TDSCDMA與Femtocell用于礦井通信的對比分析

1、TD-SCDMA與Femtocell用于礦井通信的比照分析摘要：文章針對煤炭行業(yè)信息化的開展需求和特點，結(jié)合TD-SCDMA和Femtocell的技術(shù)特點，對基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)和基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，說明了各自的特點，并對其在礦井中的適用性做了比照。比照結(jié)果說明：基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)在技術(shù)和實現(xiàn)上具有很多缺乏，而大唐移動提出的基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)從規(guī)劃到實施具有較高的可行性，完全符合煤礦特殊作業(yè)環(huán)境對通信的需求，是廣闊煤礦企業(yè)首選的礦井無線通信解決方案。關(guān)鍵詞：通信；TD-SCDMA；Femtocell；礦井1 引言

2、隨著移動通信技術(shù)迅猛開展，3G已經(jīng)在中國大規(guī)模建網(wǎng)并投入商用，可以說公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速開展為廣闊人民的生活與工作帶來了全新的體驗與極大的便利。但是相比公網(wǎng)而言，行業(yè)領(lǐng)域的移動專網(wǎng)水平已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有行業(yè)應(yīng)用的開展需要，因此盡快在行業(yè)應(yīng)用中引入先進的通信技術(shù)，特別是擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)顯得日益迫切。近年來，隨著石油資源的緊張、石油價格的飚升，煤炭行業(yè)的重要性和不可替代性也日益凸現(xiàn)。眾所周知，我國是一個煤炭大國，已探明煤炭存儲量居世界第三，煤炭開采量居世界第一，但是，我國同時也是礦難大國，礦難死亡人數(shù)高居各類行業(yè)平安事故之首，國家平安生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布，2022年全國煤礦事故發(fā)生140

3、3起，死亡2433人，嚴峻的平安生產(chǎn)形勢已經(jīng)迫使煤炭企業(yè)開始在國家政策的強力支持下尋求煤礦平安生產(chǎn)信息化的解決方案和產(chǎn)品，國家也通過各種政策強制煤炭生產(chǎn)必須走工業(yè)化、信息化結(jié)合的道路。2基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)2.1 FemtocellFemtocell又可稱為毫微微小區(qū)、家庭基站，是近年來根據(jù)3G開展和移動寬帶化趨勢推出的低功率、超小型化移動基站。它具有1個載波，發(fā)射功率為10100 mW，覆蓋半徑為50200 m，支持46個活動用戶最多可支持16個用戶，允許的最大用戶運動速度為10 km/h。在地面應(yīng)用中，F(xiàn)emtocell使用IP協(xié)議，通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶

4、電路連接，遠端由專用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動網(wǎng)的聯(lián)通，可為用戶提供語音及數(shù)據(jù)通信效勞。Femtocell的大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點，是蜂窩網(wǎng)絡(luò)解決室內(nèi)覆蓋問題的一個重要手段。目前，F(xiàn)emtocell有適用于CDMA、GSM、UMTS的各種標準和支持2G、2.5G、3G的產(chǎn)品，其制式、頻段與運營商現(xiàn)有基站相同， 等移動終端可以與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)通用。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最初Femtocell是被設(shè)計為應(yīng)用在家庭環(huán)境中的消費電子產(chǎn)品，隨著對Femtocell技術(shù)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)Femtocell的潛力不僅僅是只在家中使用。由于它的大小與ADSL調(diào)

5、制解調(diào)器相似，發(fā)射功率小，具有安裝方便、自動配置、即插即用等特點，人們開始考慮將它應(yīng)用在煤炭、石油等行業(yè)領(lǐng)域，并提出了基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)?；贔emtocell的礦用CDMA無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1 基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Wireless Communication System Structure of Mine WCDMA based on Femtocell基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統(tǒng)采用現(xiàn)有的IP傳輸，F(xiàn)emtocell通過工業(yè)以太網(wǎng)與地面主系統(tǒng)相連，井下通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可采用標準的Femto

