TD-SCDMA與Femtocell礦井通信系統(tǒng)的設(shè)計與分析

孫偉強，朱祥樂，鐘橙（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，南京 210019）

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TD-SCDMA與Femtocell礦井通信系統(tǒng)的設(shè)計與分析

孫偉強，朱祥樂，鐘橙
（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，南京 210019）

摘 要針對我國煤炭能源行業(yè)信息化的業(yè)務特點和發(fā)展需求，并結(jié)合當前TD-SCDMA通信技術(shù)的特點，提出基于TD-SCDMA技術(shù)的煤炭通信專網(wǎng)系統(tǒng)，再分析Femtocell技術(shù)的潛在優(yōu)勢，提出基于Femtocell技術(shù)的礦用無線通信系統(tǒng)。分析兩種通信系統(tǒng)方案的特點，并對兩種系統(tǒng)方案在礦井通信中的適用性和可行性做了詳細的對比。結(jié)果表明：基于Femtocell技術(shù)的無線礦用通信系統(tǒng)方案在工程的部署和技術(shù)的成熟度方面具有很多不足，而基于TD-SCDMA技術(shù)的專網(wǎng)煤炭系統(tǒng)方案在工程規(guī)劃設(shè)計方面，符合煤礦特殊作業(yè)的要求，并在布網(wǎng)實施方面具有很高的可操作性，滿足礦井特殊環(huán)境對通信的需求，因此作為煤礦企業(yè)首選的礦井無線通信解決方案成為必然。

關(guān)鍵詞無線通信；TD-SCDMA；Femtocell；礦井通信

1　引言

隨著全球無線通信技術(shù)的更新?lián)Q代和3G技術(shù)在我國的整體布局和成熟商用，給4G通信技術(shù)的發(fā)展演進提供組網(wǎng)經(jīng)驗和奠定基礎(chǔ)的同時，為廣大民眾的生活帶來全新的體驗，也為各項工作的信息化提供極大便利，相對我國各類能源等行業(yè)應用領(lǐng)域中的無線通信技術(shù)的發(fā)展，已明顯無法滿足各個行業(yè)應用領(lǐng)域中對信息化發(fā)展的強烈需求。

因此，煤炭行業(yè)迫切的安全需求和嚴峻的生產(chǎn)形勢，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)必須走信息化和工業(yè)化相結(jié)合的道路[1]，國家通過各種強制政策推動煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全系數(shù)，煤炭企業(yè)也在國家相關(guān)政策的強力支持下探索和逐漸采用各類煤礦生產(chǎn)安全相關(guān)的通信信息化解決方案。

2　基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)

2.1Femtocell技術(shù)分析

Femtocell是近年來隨著融合通信技術(shù)的發(fā)展并根據(jù)移動業(yè)務寬帶化趨勢和無線通信技術(shù)的發(fā)展，推出的一種超小型化、低功耗移動基站[2]。在地面應用中，F(xiàn)emtocell使用IP通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，為實現(xiàn)接入用戶語音業(yè)務和分組數(shù)據(jù)的通信服務[3]，需要有專用網(wǎng)關(guān)在接入遠端支持從IP網(wǎng)到移動通信網(wǎng)的互通。

Femtocell的物理外形和家用ADSL調(diào)制解調(diào)器極其相似，作為蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)解決室內(nèi)信號覆蓋問題的補充手段，具有即插即用、自動配置、安裝方便、自動網(wǎng)規(guī)等特點。

目前Femtocell的應用有適用于CDMA、GSM、UMTS的各種標準的產(chǎn)品，F(xiàn)emtocell所采用的2G、2.5G、3G的產(chǎn)品制式及其運行頻段都與移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商現(xiàn)有基站相同，同時也支持移動終端通過接入網(wǎng)絡(luò)與地面公共移動通信網(wǎng)絡(luò)通信[4～6]。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Femtocell技術(shù)的無線礦井通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于Femtocell技術(shù)的無線礦井通信系統(tǒng)的井下通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用標準的Femtocell網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)元間的互通主要采用現(xiàn)有的IP傳輸系統(tǒng)并經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與地面核心主系統(tǒng)的連接，以此實現(xiàn)井上和井下通信系統(tǒng)的有機結(jié)合。

