现有煤矿信息化子系统交错繁杂，系统整合及统一管理性较差，往往存在资源利用率低和重复建设等问题。随着煤矿企业信息化水平的不断提高和移动互联技术的应用与推广，近年来基于移动通信技术的矿用通信系统及信息融合系统已成为煤矿企业广泛关注的热点，对煤矿安全生产、抢险救灾，提升煤矿信息化水平，以及创建安全、绿色和节约型矿山具有重要意义。因此，文章通过建立井下无线传输平台，全面提高煤矿安全生产信息化管理的整体水平，进一步加快矿用无线通信系统一体化技术研究势在必行。

1　现有技术状况研究

现有RFID、WiFi和3G等矿井无线通信技术，存在抗干扰和抗故障能力差、信道容量和服务半径小、井下定位误差较大、井下拐弯巷道有信号盲区等问题，难以满足现代化矿井对全矿井移动通信的需要。目前，井下人员定位系统采用RFID、3G技术应用较多，已经有一些基于RFID和3G等的定位技术，RSSI和TOA等定位方法也在井下人员定位方面得到了应用，但上述定位技术和方法，在井下非直视传播环境存在多径干扰，定位的实时性、准确性易受影响，尤其是当井下多人同时出现在同一地点时，系统易产生漏读和误读，从而出现识别不准的问题。因此，为解决上述问题，本文基于LTE 4G通讯技术，提出了集无线通信、人员定位和应急广播于一体的系统设计架构，探讨了矿用一体化系统的关键技术，并对实验测试进行了分析，验证了系统的有效性和可靠性。

2　系统设计与功能描述

2.1　系统设计

本文根据煤矿井下巷道分布结构特点，设计了基于光环以太网络的矿用一体化通信系统，系统包括控制系统、光环以太网络和无线接入网络三级网络结构，实现全矿井无线覆盖、人员定位和应急广播一体化通信。系统总体架构示意图如图1所示。

图1　系统总体架构示意图

（1）控制系统：位于井上监控中心通信机房的基站控制器、综合业务调度单元组成。

（2）光环以太网络：由位于井上监控中心通信机房的以太网交换机和位于井下巷道的光纤环网、隔爆交换机组成。

（3）无线接入网络：由地面基站、井下本安基站、分布式MIMO天线和井下本安移动台组成。

矿用一体化系统主要由井上、井下设备、综合业务调度系统、人员定位管理系统和应急广播系统组成。其中，井上设备包括：调度主机、以太网交换机、综合业务交换机、人员定位服务器、广播服务器和UPS不间断电源；井下设备包括：矿用本安型基站、矿用本安型手机、矿用本安型广播终端、矿用本安型标识卡和矿用隔爆兼本安型直流稳压电源。综合业务调度系统主要提供VOIP语音调度、视频调度；人员定位系统具有井下人员信息管理、人员位置信息搜索、人员运行轨迹监控功能，当遇井下灾变情况，可及时发送报警信息及撤离信号，准确统计全矿井下及某个区域或工作面的人员数量；广播系统融合了办公电话、公共广播、报警联动、指挥调度功能模块。

2.2　系统主要功能

本系统具有高速无线通信调度、人员定位管理和应急广播等功能，实现了无线通信、人员定位与智能广播的一体化设计，系统提供光接口、电接口、总线接口，将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现矿井语音、数据、视频图像“三网融合”，为井下视频监控等多媒体业务的传输及工业以太网设备、以太网终端和有线电话的接入提供方便。具体功能描述如下。

2.2.1　无线通信调度功能

系统具有无线、有线、IP融合通信功能，以及无线、有线、IP调度电话、可视电话、广播用户统一调度与中继汇接功能。支持矿调度无线通信网与矿调度有线通信网、上级集团公司通信网及公用通信网的互通。具体包括：

（1）具有丰富接口功能，支持光接口、以太网电接口、总线接口，实现语音、数据和多媒体融合。

（2）具有数据传输的功能，支持宽窄带数据的接入，移动终端收、发短信的功能。

（3）能扩展多媒体信息处理功能，建立图片、视频等信息处理平台，实现手机拍照、视频等信息的实时分享和快速分发。

（4）具有越区切换的功能，实现移动电话在基站之间的无缝漫游，保证移动电话由一个基站服务区域进入另一个基站服务区域时通话不会被中断。

2.2.2　井下人员定位功能

系统具有人员出入井时刻、出入区域时刻等监测功能，能识别多个同时进入识别区域的井下人员，实现井下人员携带识别卡唯一性检测、人员管理、定位信息存储、查询及显示功能。

（1）故障自诊断功能：当系统设备发生故障时，报警并记录系统故障时间和故障设备，以供查询及打印。

（2）双机切换功能：系统具有双机切换功能，保证系统7×24小时全天候不间断运行，提高了系统的容灾备份能力和可靠性。

2.2.3　广播功能

系统具有定点广播和独立广播功能，可对任意广播终端进行定点广播。

（1）紧急广播、呼叫功能：系统可对广播总段进行广播，井下人员可通过广播终端直接呼叫调度台，进行对讲通话。

（2）双向对讲功能：调度台可与井下任意广播终端之间进行双向对讲通话。

（3）广播录音功能：将调度员和广播终端用户的讲话形成录音文件。

3　关键技术研究

3.1　LTE无线通讯技术

为满足矿用本安设计要求，提供满足矿用井下无线覆盖基本要求和基本容量性能要求，支持与井下工业以太网交换机连接，本系统采用最先进的LTE无线通讯技术，将BBU和RRU集成到一个板卡上可以实现更快的数据传输速率和更高的传输带宽。相对于已有通信系统，该系统可以为煤矿提供更丰富的业务。具有低时延、大容量、更高的传输速率、支持多种小区带宽、覆盖和移动性能好等技术优势，LTE可实现上下行50Mbps和150Mbps的峰值速率，双向业务时延小于10ms，具有5MHz/10MHz/20MHz频带带宽，更方便组网，满足矿井用户的不同需求，可实现矿井移动通信、语音、视频通话、视频监控、多媒体调度，以及基于多媒体业务的集群对讲和多方会议。

