4G+LTE技术在煤矿的应用

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1、4G LTE技术在煤矿的应用 Application of 4G LTE technology in coal mine中煤科工集团常州研究院有限公司王凯敏 WANG Kai-min （Changzhou Research Institute of CCTEG）【摘要】介绍4G LTE技术的现状、优势；介绍BBU+RRU分体式基站覆盖模式，并将该模式引入到煤矿通信系统中，并说明该模式的优缺点。 【关键词】煤矿；4G LTE；BBU；RRUAbstract：Introduce the status and advantages of 4G LTE technolog；Describe the m

2、odel of BBU + RRU,introduce this model to coal mine communication system,Explain the advantages and disadvantages. Key words：coal mine；4G LTE；BBU；RRU1.引言 4G LTE，称为第四代移动通信及其技 术。目前已在国内共在15个城市建设了TD- LTE试验网，其中宁波、杭州、深圳、广 州、南京等实现了主要城区全覆盖并开始规 模4G体验，例如：快速公交、体育场所、交 通设施等人流量较大地方提供试用和测试。 可以说支持4G技术的三个重要方面（无线网 络、

3、芯片、终端）已完全符合4G LTE投入商 用的硬件条件，可以说4G LTE技术大规模商 用的条件已经基本成熟了，因此我们完全可 将4G技术应用到煤矿等相关行业来，为我们 煤矿的安全生产、安全管理的自动化及现代 化提供极大地推动力。 2.4G LTE技术介绍 2.1 概述 LTE（Long Term Evolution，长期演进) 是由3GPP国际组织制定的无线通信技术标准 的长期演进。LTE系统由于引入了OFDM和多 天线MIMO等关键传输技术，显著增加了频谱 效率和数据传输速率，具有下载速度快、多 种带宽分配方案、频谱分配更加灵活、系 统容量和覆盖显著提升等优势。LTE可分为 FDD-LTE

4、和TDD-LTE。或者不该做什么事，4G手机可以把电影院票 房资料，直接下载到PDA之上，这些资料能 够把售票情况、座位情况显示得清清楚楚， 大家可以根据这些信息来进行在线购买自己 满意的电影票；4G手机也可以被看作是一台 移动电视，用来看NBA等各种体育比赛现场 直播。 2.3 技术优势3.1.2 小基站 小基站可以看成是小型化宏基站，具有 体积小、覆盖能力较强，不需要机房，安装 方便，可靠性不如基站，维护不太方便。一 般应用在矿区的室外，如矿区顶楼和铁塔等 区域。 3.1.3 分布式基站 分布式基站采用光纤拉远技术，具有体 积小、覆盖能力较强，不需要机房，安装方 便，可靠性不如基站，维护不

5、太方便，需要 用光缆。一般应用室内信号覆盖。图3 4G LTE网络架构图 如图3所示，具有下面的特征： 1)通信速度快 最高可以达到高达100Mbps速度传输无 线信息。 2)网络频谱宽 每个4G信道会占有100MHz的频谱，相当 于W-CDMA 3G网络的20倍。 3)通信灵活 使人们不仅可以随时随地通信，更可以 双向下载传递资料、图画、影像，当然更可 以和从未谋面的陌生人网上联线对打游戏。 2.4 智能性能高 4G通信的终端设备的设计和操作具有智 能化，例如对菜单和滚动操作的依赖程度会 大大降低，更重要的4G手机可以实现许多难 以想象的功能。 2.5 兼容性好 系统有很好的兼容性以便让更多

6、的用户 来体验该技术的优势。 2.6 提供增值服务 可提供快速上网、定位、门禁等增值服 务。 3.面向煤矿的技术引进及改造 3.1 地面覆盖 LTE中共有3种基站：宏基站、小基站、 分体式基站。 3.1.1 宏基站 宏基站一般有专用的机架，具有容量 大、覆盖能力强，需要机房，可靠性较好， 维护方便。一般应用与广域覆盖或深度覆 盖，例如矿区的地面部分、生活区等区域。图4 应用不同环境的基站3.2 煤矿井下无线覆盖 煤矿井下为有限空间，无线电传播与耦 合和地面完全不同。巷道截面形状、尺寸、 介质、弯曲、分支、倾斜、金属支护、纵向 导体(例如电缆、水管、铁轨等)、通风设施 影响着无线电信号的耦合与传

