信号传输方式不会有打火危险，拥有高可靠性和安全性；光纤通信具有频带宽、信号容量大、传输质量高、保密性好、可靠性高、对杆路要求低等诸多优点；光纤拉远接口支持的基站之间的传输距离可达数公里，无缝覆盖井上的厂房、办公楼、生活区、职工食堂和浴室等区域；也支持局内各煤矿联网实现煤矿资源共享。
3.3TDeN的后续演进
TD-SCDMA作为一个国际标准，其演进路线非常明确，可以归纳为：TD-SCDMA基本版本→TD-SCDMA增强版本(HSDPA／HSUPA／HSPA+)→TD-SCDMA长期演进版本(TD-LTE)。TD-SCDMA及其发展和演进将受到越来越多国内外通信公司的重视和积极参与，这将使煤矿TD-SCDMA专网后续发展得到有效保障。
4 系统功能特点及主要参数
4.1系统功能
(1)TDeN覆盖广，可同时解决煤矿井上／井下的覆盖问题；
(2)提供丰富多彩的业务和应用，包括语音业务、短消息业务、分组业务、可视电话等增强业务；
(3)提供语音调度功能，实现调度会议、组呼、录音、监听等功能；
(4)支持专网内移动电话的互通，支持专网内移动电话与固定电话的互通，支持专网与公网的互通；
(5)支持丰富的无线传感器接入，可使井下图像监测移动化；
(6)提供井下瓦斯浓度监测功能；
(7)支持宽带数据的接入，可搭载人员定位、高清图像等的传送；
(8)提供开放的接口，支持与煤矿现存管理系统互通。
4.2系统特点
(1)TDeN是一个综合性的移动通信专网系统，提供语音业务和数据业务的综合调度；
(2)引入TD专网系统，最大限度地将通信方式从有线变为无线，终端的可移动性极大方便调度台对人员进行调度，并增大调度范围，提高调度效率和可靠性；
(3)TDeN有力支撑煤矿安全生产管理，其高话质、高带宽数据能力使得煤矿通信与调度系统更高效、更便捷；
(4)TDeN网络规模可大可小，可根据不同的场景需求灵活进行定制；
(5)TDeN具有很好的可靠性与安全性；
(6)TDeN具有合法的使用频率许可；
(7)TD-SCDMA技术是主流的通信技术，可以确保专网系统处于技术前沿，庞大的产业链可促使产品的成本不断降低；
(8)TDeN可平滑地接入到公网系统(PSTN／PLMN)。
4.3系统的性能指标
(1)系统可根据性能容量不同进行不同的配置，最大支持48载波；
(2)每载波最多支持用户23个；
(3)每载波最大数据吞吐量可达2.8M；
(4)基站最大拉远距离40km；
(5)单套设备典型配置可以连接72个基站，根据具体情况也可扩展到144个基站；
(6)最大支持用户数不小于2000；
(7)支持384K／64K或64K／384K的分组业务；
(8)支持HSDPA／HSUPA业务。
TDeN产品已经完成研发，设备通过了煤炭行业的安全认证系统测试。上述指标经过实验网络的组网测试及容量测试，完全满足应用需求。
5 结语
TDeN可实现全矿井无线通信的无缝覆盖，高质量的语音通信提高了地面与井下通信的实时性与可靠性，强化了人员的管理，提高了工作效率，全面提高了煤矿企业自动化、数字化、网络化、信息化的应用程度，保证煤炭安全生产和运营，也有利于煤矿向“数字化、智能化矿山”的方向演进。该系统支持后续产品的平滑升级，不仅满足语音、数据、图像传输功能的需要，也使煤矿的投资得到长期保障。
随着国家对煤炭企业安全生产的逐渐重视和对信息化建设的投资不断加大，无线通信技术在煤矿安全生产领域的应用将越来越广泛，如无线传感器、现场工业设备遥控、环境监测、移动办公等领域。可以预见，TD-SCDMA无线移动通信技术在煤矿安全生产中有着广阔的发展前景，必将发挥越来越重要的作用。
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