3.2　分布式MIMO天线技术

针对现有矿井移动通信系统干扰和抗故障能力差，服务半径和信道容量小，系统采用矿井分布式MIMO天线技术。矿井分布式MIMO天线系统是由相互协作的定向天线和全向天线构成，能够借助信道的独立性，更好地利用微波和宏波的衰减技术进行协作性工作。因此，分布式MIMO天线技术，从功能上看相当于传统移动通信系统的多个基站子系统，但结构更加灵活，扩展性更好。采用分布式MIMO天线技术能降低对每个处理模块的要求，使系统的基站天线根据实际地理位置和系统覆盖需求进行灵活布置，不仅降低了基站射频信号发送功率，而且提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。

3.3　智能网关技术

系统采用了满足煤矿应用的LTE无线通信智能网关，对外可提供4个LAN以太网口、1个通信串口和WiFi接口，本安型设计，方便安全监测、视频监控、自动控制等的终端接入，实现LTE无线通信传输。一方面，通过智能网关的动态自适应切换技术，提高了系统的功率效率和切换效率，从而保障矿井异构网络的移动性要求和通信服务要求。另一方面，通过矿井智能网关的多模式无线通信技术，能够将数据信号、视频信号、音频信号落地，为井下通信装置提供多路无线电信道或数字调制的光信道，实现井下语音、数据、视频图像等多媒体业务的融合。

4　实验测试与分析

为进一步考察和验证系统设计的有效性及可靠性，首先，文章对矿用本安型基站的性能进行测试。由于KT532R矿用通信系统采用发射1805MHz~1880MHz、接收1710MHz~1785MHz频段，在井下平直、空旷无遮挡巷道中，传输距离较远，在巷道复杂情况下传输距离受限。如图2所示，经现场测试，在平直煤矿井下的大巷，KT532R-F的覆盖距离能够达到500m以上，在530m处，基站的场强覆盖能力大于-90dBm，井下用户的手机能正常通话。

图2　井下基站的通信距离与接收灵敏度测试

在考虑井下多径干扰和路径损耗因素的影响条件下，对井下基站KT532R-F1 WiFi场强变化情况进行测试。由图3可以看出，井下基站对WiFi无线通信的最远距离超过100m，在120m处基站的场强覆盖能力大于-40dBm，井下手机能够进行数据通信，数据传输速率为100kbps。实验表明，井下基站的覆盖范围与发射功率有关。基站的发射功率越大，其覆盖的范围越大，反之则覆盖范围减少，基站发射功率最大为20dbm。在考虑井下多径干扰和路径损耗因素的影响条件下，经实际测试KT532R-F的发射功率为20dBm（100mW），如果按照每100m路径损耗25~40dBm计算，可推算井下基站单方向无线场强覆盖范围为350~450m。

图3　井下基站的WiFi数据通信距离与接收灵敏度测试

此外，文章还对井下移动终端的接收灵敏度随传输距离变化情况进行了测试，如图4所示。可以看出，在井下通信距离小于500m处，手机KT532R-S4的接收灵敏度大于-100dBm，手机通话正常。而在井下通信距离小于300m处，手机KT532R-S4的接收灵敏度大于-70dBm，手机通话正常，效果良好。考虑井下多径干扰和路径损耗因素的环境条件，在井下基站信号覆盖良好的情况下，在距基站500m处手机接收灵敏度为-99dBm，可以保证手机正常通话。根据移动台正常通话时其接收灵敏度为-105dBm的理论极限，因此，在距基站500m处的实际测试表明，井下移动终端的接收灵敏度为-99dBm时，通信效果良好。

图4　井下移动终端的通信距离与接收灵敏度测试

5　结语

本文基于一体化设计思想，研究了一种矿用4G无线通信、人员定位与应急广播的一体化系统，给出了系统设计方案、系统主要功能特点和关键技术，最后通过实验测试验证了系统的鲁棒性和可靠性。实验结果表明，本文提出的矿用一体化通信系统结构简单、部署灵活，与传统的WiFi和3G无线通信系统相比，具有明显的技术优势和性能优势。这对老旧矿井信息化改造，以及新建矿井的信息设计和示范，具有较好的工程借鉴意义。

参考文献

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[3]颜冰．基于LTE的矿井无线通信系统研究[J]．中国高新科技，2017，1（2）．

[4]王映民．TD-LTE-Advanced 移动通信系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2012．

[5]武斌．煤矿井下定位系统分析[J]．科技创新导报，2012，（5）．

（作者管增伦系中国中煤能源集团有限公司高级工程师，曾荣获煤炭行业优秀科技先进个人，获多项省部级科技进步奖）