7、播。煤矿井下 基本为巷道模式，巷道有长有短、有高有 低、有直有弯，条件复杂而多变。 目前公网的3G网络已经大量使用分布式 基站，即为RRU（射频拉远模块）和BBU（基 带处理单元）的Node B方案，它们之间需要 用光纤连接。一个BBU可以支持级联或并联 多个RRU。采用BBU+RRU多通道方案,可以很 好地解决大型场所的室内覆盖问题，例如： 体育馆、隧道、地铁等。因此我们也可采用 BBU+RRU构架的方案应用到煤矿井下，并综 合其他技术手段才能达到较好的通信应用效 果。图1 通信技术演进路线图 从图1所示技术的演进路线我们发现： GSM-GPRS-EDGE-WCDMA- -HSPA-HSPA

8、+-LTE长期演进图2 2G、3G、4G速度对表 2.2 用户体验 2G：打电话，发短信，发彩信，上wap 网页。 3G：除2G的基本功能，还可以视频电 话、下载观看视频音乐等多媒体、基于app 的高速互联网冲浪。 4G：除3G的功能，还有高清语音、视 频、虚拟现实、现实增强等服务和应用。4G 手机能根据环境、时间以及其他设定的因素 来适时地提醒手机的主人此时该做什么事，图5 BBU+RRU方案3.2.1 BBU设备 支持A/F/D/E频段，可插入19英寸机架中。 直流-48伏供电。 其基带板可插拔，提供CPRI接口，通过 单模光纤与RRU相连，通过Ge接口与核心网 相连。-15-间的干扰。a

9、)可降低建设成本。采用光纤传输，传 输距离远、速率高、带宽大、衰减小、抗干 扰性能最好，适合远距离和大型视频传输。 b)可降低运营成本。通过对现有基站资 源的合理利用和基站基带部分的集中放置， 降低基站的租赁费用。 c)建网速度快。基带和射频的分开放 置，让工程建设具有了很强的灵活性，加快 了工程施工进度，保障网络快速部署。 d)便于网络优化调整。光纤的远距离 和快速部署特点，可以依据基站周围环境特 点，构建标准蜂窝结构，降低了网络优化的 难度。 e)可合理利用光网络资源。可以合理利 用现有的光网络资源，新建的光缆网络也可 以用于其它各种业务，如数据接入、视频监 控等。 采用这种方案的缺点有：

10、 a)缺少大规模应用经验。目前仅有少 数运营商采用分布式基站进行大规模网络部 署，关于光纤拉远技术的应用尚缺乏大规模 应用经验，需要在实际应用一边应用一边探 索。 b)适合煤矿井下使用的产品不多，产业 链不够丰富，需要提出自己的一些思路和想 法，将煤矿与通信技术完美融合，开发出适 合煤矿的高兼容性、高集成性、高质量性和 高稳定性的产品，例如4G+WIFI设备、多功 能车载设备、数据采集仪、设备巡检仪等。 产品集成度有待进一步提高。 4.结语 经过近几年的部署和网络建设，4G牌照 已正式发放，移动互联网大发展的时代正式 到来。4G技术必将促进煤矿设备的现代化和 智能化。同时，4G技术必将加速煤矿

11、企业IT 化，未能与时俱进的企业将走向“死亡”， 因此我们需要技术升级换代，引进4G技术， 根据现有公网运营商的一些经验及技术，采 用分布式基站（即为BBU+RRU构架）应用到 煤矿井下，该系统能够为煤矿提供音频、视 频、数据等综合业务，进一步推进煤矿的现 代化。图9 BBU串联方式 BBU+RRU方案对于容量配置非常灵活， 可按容量需求，在不改变RRU和室内分布系 统的前提下，通过配置BBU来支持每通道从 1/6载波到3载波的扩容。理论与实践证实该 方案具有下列特点：独特的多通道算法实现 空间隔离，可以降低干扰；覆盖和容量可独 立规划；降低对干线放大器的依赖；基带容 量可实现共享，扩容能力大