6、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)井下、井上通信的結(jié)合，傳輸使用礦區(qū)已經(jīng)部署的井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。Femtocell包含了Node B即移動基站，一般由控制子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、中頻/基帶子系統(tǒng)、天饋子系統(tǒng)等局部組成和RNC的功能，它通過Uu接口與UE通信；同時通過Iuh接口經(jīng)礦區(qū)寬帶承載網(wǎng)與Femtocell網(wǎng)關(guān)相連，然后通過Iu接口連接到核心網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)包括移動交換中心MSC和用戶歸屬位置存放器HLR等,其主要作用是整個呼叫信令控制和承載建立)，核心網(wǎng)絡(luò)采用的是現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)。2.3系統(tǒng)分析無線干擾問題與傳統(tǒng)基站相比，F(xiàn)emtocell具有1個載波，發(fā)射功率為10100 mW，覆蓋半徑也相應(yīng)較小，一般為502

7、00m，最多可支持46個活動用戶，因此，在井下Femtocell的部署數(shù)量不是一個小數(shù)目，尤其是在井下人員較多的大中型煤礦。需要注意的是，無線頻譜是有限的，當使用Femtocell的數(shù)量比擬多之后，網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度會隨著增加，F(xiàn)emtocell之間的信號干擾就有可能變大，如何降低相互之間的無線干擾是需要繼續(xù)探討的問題。同步問題同步問題也是基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)不可忽略和防止的問題，尤其是在國內(nèi)環(huán)境下，F(xiàn)emtocell同步是一個挑戰(zhàn)，目前Femtocell和網(wǎng)絡(luò)的同步主要是用GPS同步，在很多場景下沒有方法獲得足夠多的GPS信號。在國內(nèi)，礦井的平均深度超過300米，最大井深超

8、過1000米，在礦井中，幾乎不可能獲得GPS信號，基于此，必須要尋求不依賴于GPS的替代方式，F(xiàn)emtocell才能夠真正實現(xiàn)用戶安裝即插即用。切換問題目前Femtocell還無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選，在 進入Femtocell區(qū)域時無法切換進去，出來時又無法切換到宏網(wǎng)絡(luò)。Femtocell用在礦井中，連續(xù)大面積覆蓋的情況下需要用多個Femtocell進行覆蓋，這時候需要考慮 從Femtocell到Femtocell之間的切換。由于Femtocell的容量很有限，尤其是在大中型煤礦企業(yè)這樣的大面積連續(xù)覆蓋場景下，所需要的Femtocell的數(shù)量不是一個小數(shù)目，而且一個Femtocell的覆蓋半徑只有5

9、0200m，在通話或做其他業(yè)務(wù)時，很容易從一個Femtocell的覆蓋區(qū)域進入另一個Femtocell的覆蓋區(qū)域，這種Femtocell之間的頻繁切換也會帶來通話質(zhì)量以及穩(wěn)定性等方面的問題。Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的平安問題使用過WIFI的用戶都有這樣的體驗，如果不設(shè)置任何密碼，WIFI連接很容易被其他人盜用。當一個用戶在家里通過WIFI路由器上網(wǎng)，樓上的鄰居也可以毫無阻礙的使用這個WIFI連接上網(wǎng)。和WIFI一樣，F(xiàn)emtocell也存在信號泄露的問題，因此Femtocell必須保證未授權(quán)的用戶無法使用Femtocell的信號進行業(yè)務(wù)。擁有Femtocell的用戶等于擁有了一個可以連接到運

10、營商核心網(wǎng)的設(shè)備，這在過去是不可能的，F(xiàn)emtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須保證用戶無法利用Femtocell作為攻擊運營商核心網(wǎng)的工具。Femtocell終端尚未得到工信部認可和銷售許可發(fā)放Femtocell在中國實現(xiàn)大規(guī)模商用還存在著眾多很嚴重的問題，因為Femtocell終端尚未得到工信部認可和銷售許可發(fā)放，從國外引進Femtocell就只能是以實驗為名進口，但這樣一次最多就能購置500臺，而且即使測試成功也沒方法賣給消費者，這也是運營商布局Femtocell所面臨的重要問題。Femtocell的3GPP標準架構(gòu)確實定滯后于各個廠商的產(chǎn)品實現(xiàn)。也就是說各個廠商的產(chǎn)品在標準標準出現(xiàn)之前就已經(jīng)趨于成

