矿用无线通信技术比较概况

二号煤矿无线通信现状及三种矿用无线通信技术比较

信息化办公室

2012/9

目录

1.PHS无线通讯系统（小灵通） (3)

2.WIFI无线通讯系统 (4)

3.TD-SCDMA无线通讯技术 (7)

4.矿用无线通信系统性能分析 (12)

5.小结： (13)

目前二号矿使用的矿用无线通信技术为PHS（俗称小灵通），从2007年底开始已经使用四年多了，随着大巷的开拓及延伸，原有的系统已不能满足现有安全生产及管理的功能需求。如若要满足现在井下辅助通信需求，目前唯一的办法就是对该系统进行改造升级，如果要对我矿现有系统改造升级，目前井下所有的基站需更换，主通信线缆及机房内核心设备通信基站控制器需重新更换，其升级系统花费和新上一套通信系统花费基本不相上下。

但是目前市场上矿用无线通信技术有三种：PHS无线通讯系统（小灵通）、WIFI无线通讯系统、3G无线通讯系统（TD-SCDMA）。以下是针对这些技术在煤矿中的使用情况所逐一进行分析。

1. PHS无线通讯系统（小灵通）

小灵通(PHS)无线市话技术源自日本，它使传统意义上的固定电话不再固定在某个位置，可在无线网络覆盖范围内自由移动使用，随时随地接听、拨打本地和国内、国际电话。它采用微蜂窝技术，通过微蜂窝基站实现无线覆盖，将用户端（即无线市话手机）以无线的方式接入本地电话网，是固定电话的有效延伸和补充。被称为“固话的补充和发展”。以小灵通为代表的无线市话，在解决一定时期的应用是很好的选择。

2009年2月，政府主管部门已明确要求所有1900-1920MHz频段

无线接入系统应在2011年底前完成清频退网工作，以确保不对1880-1900MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。这意味着，小灵通将要在今年年内彻底退网。目前所有生产厂家都停止生产，设备及板件无法买到，对今后维护及故障处理造成最大困难。

2. WIFI无线通讯系统

所谓WiFi，是由一个名为“无线以太网相容联盟”的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它是一种短程无线传输技术，能够在一百米左右范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作WiFi。

（1）通话质量

WiFi技术主要采用的语音编码技术有ITU-T定义的G.729、G.711

等，G.729的工作范围是6.4kbit/s～11.8kbit/s，语音质量也在此范围内有一定的变化，G.711的通话效果好，但占用带宽较大，减小了系统的容量。WiFi传输带宽随环境动态变化，带宽越小，时延越大，因此通话质量无法保障。加上没有严格的同步机制，又加大了时延。

而TD-SCDMA技术采用了AMR（Adaptive Multi-Rate，自适应多速率）语音编码方式，自适应的基本概念是以更加智能的方式解决信源和信道编码的速率分配问题，使得无线资源的配置和利用更加灵活和高效，在信道很差的时候采用速率比较低的编码器，这样就能分配给信道编码更多的比特数来实现纠错，实现更可靠的差错控制，从而有效地抑制错误发生，提高话音质量，增强抗信道误差的能力，传输时延小。

（2）切换机制

由于IEEE802.11网络自身的不足，在AP间跨区切换方面没有很好的支持。现代WiFi网络的AP虽然密度很高，但每个AP覆盖的范围有限。按正常速度行走，每几秒钟就可能发生一次漫游，每次漫游都可能会出现突发丢包的现象，而且手机只能在本基站下通讯，手机跨基站移动通话会导致掉线，严重影响通信质量。

而TD-SCDMA的关键技术之一就是接力切换技术，能很好的支持小区间切换、基站间切换以及与其他网络的切换。

（3）信息安全与抗干扰性

802.11i协议本身提供了强大的安全措施。但在语音部署上由于

漫游切换效率考虑以及Wifi手机本身支持能力有限，只能考虑简单的接入认证和加密方式。Wifi工作在ISM国际开放频段2.4GHz的频段上，网络易受到攻击，信息很容易被窃取。在这个频段上信号混杂且交叉干扰大，传输带宽随环境动态变化，语音通话有异步滞后感。频繁的信号干扰可能导致服务质量的快速下降。而且这个频段上只有3个不重叠的信道，所以没有很好的办法来解决干扰问题。

（4）发射功率和待机时间

Wifi接入点和Wifi终端设备的发射功率都在100mW左右。即使在使用更低的发送功率也能完全满足要求的情况下，这个发射功率也不会有任何的变化。由于处于相同的发送功率，Wifi终端之间的干扰问题会很严重，距离接入点较近的终端会对较远的终端产生很大的干扰，并且会很快的消耗Wifi终端的电量，导致wifi终端的待机时间很短。

在TD-SCDMA网络中，采用了自适应功率调整技术，包括开环、闭环和外环三种功率控制技术。开环功率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。闭环功率控制可较好地解决因上、下行信道电波功率的不对称性而精确性难以保证的问题。外环功率控制技术是通过对接收误帧率的计算, 确定闭环功率控制所需的信干比门限。正是由于这些精确的功率控制，使得终端和基站都会根据环境不断的调整发射功率，由此来降低不同用户之间的干扰，也减小了终端的耗电量，提高了待机时间。

TD_SCDMA工作电流仅为100MA左右，待机电流为5MA左右，远

低于WIFI。

（5）覆盖距离

无线链路预算是移动通信无线网络覆盖分析最重要的手段之一，主要工作是在保证通话质量的前提下，确定基站和终端之间的无线链路所能允许的最大路径损耗，进而确定无线网络能够覆盖的区域。核心问题就在于接收机灵敏度，由于WIFI本身的技术限制-80dbm就是其覆盖极限了，而TD-SCDMA系统可以做到-110dbm，使覆盖距离扩展4倍以上。Wifi的覆盖距离一般最大只有200-300米。