Femtocell無線通信系統(tǒng)包含Node B和RNC的功能，一般由天饋子系統(tǒng)、中頻/基帶子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)等部分組成。Femtocell無線通信系統(tǒng)中用戶終端通過Uu接口與無線基站進行交互，無線基站再通過Iuh接口搭載在礦井礦區(qū)原有的寬帶承載網(wǎng)與Femtocell相關(guān)網(wǎng)關(guān)進行聯(lián)通，最后由Iu接口連接至礦井系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)。礦井系統(tǒng)采用的核心網(wǎng)是公眾移動核心網(wǎng)的精簡并保持現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不變，是整個呼叫信令控制和承載建立的控制核心，包括用戶歸屬位置寄存器和移動交換中心等網(wǎng)元。

圖1　基于Femtocell技術(shù)的無線礦井通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3系統(tǒng)分析

2.3.1無線干擾

無線信號覆蓋與傳統(tǒng)基站相比，F(xiàn)emtocell小區(qū)的覆蓋半徑相對較小，工程經(jīng)驗值為50～200 m，配置載波數(shù)量為1個，最多可支持和滿足4～6個活動用戶的接入，發(fā)射功率為10～100 mW，由此可見為實現(xiàn)有效的無線信號覆蓋其井下Femtocell小區(qū)的部署數(shù)量將非常龐大。更重要的是，無線頻譜資源有限，隨著Femtocell數(shù)量的增加，使得信號干擾變大，其網(wǎng)絡(luò)管理的復雜度也會隨著增加，如何降低相互間的無線干擾是需要繼續(xù)解決的問題。

2.3.2時鐘同步

時鐘同步是所有通信系統(tǒng)不可避免的問題，基于Femtocell的無線礦井通信系統(tǒng)的同步問題也不可忽略，尤其在我們國內(nèi)的當前環(huán)境下，對于Femtocell的同步技術(shù)將是一個挑戰(zhàn)。

當前Femtocell和核心網(wǎng)絡(luò)的同步主要是用GPS （Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）同步，在現(xiàn)有很多礦井地下的場景網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法獲得足夠多的有效GPS信號。在地下礦井的通信環(huán)境中幾乎不可能獲得GPS信號，但為了能夠真正實現(xiàn)Femtocell用戶安裝即插即用，必須要探求替代GPS的同步方式。

2.3.3區(qū)域切換

由于單個Femtocell小區(qū)的覆蓋半徑僅有50～200 m，所以需要連續(xù)覆蓋井下在長距離和大面積的作業(yè)巷道的Femtocell小區(qū)數(shù)量較大，因此在用戶終端容易從一個Femtocell的覆蓋區(qū)域進入另一個覆蓋區(qū)域。在用戶終端進行語音通話或其他通信業(yè)務的同時，這種跨區(qū)域間的活動會產(chǎn)生信號的頻繁切換，同時考慮Femtocell系統(tǒng)自身容量的限制，會帶來通話語音質(zhì)量及業(yè)務系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的問題。

2.3.4Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的安全

Femtocell也存在網(wǎng)絡(luò)安全方面的信號泄露的隱患，所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須保證非法接入用戶無法利用Femtocell作為攻擊和破壞核心網(wǎng)的手段工具。因此Femtocell系統(tǒng)需要采用高級別的鑒權(quán)機制，禁止未授權(quán)的用戶終端接入Femtocell系統(tǒng)進行各類通信業(yè)務。

3　基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)解決方案

3.1方案總體架構(gòu)

