煤炭工程 ２０１０年第９期 浅析煤矿无线通讯新技术 王 鹏 （煤炭科学研究总院安全分院，北京１０００１３） 摘要：煤矿无线通讯技术，目前使用较多的小灵通和ＷＩＦＩ的窄带语音技术已经不能完全 满足煤矿企业对无线通讯系统自动化业务的发展需求。随着煤矿自动化平台业务的扩展，“无线 ＋宽带”已经成为发展的趋势之一，文章主要探讨了有可能适用于煤矿的三种无线通讯技术： Ｍｅｓｈ架构下的ＷＩＦＩ技术、ＷＩＭＡＸ、ＭｃＷｉｌｌ技术，并从协议支持、覆盖范围、天线技术、自适 应调整等方面对三种技术做了深入分析，为煤矿企业实现无线调度、宽带视频、数据传输等自动 化技术的应用，提供技术支持。 关键词：无线通讯；宽带；多跳技术；正交频分复用 中图分类号：ＴＮ９１ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）０９－０１１０－０３ Ｂｒｉｅｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｐｅｎｇ （Ｓａｆｅｔｙ Ｂｒａｎｃｈ，Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔＪ ｃｔ：Ｔｈｅ ＰＨＳ ａｎｄ ＷＩＦＩ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｖｏｉｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ． “ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ＋ ｗｉｄｅｂａｎｄ”ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｃａｍｅ ｏｎ ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｗｉｅｌｅｓｓ ｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ ＷＩｎ．ＷＩＭＡＸ ａｎｄ ＭｃＷｉｌｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ Ｍｅｓｈ．Ａ ｄｅｔａｉｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｃｏｖｅｒａｇｅ ｓｃｏｐｅ，ａｎｔｅｎｎａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｏｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｅｄｄｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｗｉｅｌｒｅｓｓ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ，ｗｉｄｅｂａｎｄ ｖｉｄｅｏ，ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｗｉｄｅｂａｎｄ；ｍｕｌｔｉ ｊｕｍｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉ￣ｅｘｉｎｇ． “无线＋宽带”已经成为通讯技术发展的趋势之一， 多种支持“无线＋宽带”的技术已经逐渐发展成熟起来， 适合煤矿使用特点的无线通讯技术，必将有很好的发展前 途。正在使用的煤矿无线通讯系统，主要是无线语音系统， 但是，仅仅是语音的窄带无线通讯，已经不能满足煤矿对 无线通讯系统的要求，随着煤矿自动化程度的提高，无线 成熟性、可靠性、实用性都比较好。在我国煤矿领域，已 在几百家煤炭生产企业应用，是煤矿企业用的比较多的无 线专网通信系统。它具有语音通话质量好、组网通信规范 严格、移动切换呼通率高、施工维护成本低等优势，但是， 小灵通系统缺少无线宽带数据业务，其使用范围受到一定 的。 调度、宽带视频、数据传输等自动化业务的应用，将是煤 矿无线通讯技术的发展方向 ｌ Ｊ。 ＷＩＦＩ语音技术是基于以太网作为井下移动通信技术实 现方案，技术成熟、标准化、支持多种ＷＩＦＩ数据终端接 人，具有小型、灵活、低价等优势；ＷＩＦＩ技术在煤矿有一 无线通讯在煤矿使用的情况 目前在煤矿使用较多的无线通讯系统主要包括：小灵 通、ＷＩＦＩ语音无线通讯系统，其主要存在着以下利弊： 小灵通技术符合国际电信联盟标准，其技术标准性、 收稿日期：２０１０—０５—２４ 定的市场，但是ＷＩＦＩ目前在煤矿的应用基本都是语音通 讯，同样缺少宽带数据业务，无法成为将来主流的无线通 讯应用系统。 