11、熟了，因此，其中的很多接口是基于私有的協(xié)議。目前正式商用Femtocell的運營商也沒有部署基于標準的Iuh接口，政府相關(guān)部門也沒有指定行業(yè)標準的測試標準，測試驗證工作也不夠深入。因此，基于Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標準化工作還有待進一步提升。Femtocell產(chǎn)業(yè)鏈薄弱，限制應(yīng)用市場開展從目前市場上來看，除了運營商提及的少數(shù)的幾個效勞，以及設(shè)備供給商提供的一些基站產(chǎn)品外，很少能看到如WIFI產(chǎn)業(yè)鏈中那么全面的產(chǎn)品，而過于單一的產(chǎn)品線也將導(dǎo)致用戶對Femtocell技術(shù)的熱情有所降低。更重要的是，由于產(chǎn)品的缺乏，直接導(dǎo)致了應(yīng)用市場的停滯不前，運營商的業(yè)務(wù)難以得到更好的推廣，更別提商業(yè)模式能有

12、所創(chuàng)新了。3 基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)解決方案煤炭等國家敏感行業(yè)對通信的平安性、保密性、可靠性決定了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA在煤炭行業(yè)應(yīng)用時得天獨厚的生命力！TD-SCDMA技術(shù)應(yīng)用于煤炭行業(yè)，一方面可以煤炭行業(yè)的建設(shè)及開展保駕護航，也可進一步增強TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的實力，促進TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)領(lǐng)域的開展，還可進一步提升TD-SCDMA的技術(shù)價值，為今后TDD系統(tǒng)的開展，TD-SCDMA向國外的拓展奠定更加堅實的根底！是對黨中央提出的“通過技術(shù)創(chuàng)新開展經(jīng)濟的具體踐行。3.1 方案總體架構(gòu)憑借TD-SCDMA領(lǐng)域的核心優(yōu)勢，大唐移動積極探索TD在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，

13、率先開發(fā)出適用于煤炭、油田、核電、風電、人防、特通等多個行業(yè)信息化應(yīng)用的小型化TD-SCDMA企業(yè)專網(wǎng)系統(tǒng)TDeNTD-SCDMA Enterprise Network，TD-SCDMA企業(yè)專網(wǎng)，該系統(tǒng)可充分滿足行業(yè)用戶的生產(chǎn)與生活需要，深度推進工業(yè)化與信息化的相互融合，TDeN具有綜合性業(yè)務(wù)通信網(wǎng)、組網(wǎng)靈活，業(yè)務(wù)擴展能力強、多點互聯(lián)和自由漫游能力、適應(yīng)多種企業(yè)運行環(huán)境并具有良好的兼容性以及高可靠性和高平安性的特點。該方案的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2 TD-SCDMA專網(wǎng)拓撲圖Fig 2  TD-SCDMA Enterprise Network Topology3.2 方案特性系統(tǒng)主設(shè)

14、備說明TDR100：綜合接入控制設(shè)備，主要完成用戶業(yè)務(wù)的接入與綜合處理；TDR100采用小型化的設(shè)計原那么，將基站控制器、基帶處理局部、分組業(yè)務(wù)核心網(wǎng)功能進行整合，更適用于企業(yè)用戶的需要，減少了設(shè)備的建網(wǎng)本錢。TDS100：交換調(diào)度機，主要集成了TD-SCDMA公網(wǎng)中核心網(wǎng)CS域的MSC server的功能，同時具有交換和調(diào)度的功能，最大支持5000用戶。TDU100：井下本安型基站，主要完成井下網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。TDU100使用本安型電路設(shè)計，具備防爆、低功耗、低熱量、高可靠性的特性。TDU200：井上室內(nèi)型基站，用于井上室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提供穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；最大拉遠距離40km，具備高效率、結(jié)

15、構(gòu)緊湊的特性。TDU300：井上礦用基站，主要完成地面室外網(wǎng)絡(luò)覆蓋；TDU300利用光纖拉遠的應(yīng)用優(yōu)勢，充分考慮了用戶在業(yè)務(wù)、容量、覆蓋、傳輸、電源、安裝、維護等方面的需求，采用一體化的設(shè)計，集成度高，并可實現(xiàn)遠端獨立覆蓋，從而節(jié)省了站址資源。系統(tǒng)性能支持的CS話務(wù)量：80Erl；支持的PS吞吐量：24M；井下支持12載波，支持2000個語音用戶；井下可連接144個TDU100；井下基站為本安型設(shè)計；井下設(shè)備全部采用光纜連接，不涉及任何電信號，平安可靠，不會有打火的危險。該系統(tǒng)支持12.2K實時語音業(yè)務(wù)，支持HSDPA/HSUPA，可通過調(diào)度臺同時解決煤礦井上、井下的通信問題，到達縱向調(diào)度靈活