憑借TD-SCDMA移動通信技術(shù)的核心優(yōu)勢，積極探索和進一步挖掘TD-SCDMA技術(shù)在我國各行業(yè)應用領(lǐng)域中的通信需求和廣泛應用，提出適合多個行業(yè)信息化應用的小型化TD-SCDMA企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——TDeN（TD-SCDMA Enterprise Network，TDSCDMA企業(yè)專網(wǎng)），其中基于TD-SCDMA的礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)方案的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于TD-SCDMA的礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)功能包括：支持實時的12.2 kbit/s語音通信業(yè)務，支持HSDPA/HSUPA。礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)可與通信調(diào)度臺進行互通，以此可同時解決煤炭企業(yè)礦井上和井下的應急通信的需求。礦井專網(wǎng)系統(tǒng)保證礦區(qū)內(nèi)外信息通信的暢通無阻，滿足日常安全生產(chǎn)的通信需要，實現(xiàn)縱向調(diào)度信息的可靠靈活，能夠保證在礦井安全事故發(fā)生和自然災害發(fā)生時進行應急指揮通信。礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)適用于各類型的小型、大中型煤礦以及多礦開采的井下礦井企業(yè)。

3.2方案特性

3.2.1系統(tǒng)主設(shè)備說明

TDR100： 實現(xiàn)和完成接入用戶的業(yè)務所需要接入與綜合處理的綜合接入控制設(shè)備；將基帶處理部分、基站控制器、分組業(yè)務相關(guān)的核心網(wǎng)功能進行整合，采用集成小型化的設(shè)計原則，滿足煤礦企業(yè)用戶的需求，設(shè)備的建網(wǎng)成本進一步減少。

TDS100：是主要集成TD-SCDMA通信公共網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)電路域的媒體控制和交換的功能，同時兼有調(diào)度和交換功能，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備容量最大支持5 000用戶。

TDU150：實現(xiàn)井下移動網(wǎng)絡(luò)信號良好覆蓋的井下本質(zhì)安全型基站。TDU150使用本安型電路設(shè)計，具備低熱量、低功耗、防爆、高可靠性的特性。

TDU200：用于井上網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋的室內(nèi)型基站，可提供高速穩(wěn)定的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務；具備結(jié)構(gòu)緊湊、高效率處理的特性，最大可通過通信光纜拉遠至40 km。

TDU311：主要完成地面網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋的井上室外礦用基站。

TDU311基站充分考慮接入用戶在覆蓋、容量、業(yè)務、電源、傳輸、安裝、維護等方面的多種需求，采用高度集成一體化的產(chǎn)品設(shè)計，并利用光纖拉遠的應用優(yōu)勢，實現(xiàn)遠端獨立站點的信號覆蓋，從而節(jié)省了基站資源的投資。

3.2.2系統(tǒng)性能

①支持的CS話務量：80 Erl；

②支持的PS吞吐量：24 Mbit/s；

③井下覆蓋小區(qū)最大支持12載波；

④井下可連接144個TDU100；

⑤井下基站為本安型設(shè)計；

⑥井下網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備互聯(lián)采用全光纜連接，信號傳輸可靠安全，避免打火隱患。

礦井通信專網(wǎng)系統(tǒng)具備綜合性業(yè)務通信網(wǎng)的工程，適應各類煤炭企業(yè)的運行環(huán)境并具有良好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容性，能完成自由漫游和多點互聯(lián)的通信能力，并有業(yè)務擴展能力強、組網(wǎng)部署靈活、鑒權(quán)高安全性和系統(tǒng)高可靠性的特點。

3.3方案分析

基于TD-SCDMA技術(shù)的的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)是針對礦井巷道通信環(huán)境開發(fā)設(shè)計的，其通信系統(tǒng)方案的特點分析如下。

3.3.1技術(shù)的先進性

TD-SCDMA采用時分雙工的接入方式，提供主流和先進的通信處理技術(shù)提供優(yōu)良的無線特性、高帶寬數(shù)據(jù)能力、高話質(zhì)，使得礦井通信系統(tǒng)與現(xiàn)有企業(yè)調(diào)度系統(tǒng)融合度進一步提高。