总之，小灵通及ＷＩＦＩ语音技术都不能满足现在煤矿自 作者简介：王鹏（１９７２一），男，Ｉ￣Ｕｔｌ西充人，硕士、工程师，１９９７年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程系通风与安 全工程专业，现任煤炭科学研究总院安全分院副院长，主要从事煤矿安全监控系统方面的研究，先后主持 完成国家“九五”科技攻关、科技部专项基金项目等多项科研项目。 １１Ｏ ２０１０年第９期 煤炭工程 动化的需求，拓展适合煤矿使用的无线通讯业务的技术和 产品已成为必然。 ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ），可实现一点对多点的通 讯，具有ＱｏＳ保障，提供高数据速率和较高的移动性支持， 物理层可支持１．２５～２０ＭＨｚ频段宽带 。 ＷＩＭＡＸ在远距离传输、高速宽带接入及多媒体通信等 方面具有非常突出的优势。目前，ＷＩＭＡＸ在欧美、１３、韩 等国已经进入应用阶段，在中国，中国网通和电信等运营 ２无线通讯新技术 通讯技术的飞速发展，有多种通讯支持“无线＋宽带” 的发展方向，目前有可能应用于煤矿专网的无线通讯系统 的技术有以下几种，分析探讨如下： 商已开始进行ＷＩＭＡＸ的规模测试及试商用，相信不久的将 来也将是煤炭行业的新宠。 ＷＩＭＡＸ支撑技术主要包括正交频分复用（ＯＦＤＭ／ ２．１ ＷｌＦＩ的拓展技术 ＷＩＦＩ在以Ｍｅｓｈ架构的移动通讯，不同于已经广泛使 用的ＷＩＦＩ语音通讯系统，能为移动平台提供ＷＩＦＩ覆盖， 支持中高速移动，允许互联网和企业ＶＰＮ接人。 无线Ｍｅｓｈ网络（无线网状网络）也称为“多跳（ｍｕｌｔｉ— ｈｏｐ）”网络，在无线Ｍｅｓｈ网络中，任何无线设备节点 （Ｎｏｄｅ）都可以同时作为ＡＰ和Ｒｅｐｅａｔｅｒ（中继器），网络中 的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一 个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处 在于：如果最近的ＡＰ由于流量过大而导致拥塞的话，那么 数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进 行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续 路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目 的地为止。这样的访问方式就是多跳访问 Ｊ。 Ｍｅｓｈ系统支持多个无线技术：８０２．１１ａ、８０２．１ｌｂ、 ８０２．１ｌｇ、８０２．１Ｉｎ，通过多无线模块、多射频技术、多无线 信道功能、ＯＷＳ算法等实现从网络中心到边缘的多跳高吞 吐性能，自动调节性能、自动配置和自动修复故障，并且 优化整体性能和可用性。与传统的无线ＡＰ解决方案不同， ＯＷＳ／ＩＷＳ网络节点是不需要使用线缆的以太网交换机，节 点在系统中的职能由节点内的模块组合以及该节点在网络 中的位置决定。 主要有以下几点关键技术： １）ＭＥＳＨ全双工回程。采用两个无线模块进行全双工 的信息回程，提供传输效率、多跳能力，减少带宽损失； 全双工ＭＥＳＨ技术，无线多跳能力很强，每跳的损失不超 过６％。 ２）蜂窝状覆盖。Ｍｅｓｈ网络允许使用多个、分离的扇 区状天线同时向不同的方向发射信号，每个方向都使用不 同的信道。系统内１个ＡＰ设备内有６个无线模块，每个无 线模块支持最高１０８Ｍ的带宽和１２８个用户接人，适合大流 量信息的传输，扩展了网络的业务承载能力。 ３）支持移动传输。采用第二层的Ｍｅｓｈ路由算法，增 强了Ｍｅｓｈ网络的自我组网和性能优化的效率和移动条件下 漫游切换的能力，在移动条件下网络切换时间小于５０ｍｓ， 支持１５０ｋｍ／ｈ内的移动速度。 ２．２ ＷＩＭＡＸ技术 ｗＩＭＡＸ全称Ｗｏｒｌｄ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ （全球微波接入互操作性）是一项基于ＩＥＥＥ ８０２．１６标准的 宽带无线接人城域网技术，ＷＩＭＡＸ也被称为ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＯＦＤＭＡ）技术、自适应天线系统、自适应编码调制技术、 快速资源调度技术等。 １）ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡ技术。ＷＩＭＡＸ支持单载波和 ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡ物理层结构，ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡ具有抗衰落、 频谱效率高（码速率最高可达１００ＭＨｚ）的优势。ＯＦＤＭＡ的 分配机制非常灵活，可根据用户业务量的大小动态分配子 载波的数量，并且在不同的子载波上使用不同的调制制式 及发射功率，达到很高的频谱利用率。 ２）链路自适应技术。除了以ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡ及多天线 为代表的先进物理层技术，ＷＩＭＡＸ采用自动重传请求 （ＡＲＱ）和混合自动重传请求（ＨＡＲＱ）机制来快速应答和重 传纠错；采用了自动功率控制技术来降低信道间干扰；采 用了自适应调制编码技术来提高传输速率。 ３）面向连接的ＭＡＣ层协议及ＱｏＳ服务。Ｗ／ＭＡＸ采用 时分多址方式，可以是ＴＤＤ模式或ＦＤＤ模式，ＷＩＭＡＸ系 统定义了业务流的服务质量参数集，提供面向链接的ＱｏＳ 保障。ＷＩＭＡＸ支持固定速率、实时可变比特率（ＶＢＲ）、非 实时可变比特率、尽力而为四种业务类型，这种差异化服 务可以很好的提供ＱｏＳ服务 Ｊ。 ２．３ ＭｃＷｉＵ技术 多载波无线信息本地环（ＭｃＷｉｌｌ，Ｍｕｌｔｉ—Ｃａｒｒｉｅｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｌｏｃａｌ Ｌｏｏｐ），是我国自主开发的宽带无 线接入技术。ＭｃＷｉｌｌ技术源于同步码分多址（ＳＣＤＭＡ）技 术，是在ＳＣＤＭＡ技术基础上的演进和革新。 ＭｅＷｉｌｌ系统属于窄带ＳＣＤＭＡ技术体系，主要侧重于 语音通信，同时兼顾数据业务，定位于高速移动无线接人 系统，支持１２０ｋｍ／ｈ的终端移动速度和漫游、切换等功能， 同时支持高速数据业务和高效语音业务。 ＭｃＷｉｌｌ系统是基于ＩＰ分组交换的宽带无线系统，采用 宏蜂窝网络结构，覆盖半径可达１０—５０ｋｍ，典型覆盖半径 １～３ｋｍ，可以实现非视距传输。传输速率上，５ＭＨｚ的信道 带宽下，系统的基站净荷吞吐量可达１５Ｍｂｉｔ／ｓ，终端最大 峰值数据速率为５Ｍｂｉｔ／ｓ。 ＭｃＷｉｌｌ宽带多媒体集群系统，关键技术包括智能天线、 ＣＳ—ＯＦＤＭＡ、自适应调制、动态信道分配、先建后拆的切 换、ＳＤＭＡ和ＭＩＭＯ、宽带共网集群等。 １）覆盖范围及信道。ＭｃＷｉｌｌ采用宏蜂窝组网技术的宽 带无线系统，采用８单元智能天线，下行链路预算１８ｄＢ， １１】 煤炭工程 ２０１０年第９期 上行链路预算９ｄＢ。ＭｃＷｉｌｌ的信令协议针对智能天线的特 性，将接人信道和业务信道设计在同一时隙，可以通过调 如果把整个网络分为广域网和局域网，广域网部分采 用ＭＣＷＩＬＬ的技术，也就是基站到核心网部分。因为 整两信道的功率使接入信道和业务信道的链路预算最大化。 ２）宽窄带业务融合。宽带数据业务和窄带语音业务能 ＭＣＷＩＬＬ在无线覆盖、同频组网、宽窄带业务融合方面还 是比较成功的，局域网采用ＷＷＩ的组网方案来解决，相当 于现在的有线宽带中的路由器一样，但不同的是，ＷＩＦＩ的 力的融合，实现无线覆盖能力与无线信道资源占用效率的 有效利用。ＣＳ—ＯＦＤＭＡ空口技术可以提供３００个并发信 道，降低了无线资源分配的颗粒度，从而使窄带语音业务 占用无线资源的效率达到最优。 ３）网络架构。采用全ＩＰ扁平网络架构，数据业务通 移动性能和无线传输性能是最大的优势。 ３．３ ＷＩＦＩ与ＷＩＭＡＸ ＷＩＦＩ、ＷＩＭＡＸ标准的发展方向：带宽更大、安全性更 高、兼容性更好。ＷＩＦＩ与ＷＩＭＡＸ在高速无线数据通信领 过基站之间的二层隧道协议实现移动性管理；语音业务利 用业务汇聚网关（ＳＡＧ）实现移动性管理并与ＮＧＮ软交换核 心网对接。 ３ 同类技术的分析比较 ３．１ ＭｃＷｉｌｌ和ＷＩＭＡＸ ＷＩＭＡＸ和ＭｃＷｉｌｌ既有很多相似点，又存在差异，主 要对两种接入技术的物理层和媒质访问层进行分析与比较。 １）频率和调制技术。ＷＩＭＡＸ使用１０～６６ＧＨｚ的许可频 段和小于１１ ＧＨｚ的许可与免许可频段，支持小于６ＧＨｚ许可 频段的移动接入。