16、可靠，礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無阻，不僅能滿足日常平安生產(chǎn)的通信需要，而且能夠保證在自然災(zāi)害和礦井事故發(fā)生時進行應(yīng)急指揮通信。該專網(wǎng)系統(tǒng)可大可小，根據(jù)不同的場景需求可靈活進行定制，適用于小型煤礦、大中型煤礦以及多礦等煤礦企業(yè)。3.3 方案分析基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)是大唐移動專門針對煤炭通信環(huán)境設(shè)計開發(fā)的移動專網(wǎng)通信系統(tǒng)，具有如下特色：技術(shù)的先進性TD采用的是時分雙工的接入方式，是擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G國際通信標準，是獲得國際電信聯(lián)盟ITU批準的主流標準。TD-SCDMA提供了先進、主流的通信技術(shù)，其高話質(zhì)、高帶寬數(shù)據(jù)能力、優(yōu)良的無線特性，使得礦用通信與調(diào)度系統(tǒng)更加完善。與公網(wǎng)技術(shù)同源中

17、國移動網(wǎng)絡(luò)的充分驗證和錘煉，確保系統(tǒng)性能充分穩(wěn)定，到達電信運營級標準；同源技術(shù)，使得煤炭專網(wǎng)搭載中國移動公網(wǎng)，得到長期優(yōu)化和開展；與公網(wǎng)同步，使得TD-SCDMA產(chǎn)品能夠成為真正意義上的群眾產(chǎn)品，本錢大大降低，可為專網(wǎng)用戶提供價廉物優(yōu)的設(shè)備。強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟從終端芯片到主設(shè)備，從儀器儀表到業(yè)務(wù)應(yīng)用，TD擁有強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟后盾；而大唐也是國資委直接管轄下的優(yōu)勢品牌，可確?？蛻舻耐顿Y得到長期保障，專網(wǎng)后續(xù)的開展與技術(shù)演進可獲得強力支持。綜合性業(yè)務(wù)通信網(wǎng)TDeN支持豐富的業(yè)務(wù)類型：高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)、多方通話、可視 、點對點短信、短信群發(fā)、數(shù)字集群調(diào)度、視頻監(jiān)控、可與公網(wǎng)互連互通、有線和無線 可統(tǒng)一調(diào)度

18、以及其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。組網(wǎng)靈活，業(yè)務(wù)拓展能力強頻譜利用率高，覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與維護簡單；設(shè)備小型化，采用3G網(wǎng)絡(luò)部署主流方案光纖拉遠分布式基站技術(shù)，專網(wǎng)系統(tǒng)可大可小，根據(jù)不同的場景需求可靈活進行定制，組網(wǎng)靈活；開放的系統(tǒng)平臺提供免費的上層應(yīng)用接口，便于業(yè)務(wù)擴展。高可靠性和高平安性井下設(shè)備無需電源的光纖信號傳輸方式，帶寬高、距離遠、造價低、更平安、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加靈活、便捷；依從國際一流通信標準，擁有高可靠性和平安性，井下設(shè)備基站完全符合煤炭行業(yè)的本質(zhì)平安標準，進一步滿足煤炭平安生產(chǎn)的特殊要求，專網(wǎng)產(chǎn)品采用熱備份或負荷分擔等冗余設(shè)計方式，確保到達電信級設(shè)備的要求。4 比照分析以下將從井下無線通信系統(tǒng)

19、的幾個關(guān)注點對兩種系統(tǒng)方案進行比照分析：電氣防爆：基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)的井下設(shè)備基站完全符合煤炭行業(yè)的本質(zhì)平安標準，滿足煤炭平安生產(chǎn)的特殊要求；而基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)并不能保證井下設(shè)備的電氣防爆性能，平安性還有待于進一步提升。發(fā)射功率：兩種方案井下設(shè)備的發(fā)射功率都較小，以到達本質(zhì)平安防爆要求。設(shè)備小型化：TDR100體積小、重量輕，可方便地安裝在建筑物的室內(nèi)墻體上、19寸標準機柜內(nèi)，可直接安裝于室內(nèi)環(huán)境實現(xiàn)低本錢快速部署；而Femtocell需要安裝在井下，雖然能實現(xiàn)小型化，但安裝數(shù)量較多?？垢蓴_能力強：基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)中TDU100雙向覆蓋，覆蓋距離500米，TDU之間的相互干擾較小，并且TD-SCDMA技術(shù)本身的抗干