3.3.2與公網(wǎng)技術(shù)同源

TD-SCDMA技術(shù)已經(jīng)得到中國移動通信網(wǎng)絡(luò)的充分錘煉和驗證，根據(jù)公網(wǎng)的運行經(jīng)驗可確保專網(wǎng)通信系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性；同源技術(shù)，使得煤炭通信專網(wǎng)系統(tǒng)借鑒中國移動公網(wǎng)，得到長期優(yōu)化和發(fā)展，達到電信運營級標準；行業(yè)專網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展與公網(wǎng)同步，使得基于TD-SCDMA通信技術(shù)的煤炭專網(wǎng)產(chǎn)品的性能逐步完善，以此也能夠成為各類型企業(yè)采用的大眾產(chǎn)品，可為專網(wǎng)通信用戶提供高性能低價位的通信設(shè)備。

3.3.3強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

TD-SCDMA通信技術(shù)擁有強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟后盾，不論從終端芯片還是到主設(shè)備、再從儀器儀表到業(yè)務應用的開發(fā)，都可保障礦井專網(wǎng)通信系統(tǒng)的長期投資，并強有力的支持專網(wǎng)通信系統(tǒng)后續(xù)的技術(shù)演進和業(yè)務功能的發(fā)展。

3.3.4綜合性業(yè)務通信網(wǎng)

TDeN支持豐富的業(yè)務類型，包括視頻監(jiān)控、數(shù)字集群調(diào)度、短信群發(fā)、點對點短信、可視電話、多方通話、高質(zhì)量的語音業(yè)務，同時還可實現(xiàn)有線和無線電話可統(tǒng)一調(diào)度、與公網(wǎng)的互連互通已實現(xiàn)個別特殊業(yè)務需求。

3.3.5組網(wǎng)靈活

礦井專網(wǎng)通信系統(tǒng)根據(jù)不同的應用場景需求可靈活定制，軟硬件容量可大可小，組網(wǎng)靈活；系統(tǒng)平臺提供上層應用接口的開放性，便于業(yè)務擴展。采用主流的網(wǎng)絡(luò)部署方案——光纖拉遠分布式基站技術(shù)，覆蓋范圍廣，頻譜利用率高，高集成度的小型化設(shè)備，便于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)備維護。

3.3.6高可靠性和高安全性

井下巷道通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)備采用無源的光纖信號傳輸方式，造價低、傳輸距離遠、帶寬利用率高，可進行更加便捷靈活、更安全的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；專網(wǎng)通信系統(tǒng)產(chǎn)品采用負荷分擔或者熱備份的冗余設(shè)計方式，確保達到國家電信級設(shè)備的性能要求。專網(wǎng)系統(tǒng)擁有高可靠性和安全性，遵從一流的國際通信標準。采用的井下通信設(shè)備完全符合煤炭行業(yè)標準，可滿足煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的各類特殊業(yè)務需求。

4　系統(tǒng)方案對比分析

根據(jù)第三代TD-SCDMA通信技術(shù)和Femtocell技術(shù)的特點，分別提出各自在煤炭專網(wǎng)應用中的通信系統(tǒng)方案，現(xiàn)從井下無線通信系統(tǒng)的關(guān)注點對兩種系統(tǒng)方案進行深入的對比分析。

（1）電氣防爆[7]：基于Femtocell技術(shù)的無線礦用通信系統(tǒng)沒有也不能確保井下巷道通信設(shè)備的電氣防爆性能，需要進一步提升系統(tǒng)設(shè)備的安全性?；赥D-SCDMA通信技術(shù)的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)的井下巷道通信設(shè)備滿足煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的特殊要求，完全符合本質(zhì)安全標準。