ＭｃＷｉｌｌ目前只使用有许可证的４００ＭＨｚ、 １．８ＧＨｚ、３．３ＧＨｚ频段，支持１—２０ＭＨｚ的信道带宽 。 ２）双工方式。ＷＩＭＡＸ在许可频段采用ＴＤＤ、ＦＤＤ或者 ＨＦＤＤ的双工方式，支持２—２０ｍｓ的帧长设计。而对于 ＭｃＷｉｌｌ系统，则只设计采用ＴＤＤ双工模式，帧长同定为 ｌＯｉｎｓ，且包含８个时隙，上下行时隙个数的比例可调，支持 １：７、２：６、３：５、４：４、５：３、６：２、７：１模式的上下行比例。 ３）调制与编码。ＷＩＭＡＸ支持ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、 ６４ＱＡＭ的调制方式，而ＭｃＷｉｌｌ则支持ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、 １６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ的调制方式，两者都支持卷积码、Ｔｕｒｂｏ 码、ＬＤＰＣ等信道编码方式，以及都支持自适应调制与编码 （ＡＭＣ）和混合自动重传请求（ＨＡＲＱ）等链路自适应技术。 ４）空问处理技术。ＷＩＭＡＸ和ＭｃＷｉｌ！的物理层都支持 自适应天线系统（ＡＡＳ）、多入多出（ＭＩＭＯ）等多天线技术， 但ＷＩＭＡＸ采用动态频率选择技术（ＤＦＳ）来减小频率间干 扰，而ＭｃＷｉｎ则采用空间零陷和动态信道分配等来增强智 能天线的抗干扰能力，并且这些处理算法可以完全通过软 件无线电来实现。 ３．２ ＭｃＷｉｌｌ与ＷＩＦＩ ＷＩＦＩ与ＭｃＷｉｌ１分别作为无线局域网（ＷＬＡＮ）技术和无 线城域网（ＷＭＡＮ）技术，在集群调度、覆盖范围、移动性 支持、ＱｏＳ／ＧｏＳ、以及安全性等方面具有差异。 ＭＣＷＩＬＬ和ＷＩＦＩ技术在无线宽带领域有各自的优势， 从技术上讲，可以把ＭＣＷＩＬＬ看成是ＴＤ的分支，因为在中 国研发ＴＤ的同时，ＭＣＷＩＬＬ也在进行实验和改进。通过智 能天线、ＯＦＤＭ等技术在ＭＣＷＩＬＬ中的融合，ＭＣＷＩＬＬ已 经成为使用频率资源少的高速度无线宽带技术，最高上行 可达４０Ｍ。 １】２ 域都将扮演重要角色，ＷＩＦＩ、ＷＩＭＡＸ是互补的，在局部会 有部分融合，但要相互取代不太可能完成 。 从应用的角度来看，Ｗｉ—Ｆｉ与ＷＩＭＡＸ最大区别即在 于覆盖范围的不同，两者面向不同的应用类型。Ｗｉ—Ｆｉ的 信号覆盖范围最多只能达到３００—５００ｍ，因此只适合在无 线局域网的环境下使用，而ＷＩＭＡＸ ８０２．１６ｅ的信号覆盖范 围可达到３～５ｋｉｎ，适应于不同的煤矿专网环境。 就目前煤矿的实用情况来看来说，Ｗｉ—Ｆｉ的应用比 ＷＩＭＡＸ更加普及，这是因为ＷＩＦＩ的标准已经比较成熟， 其主要应用于无线局域网，ＷＩＭＡＸ可以作为ＤＳＬ、Ｃａｂｅｌ 的无线补充方式，解决宽带接人的问题。但是随着无线通 讯技术的发展，ＷＩＭＡＸ的发展势头将会越来越大 。 ４结论 通过以上的探讨说明，小灵通、ＷＩＦＩ语音技术等还将 长期适用于煤矿的无线语音通讯系统，Ｍｅｓｈ架构下的ＷＩＦＩ 技术，由于组网方便、且与现有的ＷＩＦＩ语音技术协议相 同，会在宽带视频等方面有一定的优势，但是，对较大的 煤业集团，ＷＩＭＡＸ及ＭｃＷｉｌｌ的覆盖范围更能满足需求， 总之，这几种通讯技术可能成为未来几年煤矿企业无线通 讯的支撑技术。 参考文献： ［１］ Ｒ Ａ．Ｈｏｒｎ ａｎｄ Ｃ．Ａ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，ＭａｔｒｉｘＡｎａｌｙｓｉｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉ— ｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｅｎｇｌａｎｄ，１９９８，２８—６５． ［２］ （印）米施亚，蜂窝网络高级规划与优化２Ｇ／２．５８Ｇ／３Ｇ／… 向４Ｇ的演进［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［３］ Ｂ．Ｖａｒａｄａｒａｊａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｂａｒｒｙ，Ｔｈｅ ｏｕｔａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ 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