１矿用无线通信技术现状
１．１ＷｉＦｉ无线通信技术
ＷｉＦｉ无线通信技术采用ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）正交频分复用技术，其优势在于具有较高的数据带宽，低廉的设备成本，同时使用２．４ＧＨｚ的公共频段，不需要复杂的审批手续。但ＷｉＦｉ技术不属于国际电信联盟ＩＴＵ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｏｎ）规定的移动语音通信标准，不具备规模组网通信的理论基础与技术标准，其定位就是短距异步宽带数据无线接入。由于ＷｉＦｉ采用的是短码扩频技术，只适合视距无遮挡点对点直线通信，而对矿井这种遮挡严重，多径反射剧烈，场强衰落快速变化的现场，将直接导致ＷｉＦｉ的通信距离大大缩短。ＷｉＦｉ通信技术所使用的通信体制、占用带宽、调制方式与目前煤矿井下人员定位系统的ＲＦＩＤ和ＺｉｇＢｅｅ完全相同或近似，使得系统之间会产生严重的电磁干扰，严重的还会使系统瘫痪。
１．２ＴＤ－ＳＣＤＭＡ无线通信技术
ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技术是ＩＴＵ发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的特点是上下行同频段，通过时隙配置为上下行信道提供无线承载。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ可支持速率为８ｋｂｉｔ／ｓ～２Ｍｂｉｔ／ｓ的语音、互联网等所有的３Ｇ业务。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统采用时分双工模式，它的一个载波占用１．６ＭＨｚ的带宽，仅能提供速率为２Ｍｂｉｔ／ｓ的３Ｇ数据业务。并且在产业链方面ＴＤ－ＳＣＤＭＡ不够成熟，终端数量较少。目前，ＴＤ－ＳＣＤＭＡ矿用通信系统采用ＢＢＵ（ＢｕｉｌｄｉｎｇＢａｓｅｂａｎｄＵｎｉｔ）＋ＲＲＵ（ＲａｄｉｏＲｅｍｏｔｅＵｎｉｔ）拉远方式，ＢＢＵ部署在地面，ＲＲＵ作为井下无线站点部署在井下，地面与井下采用私有的ＩＲ接口，必须使用裸光纤，无法直接使用井下工业以太环网，且当ＢＢＵ出现故障时，会导致全网无法工作。某个中间ＲＲＵ故障会导致整个链上的ＲＲＵ无法工作，维护、扩容较为困难。
１．３ＷＣＤＭＡ无线通信技术
ＷＣＤＭＡ技术是ＩＴＵ正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，是集ＣＤＭＡ、ＦＤＭＡ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ，频分多址）技术优势于一体、系统容量大、抗干扰能力强的移动通信技术［４］。ＷＣＤＭＡ发展空间较大，技术成熟性最佳，有较高的扩频增益，可支持速率为８ｋｂｉｔ／ｓ～５．７６Ｍｂｉｔ／ｓ的语音、互联网等所有的３Ｇ业务。ＷＣＤＭＡ作为产业链最为成熟、网络部署最为广泛、终端最为丰富的３Ｇ技术，其网络除能实现语音通信功能外，还可提供高速率数据和图像传输功能。但是，传统ＷＣＤＭＡ系统总体造价相对较高，不利于大规模推广，而且井下巷道错综复杂，其无线信号的全矿井无缝覆盖困难大。
１．４Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ无线通信技术
１．４．１Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ技术简介Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ又可称为毫微微小区、家庭基站［５］，是近年来根据３Ｇ发展和移动宽带化趋势推出的低功率、超小型化移动基站。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ使用ＩＰ协议，通过用户已有的ＡＤＳＬ、ＬＡＮ等宽带电路连接，远端由专用网关实现从ＩＰ网到移动网的联通。它的大小与ＡＤＳＬ调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。１．４．２Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ技术优势（１）可覆盖宏小区不能覆盖的地方。（２）可以减少来自于宏小区基站的高功率开销并提高宏小区基站的性能。（３）辐射更低，手机电池也更耐用。（４）为固网与移动网融合提供了一个理想的解决方案。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的网络架构如图１所示。目前业界主流的设备商主要采用的是把ＮｏｄｅＢ和ＲＮＣ（ＲａｄｉｏＮｅｔｗｏｒｋＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，无线网络控制器）功能集成于一个接入设备的扁平化架构，由Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ网关提供标准的Ｉｕ接口。更进一步的扁平化架构可以把ＳＧＳＮ（ＳｅｒｖｉｎｇＧＰＲＳＳｕｐｐｏｒｔＮｏｄｅ，ＧＰＲＳ服务支持节点）／ＧＧＳＮ（ＧａｔｅｗａｙＧＰＲＳＳｕｐｐｏｒｔＮｏｄｅ，网关ＧＰＲＳ支持节点）等功能集成于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ接入设备。扁平化架构的优势是它符合下一代移动网络的发展趋势。由于独立节点的减少，使得网络端到端时延大大降低（降低４０％左右），从而大大增强用户在使用高速数据业务和实时业务时的体验。同时，节点的减少也大大提高了网络的可靠性。
２基于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的矿用