12、；光纤无损耗， 主干布放简便，RRU部署灵活。但是缺点是 需增加光电转换单元，且光纤较容易损坏， 需要采用铠装。 通过上述方案，我们可以建成一种多个 用户共用一组无线电信道，并动态地使用这 些信道的专用集群移动通信系统，具有呼叫 接入快，群组内用户共享前向信道，采用半 双工通信方式、PTT方式，支持群组呼叫等 特点。可将无线与有线网络技术合二为一， 可以对井下或地面的无线语音信号或数据、 视频信号进行传输，以实现语音集群调度和 视频和上传。 3.2.4 系统可实现的功能 a)系统具有手机与手机，手机与固定电 话互联互通功能。 b)系统能对不同用户设置不同的优先 权，并能对申请信道的用户按优先权

13、的不同 和申请的先后顺序排队。 c)系统具有连续服务功能。 d)系统具有用户限时功能。 e)系统具有分布管理功能，以提高系统 抗故障能力和应用范围。 f)系统具有越区切换功能。 g)系统具有非法用户禁用功能。 h)系统具有自诊断和故障指示功能。 系统具有对调度终端诊断功能，当发生故障 时，及时报警并指示故障位置。 i)系统具有短信,彩信功能。 支持手持终端用户间点对点和点对群 组的彩信； 支持调度台或其他应用向手持终端用 户或群组发送彩信； 支持手持终端用户向调度台或其他应 用发送彩信； 支持文字、图片形式的彩信。 j)系统具有视频功能。视频相关功能包 括： 视频监控:支持手机、视频服务器指

14、定使用手机的前置摄像头或后置摄像头回传 视频；支持固定摄像头回传视频； 点对点视频通话:在手机（包括手 机、调度台）之间可进行视频通话业务，通 话双方均可以看到对方的摄像头画面； 录音录像:支持语音和视频录音录像 的存储、查询、删除、导出等管理功能。 k)系统具有中继汇接功能，支持各类中 继协议。 l)系统具有监听、强拆、强插等调度功 能。 3.2.5 方案的优缺点 采用这种方案的优点有：图6 公网的BBU设备示意图 3.2.2 RRU设备图7 公网的RRU设备示意图 支持各种频段；内部含四个模块：功 放、低噪放大器、前置滤波器、电源。 发射功率：40W；功耗：小于200W，对 于煤矿井下来说

15、，整机功耗偏大，需做技术 处理，减小功耗或限定功率，同时解决好扇 热的问题。 供电：直流(-48伏)供电；煤矿井下基 本为交流供电，供电电压基本为127/380/ 660/1140伏，波动范围大(75%110%)，需做电 源部分改造，例如增加AC-DC模块，并解决过 流、过压保护的问题。 支持灵活工作带宽（10/20/30MHz）； 级联：级联距离不下小于10km。 3.2.3 可实现的整体方案 BBU+RRU方案采用光纤传输的分布方式， 在井下需要大量的光纤。基带BBU(Building Baseband Unit室内基带处理单元)可放置在 通信机房或井口，RRU(Remote Radio Unit远 端射频模块)可安装至井下，BBU与RRU之间 采用光纤传输，RRU再通过阻燃同轴电缆及 功分器、耦合器连接至天线，即主干采用光 纤，支路采用同轴电缆。参考文献 1张继东,张昀.4G系统的新技术和特点J.现代电信 科技,2003(02). 2李慧.中国移动在新竞争环境下商业模式的优化研 究D.云南大学,2012. 3宋丹阳.4G技术在图书馆中的应用D.辽宁师范大 学,2011. 4钱静,酆广增.移动通信系统从1G到4G的演进J.江 苏通信技术,2001(06). 5包东智.LTE产业现状及发展趋势J.移动通信,2008 (16). 6李蔷.基于4G的移动图书馆服务平台构