3. TD-SCDMA无线通讯技术

TD-SCDMA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，它得到了CWTS及3GPP的全面支持。TD-SCDMA是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA 通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。

1)频谱效率高

TD-SCDMA系统综合采用了联合检测、智能天线和上行同步等先进技术，系统内的多址和多径干扰得到了极大缓解，从而有效地提高了频谱利用率，进而提高了整个系统的容量。

2)系统性能容量高，业务质量好

TD-SCDMA系统中，单载波支持23个语音用户，性能容量远超过PHS以及WIFI等系统。并且在语音编码上采用最先进的AMR编码方式，确保语音清晰，比WIFI的VOIP方式的语音有更好的QOS保证，

3)不存在呼吸效应及软切换

用户数的增加使覆盖半径收缩的现象称之为呼吸效应。CDMA系统是一个自干扰系统，当用户数显著增加时，用户产生的自干扰呈指数级增加，因此呼吸效应是一般CDMA系统的天生缺陷。

呼吸效应的另一个表现形式是每种业务用户数的变化都会导致所有业务的覆盖半径发生变化，这会给网络规划和网络优化带来很大的麻烦。TD-SCDMA是一个集CDMA、FDMA、TDMA于一身的系统，它通过低带宽FDMA和TDMA来抑制系统的主要干扰，使产生呼吸效应的因素显著降低；其他系统的语音业务与数据业务覆盖半径不一致，导致矿井下确保语音与数据业务共覆盖时需要更多的基站。

4)组网灵活、频谱利用灵活、频率资源丰富

TD-SCDMA系统采用时分双工模式，它的一个载波只需占用1.6MHz的带宽就可以提供速率达2Mbps的3G业务，对于频率分配的要求简单和灵活了许多。TDD双工的方式，保证了网络的配置及维护简单，在煤矿通信系统中只需要规划一个频率。

5)灵活高效承载非对称数据业务

TDD技术的采用是TD-SCDMA系统与其他两大3G主流标准FDD系统的根本区别。TD-SCDMA系统子帧中上下行链路的转换点是可以灵活设置的，根据不同承载业务分别在上下行链路上数据量的分布，上下行资源可以有从3∶3的对称分配到1∶5的非对称分配调整。在未来3G多样化的业务应用中，非对称的数据业务会占有越来越多的比例，大部分业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量不对称。FDD系统由于其固定的上下行频率的对称占用，在承载非对称业务时会造成对频谱资源的浪费。而TD-SCDMA系统可以通过配置切换点位置，灵活地调度系统上下行资源，使得系统资源利用率最大化。因此TD-SCDMA系统更加适合未来的3G非对称数据业务和互联网业务方面。

6)可为实现感知矿山提供强力保障与支撑

TD-SCDMA是宽窄带业务一体化的系统，其强大的数据提供能力可为感知矿山的信息传输提供方便的通道，打造感知矿山的业务平台。

7)确保煤炭无线通信专网长期先进性

TD-SCDMA煤炭无线通信系统网络设备起源于公网，公网先进的技术升级可方便的移值到煤炭通信系统中，确保煤炭无线通信系统技术的先进性，不会造成类似小灵通的技术无法升级以及WIFI的无法演进。

8)产业链丰富，确保客户投资

TD-SCDMA煤炭无线通信系统网络设备起源于公网，具有很强的公网基础，是大众技术而非小众技术，在网络设备以及终端设备上均有强大的产业链支持，特别的目前的TD-SCDMA终端有数百种，而且随着在公网的应用，会逐渐增加，确保不会出现产业链断链，可有效保护客户投资。

9)使用专属频段

使用国家专门划分的频段，在井下使用不会与别的无线系统产生干扰。

10)与公网无缝链接

提供接入移动公网的接口，可以接入移动公网，实现井下与全球任一部电话语音、视频通话。

11)覆盖能力强

专门为井下巷道环境设计的拉远型基站，保证井下无线覆盖良好。

12)系统容量大

每一个井下信号点均是独立基站，单载波支持23个用户，业务速率2.8M。并且可根据实际情况扩展。

13)抗干扰能力强

井下每个点均是独立基站，干扰不会扩散，系统抗干扰能力强。

14)安全性高

井下设备本安型设计，采用光纤拉远性技术，不涉及电信号，

安全可靠。

4. 矿用无线通信系统性能分析各矿用无线通信系统性能分析如表一所示。

5. 小结及建议：

1)小灵通通信技术，产业链已经断链，后续升级维护困难；

2)WIFI虽可实现语音功能，但实际使用手机经常掉线，无线信号在井下衰减太快，覆盖范围很小，不能满足煤矿对于无线通讯的需求，且产业链薄弱，终端设备类型非常有限，只适用于数据业务的传输；

3)TD-SCDMA网络，除能解决语音通信功能外，还可提供数据和图像传输功能；为煤矿专门设计的井下拉远型基站，充分考虑井下生产工作环境，覆盖好，语音质量好，抗干扰性强；具有业务丰富、高安全性、高可靠性、技术先进等特点，是完善、先进、统一的综合信息系统解决方案，完全符合煤矿特殊作业环境对通信的需求，是大中型煤矿企业首选的矿井无线通信解决方案;

4)综合对比几种产品的特点和考虑一定的前瞻性以及产业链的的支撑。我矿建议使用依托于公网技术的3G(中国移动的

TD-SCDMA)技术来替代我们目前的小灵通系统。据了解神东公司大柳塔矿等大型煤矿已经开始推广使用该系统，并且对该系统的评价都比较好。