ＷＣＤＭＡ无线通信系统传统的矿用ＣＤＭＡ－２０００，ＴＤＳ－ＣＤＭＡ以及ＷＣＤＭＡ系统总体造价相对较高，不利于大规模推广，而且井下巷道错综复杂，其无线信号的全矿井无缝覆盖困难极大；但随着Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ技术的应用，使得ＷＣＤＭＡ无线技术应用到煤矿井下变得简单。针对煤矿井下的环境特点，提出了一种基于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的矿用ＷＣＤＭＡ无线通信系统，系统结构如图２所示。从图２可看出，基于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的矿用ＷＣＤＭＡ无线通信系统采用现有的ＩＰ网络传输，Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ通过工业以太网与地面主系统相连，井下通信的网络架构可采用标准的Ｆｅｍｔｏ网络架构，实现井下、井上通信的结合，传输使用矿区已经部署的井下工业以太环网。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站集成了ＮｏｄｅＢ（即移动基站，一般由控制子系统、传输子系统、射频子系统、中频／基带子系统、天馈子系统等部分组成）和ＲＮＣ的功能，它通过ＳＩＰ（ＳｅｓｓｉｏｎＩｎｉｔｉａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ，会话初始协议）／ＩＭＳ（ＩＰＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＳｕｂｓｙｓｔｅｍ，ＩＰ多媒体系统）连接到地面核心网络（核心网包括移动交换中心ＭＳＣ和用户归属位置寄存器ＨＬＲ等），核心网络采用ＷＣＤＭＡ专网的自建核心网。
２．１系统的关键技术
２．１．１即插即用Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ所扮演的角色类似于终端设备，因此，其使用方法必须简单明确，安装好Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站后，只要接通电源和网络就可以使用。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ和服务器之间必须能自动完成ＩＰ连接和ＩＰ分配，能够进行远程的自动软件升级、自动网络规划（包括最小干扰频点的选择、扰码的自动分配、邻区列表的自动创建及发射功率的自动调整）。２．１．２接入控制接入控制主要有３个层面：①接入层的ＵＥ（ＵｓｅｒＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）接入鉴权。用户必须可以设置Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的接入模式，如是否允许所有用户接入、能否设置不同的接入用户、Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ信号是否可以独享等。因此，Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ必须设置一个白名单编辑功能，以满足对Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ接入终端的控制。②Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站设备的接入控制。服务器要能够监控Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站的使用，并控制其ＩＰ接入。目前主要采用在Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站内置一张类似于ＳＩＭ卡的信息鉴权设备，运营商可以在ＳＩＭ卡上烧制相应的鉴权信息。③核心网３ＧＰＰ标准的ＵＥ接入鉴权。Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ对用户的接入必须满足３ＧＰＰ对３Ｇ的各项标准规定［６］。２．１．３ＩＰ传输网络质量要求因为Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ是完全通过ＩＰ网络实现与核心网的连接，因此，如何保证业务的ＱｏＳ服务等级，特别是语音业务的ＱｏＳ要求非常关键。因此，对于ＩＰ传输网络需要有一定的性能要求，如对满足语音业务、满足视频电话及ＰＳ３８４Ｋ业务在时延、抖动、丢包率、带宽等方面的指标均有最低要求。２．１．４时钟同步技术Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ基站主要通过接收周围宏基站信号来提取同步时钟信号，如果Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ完全处于孤岛环境，就需要通过自身的时钟振荡器来获取时钟。
２．２系统优势分析
综合了Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ技术与ＷＣＤＭＡ技术的特点，基于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的矿用ＷＣＤＭＡ无线通信系统主要有以下优势。（１）组网灵活。由于系统采用Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ技术和小型化设备，且可即插即用，系统安装维护方便，组网更加灵活。（２）稳定可靠。系统内设备采用电信级标准设计，确保系统可靠性。无线资源池共享技术的应用使得系统稳定性和可靠性大大提高，且满足突发情况下设备的资源需求；在正常情况下，设备运行负荷均衡，工作状态稳定。（３）业务丰富。系统不仅支持基本的高质量语音通信和短信业务，而且基于ＷＣＤＭＡ的高带宽特性，可灵活承载移动办公、无线监控、生产巡检等各种数据业务。另外，可根据数字化矿山的特点，灵活定制适应于矿山安全生产的多种移动业务。（４）兼容性高。基于Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ的矿用ＷＣＤＭＡ矿用无线通信系统设备采用国际通用通信标准设计，设备可以和不同制造商生产的公网模式的ＷＣＤＭＡ制式终端兼容；可以和多家主流设备制造商生产的用户级交换机和局用交换机互通。
３结语
随着社会的进步和科学技术的发展，我国煤炭的信息化水平已经大幅提高，矿用无线通信技术也在不断的发展以适应煤矿信息化进程，从ＰＨＳ技术，ＷｉＦｉ技术到现在的３Ｇ技术及今后的４Ｇ技术。下一代矿用无线通信系统中，高质量的语音通信必不可少，但是其只是煤矿信息处理的小部分。随着４Ｇ网络到来，井下高清无线视频监控、无线传感器、无线数据采集、视频会议等无线业务将会是今后数字化矿山的重要标志。４Ｇ技术的引进也是下一代矿用无线通信系统的必然趋势，其将河南职称会是未来煤矿信息化的一个重要平台。
作者：徐寿泉 徐宝平 张阳太 武钰 单位：天地（常州）自动化股份有限公司 重庆邮电大学 潞安新疆煤化工（集团）有限公司