（2）發(fā)射功率：兩種技術(shù)體制的系統(tǒng)方案采用的井下通信設(shè)備的發(fā)射功率都較低，并達到防爆的本質(zhì)安全要求。

（3）設(shè)備小型化：Femtocell系統(tǒng)設(shè)備需要安裝在井下，雖然采用設(shè)備實現(xiàn)高集成小型化，但部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量較多，施工難度系數(shù)大。TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)采用的井下設(shè)備重量輕體積小，可直接采用19寸標準機柜安裝在建筑物的室內(nèi)墻體上，實現(xiàn)低成本快速部署。

（4）抗干擾能力：基于Femtocell技術(shù)的無線礦用通信系統(tǒng)，設(shè)備相對集中，抗干擾能力較弱，電磁干擾嚴重，并且Femtocell小區(qū)覆蓋半徑的不足進一步限制其技術(shù)的行業(yè)應用?；赥D-SCDMA通信技術(shù)的的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)中TDU100可實現(xiàn)距離500m的雙向覆蓋，由于其技術(shù)本身具有的強抗干擾能力使得TDU之間的信號干擾進一步降低。

（5）組網(wǎng)和維護：Femtocell系統(tǒng)是直接與現(xiàn)有核心網(wǎng)連接，并且與現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的操作與維護系統(tǒng)相比，F(xiàn)emtocell的維護和操作系統(tǒng)必須是獨立設(shè)置，由此才能完全避免Femtocell系統(tǒng)與現(xiàn)網(wǎng)運行系統(tǒng)產(chǎn)生深度耦合?；赥D-SCDMA技術(shù)的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)根據(jù)不同的應用場景需求可靈活定制，軟硬件容量可大可小，組網(wǎng)靈活，僅需單臺計算機就能對專網(wǎng)設(shè)備進行全網(wǎng)安全操控和實時維護。

（6）防護性能和抗故障能力：Femtocell系統(tǒng)的抗故障能力較弱[8]，且不具備熱備份的冗余設(shè)計方式。而基于TD-SCDMA通信技術(shù)的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)可采用負荷分擔和熱備份等冗余方式，抗故障能力較強。

5　結(jié)論

本文在分析煤炭行業(yè)用戶的應用需求和技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，針對Femtocell技術(shù)和TD-SCDMA技術(shù)各自的通信特點，分別提出基于Femtocell的無線礦用通信系統(tǒng)和基于TD-SCDMA技術(shù)的煤炭專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，并從井下巷道無線通信系統(tǒng)的各種關(guān)鍵性能進行對比分析，同時也對兩種制式在礦井中的適用性做了對比。對比結(jié)果表明：基于TD-SCDMA通信技術(shù)的煤炭專網(wǎng)通信系統(tǒng)是統(tǒng)一先進和性能完善的綜合信息化解決方案，從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃到系統(tǒng)實施具有較高的可行性，完全符合煤礦特殊作業(yè)環(huán)境對通信保密性、可靠性、安全性等各類要求，是各種類型煤礦企業(yè)首選的無線礦井通信解決方案。

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Design and analysis of TD-SCDMA and Femtocell in mine communication system

SUNWei-qiang, ZHU Xiang-le, ZHONG Cheng
(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

AbstractAccording to the characteristics of the coal industry informatization development needs and business, combination of TD-SCDMA and Femtocell technology advantage, put forward a mine wireless communication system based on Femtocell and coal private network communication system based on TD-SCDMA. This paper analyzed the characteristics of two kinds of communication system solutions and compared the applicability and feasibility of the two systems in detail. Results of the contrast showed that there are still plenty of shortcomings in wireless communication system based on Femtocell; on the other hand, coal enterprise network system based on TD-SCDMA has the high feasibility form plan to implementation, completely accords with the requirements for communication of special environment in coal mine, and it can be the preferred solution of mine wireless communication system for coal enterprises.

KeywordsWireless communication; TD-SCDMA; Femtocell; mine communication

收稿日期：2015-11-21

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）01-0053-05