基于Wi-Fi的礦井移動通信系統(tǒng)的研究探討

1 Wi-Fi技術(shù)簡介

Wi-Fi（WirelessFidelity），即無線保真或無線相容性認證，是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)與規(guī)格，也就是IEEE所定義的無線通信標準IEEE802.11。無線局域網(wǎng)是有線局域網(wǎng)的擴展和替換，是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點（AP）、無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實現(xiàn)。IEEE802.11標準發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC層）和物理層。隨后，IEEE又發(fā)布了一些補充協(xié)議，包括物理層的補充協(xié)議IEEE802.lla/b/g和其它一些服務(wù)相關(guān)協(xié)議?？偟膩碚f，Wi-Fi屬于短距離無線技術(shù)，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。Wi-Fi有著“無線版本以太網(wǎng)”的美稱，世界上至少有80%以上的局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，其幾乎可以視為以太網(wǎng)標準在無線領(lǐng)域的延伸。

2 Wi-Fi與相關(guān)技術(shù)比較

目前國內(nèi)外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS（小靈通）通信、3G（大靈通）通信系統(tǒng)等。

漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大、重量重、信道容量小、地面設(shè)備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問題。PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。

WiMAX與Wi-Fi最明顯的區(qū)別是覆蓋范圍存在很大差別，WiMAX通常可以覆蓋3～5km，而且WiMAX的安全系數(shù)更高，但是WiMAX的組網(wǎng)成本要比Wi-Fi大的多。考慮到礦井下的特殊性和經(jīng)濟性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

3 系統(tǒng)需求分析

所要研究設(shè)計的礦井移動通信系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下分站和移動通信終端組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的管理與控制，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進行實時的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由一臺多功能計算機并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成。井下分站為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分并負責多項功能。系統(tǒng)應(yīng)滿足：

（1）在礦井事故前后，地面監(jiān)控系統(tǒng)能得知井下工人所在的位置；

（2）井下工人與地面監(jiān)控系統(tǒng)以及井下工人之間能隨時進行雙向數(shù)據(jù)通信；

（3）地面監(jiān)控系統(tǒng)能隨時、直接與任何井下工人進行雙向數(shù)據(jù)/語音通信；

（4）井下工人之間能進行雙向窄帶語音通信；

（5）井下通信網(wǎng)為由若干個分站組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；

（6）分站能收發(fā)無線電信號，為了有較強的穿透能力，采用適合礦井傳輸?shù)牟ㄩL。

4 方案設(shè)計

系統(tǒng)以光纖有線網(wǎng)絡(luò)為骨干，以無線網(wǎng)絡(luò)為延伸，在井下設(shè)立若干礦用分站，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，利用礦用本安手機（IP終端接入設(shè)備）來實現(xiàn)群呼、組呼等功能，從而實現(xiàn)井上對井下的語音調(diào)度以及井下對井上的數(shù)據(jù)和語音雙向通信。地面通信與監(jiān)測中心的軟件能分析、處理和顯示人員位置、生命狀態(tài)，可實現(xiàn)人員位置和生命狀態(tài)顯示報警和存儲，從而全面實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、調(diào)度通信、應(yīng)急救援、安全監(jiān)控與督察。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為井下設(shè)備和井上設(shè)備，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)拓撲圖

井上設(shè)備包括：地面通信與監(jiān)測中心控制計算機、IP調(diào)度臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器和交換機；井下設(shè)備由井下分站設(shè)備、連接光纜、井下手機、識別卡等組成。