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wifi在矿井移动通信系统中的应用

2011/09/13

引言

  煤矿井下发生事故后,井下人数不详、被困人员位置不清、被困人员生死不明是灾后应急救援急切解决的问题。因此,有必要研究抗灾变能力强、具有人员位置监测等多功能煤矿井下无线通信系统。本文研究将低成本的新技术——Wi-Fi应用于井下,构建一种新的矿井移动通信系统。

1.Wi-Fi技术简介

  Wi-Fi(WirelessFidelity),即无线保真或无线相容性认证,是一种无线局域网数据传输的技术与规格,也就是IEEE所定义的无线通信标准IEEE802.11。无线局域网是有线局域网的扩展和替换,是在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。IEEE802.11标准发表于1997年,其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。随后,IEEE又发布了一些补充协议,包括物理层的补充协议IEEE802.lla/b/g和其它一些服务相关协议。总的来说,Wi-Fi属于短距离无线技术,覆盖范围可达几百米,使用的是2.4GHz附近的频段。Wi-Fi有着“无线版本以太网”的美称,世界上至少有80%以上的局域网采用以太网技术,其几乎可以视为以太网标准在无线领域的延伸。

2.Wi-Fi与相关技术比较

  目前国内外矿井无线通信方式主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS(小灵通)通信、3G(大灵通)通信系统等。

  漏泄通信系统存在着抗灾变能力差、大量的串联中继设备导致可靠性差、系统不具备冗余功能等问题,通信终端存在功能单一、信道容量小的缺陷。感应通信系统存在着体积大、重量重、信道容量小、通信距离短等问题。透地通信系统存在着设备体积大、重量重、信道容量小、地面设备功率大、地面天线布置困难、单向通信(地面向井下)等问题。PHS(小灵通)通信系统与3G(大灵通)通信系统存在着基站控制器和基站非本质安全型防爆、系统不具备冗余功能、抗灾变能力差、井下基站至地面最大通信距离不满足井下通信10公里的要求等问题,通信终端存在功能单一、信道容量小的缺陷。

  WiMAX与Wi-Fi最明显的区别是覆盖范围存在很大差别,WiMAX通常可以覆盖3~5km,而且WiMAX的安全系数更高,但是WiMAX的组网成本要比Wi-Fi大的多。考虑到矿井下的特殊性和经济性,还是选用Wi-Fi更适合井下局域网的环境。

3.系统需求分析

  所要研究设计的矿井移动通信系统主要由地面监控系统、井下分站和移动通信终端组成。地面监控系统负责整个系统的管理与控制,通过地面监控系统可以对井下人员以及相应设备进行实时的监控。地面监控系统任务可由一台多功能计算机并配有相应数据库管理软件完成。井下分站为整个系统的关键部分并负责多项功能。系统应满足:  
  1. 在矿井事故前后,地面监控系统能得知井下工人所在的位置;

  2. 井下工人与地面监控系统以及井下工人之间能随时进行双向数据通信;

  3. 地面监控系统能随时、直接与任何井下工人进行双向数据/语音通信;

  4. 井下工人之间能进行双向窄带语音通信;

  5. 井下通信网为由若干个分站组成的网状网络;

  6. 分站能收发无线电信号,为了有较强的穿透能力,采用适合矿井传输的波长。
4.方案设计

  系统以光纤有线网络为骨干,以无线网络为延伸,在井下设立若干矿用分站,通过无线局域网络覆盖井下巷道,利用矿用本安手机(IP终端接入设备)来实现群呼、组呼等功能,从而实现井上对井下的语音调度以及井下对井上的数据和语音双向通信。地面通信与监测中心的软件能分析、处理和显示人员位置、生命状态,可实现人员位置和生命状态显示报警和存储,从而全面实现煤矿安全生产、调度通信、应急救援、安全监控与督察。

  4.1 系统架构

  系统分为井下设备和井上设备,如图1所示。

系统组网拓扑图

图1 系统组网拓扑图

  井上设备包括:地面通信与监测中心控制计算机、IP调度台、数据服务器和交换机;井下设备由井下分站设备、连接光缆、井下手机、识别卡等组成。

  本质安全型无线以太网移动通信终端通过无线网络与矿用多媒体通信接入网关互联;IP调度台通过以太网与网关连接;多媒体通信接入网关之间通过光纤互连组成千兆多环型或环型与链型或星型的任意组合网络;识别卡通过无线网络与矿用多媒体通信接入网关互联。数据服务器模块包括网络管理服务器、人员定位服务器和视频管理平台服务器,网络管理服务器、人员定位服务器和视频管理平台服务器均通过以太网与矿用多媒体通信接入网关连接。
  IP调度台内置有SIP服务器,用以实现VoIP通话;IP调度台通过话音中继接口与公网市话系统或企业内部电话系统互联,从而实现井下人员间、井下到矿区、井下到公网的全面通话。

  井上设备和井下设备均安装有不间断后备电源系统,在停电或断电环境中系统可以正常工作。系