摘要：文章針對煤炭行業(yè)信息化的發(fā)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對比。對比結(jié)果表明：基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)在技術(shù)和實現(xiàn)上具有很多不足，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，是廣大煤礦企業(yè)首選的礦井無線通信解決方案。
1 引言
隨著移動通信技術(shù)迅猛發(fā)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)的飛速發(fā)展為廣大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)用的發(fā)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)安全事故之首，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布，2010年全國煤礦事故發(fā)生1403起，死亡2433人，嚴峻的安全生產(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安全生產(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 Femtocell
Femtocell又可稱為毫微微小區(qū)、家庭基站，是近年來根據(jù)3G發(fā)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10~100 mW，覆蓋半徑為50~200 m，支持4~6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)通信服務(wù)。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，手機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)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)
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)等部分組成）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和用戶歸屬位置寄存器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10~100 mW，覆蓋半徑也相應(yīng)較小，一般為50~200m，最多可支持4~6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)量比較多之后，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)不可忽略和避免的問題，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，在很多場景下沒有辦法獲得足夠多的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，在手機進入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，這時候需要考慮手機從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50~200m，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)的安全問題
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買500臺，而且即使測試成功也沒辦法賣給消費者，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)的確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)品在標準規(guī)范出現(xiàn)之前就已經(jīng)趨于成熟了，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)標準的測試規(guī)范，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)用市場發(fā)展
從目前市場上來看，除了運營商提及的少數(shù)的幾個服務(wù)，以及設(shè)備供應(yīng)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)對通信的安全性、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)及發(fā)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)域的發(fā)展，還可進一步提升TD-SCDMA的技術(shù)價值，為今后TDD系統(tǒng)的發(fā)展，TD-SCDMA向國外的拓展奠定更加堅實的基礎(chǔ)！是對黨中央提出的“通過技術(shù)創(chuàng)新發(fā)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，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)——TDeN（TD-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安全性的特點。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
3.2 方案特性
系統(tǒng)主設(shè)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)計原則，將基站控制器、基帶處理部分、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)成本。
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)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，安全可靠，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，達到縱向調(diào)度靈活可靠，礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無阻，不僅能滿足日常安全生產(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，達到電信運營級標準；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)化和發(fā)展；與公網(wǎng)同步，使得TD-SCDMA產(chǎn)品能夠成為真正意義上的大眾產(chǎn)品，成本大大降低，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)的發(fā)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、可視電話、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、有線和無線電話可統(tǒng)一調(diào)度以及其他數(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。
高可靠性和高安全性
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、更安全、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加靈活、便捷；依從國際一流通信標準，擁有高可靠性和安全性，井下設(shè)備（基站）完全符合煤炭行業(yè)的本質(zhì)安全標準，進一步滿足煤炭安全生產(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，確保達到電信級設(shè)備的要求。
4 對比分析
以下將從井下無線通信系統(tǒng)的幾個關(guān)注點對兩種系統(tǒng)方案進行對比分析：
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)安全標準，滿足煤炭安全生產(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，安全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，以達到本質(zhì)安全防爆要求。
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)低成本快速部署；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。
抗干擾能力強：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)本身的抗干擾能力較強；而基于Femtocell的礦用無線通信系統(tǒng)中Femtocell覆蓋半徑較小，設(shè)備相對集中，電磁干擾嚴重，抗干擾能力較弱。
組網(wǎng)靈活，易于維護：基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)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，只需要一臺PC機就能對專網(wǎng)設(shè)備進行操作維護，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與維護簡單；由于Femtocell是連接到現(xiàn)有核心網(wǎng)的，F(xiàn)emtocell的操作與維護系統(tǒng)與運營商現(xiàn)有設(shè)備的操作與維護系統(tǒng)必須是彼此獨立的，從而避免Femtocell與現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生耦合。
防護性能好、抗故障能力強：基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)產(chǎn)品采用熱備份或負荷分擔等冗余設(shè)計方式，具有較強的抗故障能力；而Femtocell不具備熱備份等冗余設(shè)計方式，抗故障能力較弱。
5 結(jié)論
本文結(jié)合煤炭行業(yè)的應(yīng)用需求和技術(shù)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，并從井下無線通信系統(tǒng)的幾個關(guān)注點對其在礦井中的適用性做了對比。對比結(jié)果表明：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，是完善、先進、統(tǒng)一的綜合信息系統(tǒng)解決方案，完全符合煤礦特殊作業(yè)環(huán)境對通信的需求，是廣大煤礦企業(yè)首選的礦井無線通信解決方案。