TDSCDMA與Femtocell用于礦井通信的對(duì)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(duì)煤炭行業(yè)信息化的開(kāi)展需求和特點(diǎn)，結(jié)合TD-SCDMA和Femtocell的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)基于Femtocell的礦用無(wú)線通信系統(tǒng)和基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，說(shuō)明了各自的特點(diǎn)，并對(duì)其在礦井中的適用性做了比照。比照結(jié)果說(shuō)明：基于Femtocell的礦用無(wú)線通信系統(tǒng)在技術(shù)和實(shí)現(xiàn)上具有很多缺乏，而大唐移動(dòng)提出的基于TD-SCDMA的煤炭專網(wǎng)系統(tǒng)從規(guī)劃到實(shí)施具有較高的可行性，完全符合煤礦特殊作業(yè)環(huán)境對(duì)通信的需求，是廣闊煤礦企業(yè)首選的礦井無(wú)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(dòng)通信技術(shù)迅猛開(kāi)展，3G已經(jīng)在中國(guó)大規(guī)模建網(wǎng)并投入商用，可以說(shuō)公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的飛速開(kāi)展為廣闊人民的生活與工作帶來(lái)了全新的體驗(yàn)與極大的便利。但是相比公網(wǎng)而言，行業(yè)領(lǐng)域的移動(dòng)專網(wǎng)水平已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有行業(yè)應(yīng)用的開(kāi)展需要，因此盡快在行業(yè)應(yīng)用中引入先進(jìn)的通信技術(shù)，特別是擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)顯得日益迫切。近年來(lái)，隨著石油資源的緊張、石油價(jià)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(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，已探明煤炭存儲(chǔ)量居世界第三，煤炭開(kāi)采量居世界第一，但是，我國(guó)同時(shí)也是礦難大國(guó)，礦難死亡人數(shù)高居各類行業(yè)平安事故之首，國(guó)家平安生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布，2022年全國(guó)煤礦事故發(fā)生140

3、3起，死亡2433人，嚴(yán)峻的平安生產(chǎn)形勢(shì)已經(jīng)迫使煤炭企業(yè)開(kāi)始在國(guó)家政策的強(qiáng)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(guó)家也通過(guò)各種政策強(qiáng)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(wú)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(lái)根據(jù)3G開(kāi)展和移動(dòng)寬帶化趨勢(shì)推出的低功率、超小型化移動(dòng)基站。它具有1個(gè)載波，發(fā)射功率為10100 mW，覆蓋半徑為50200 m，支持46個(gè)活動(dòng)用戶最多可支持16個(gè)用戶，允許的最大用戶運(yùn)動(dòng)速度為10 km/h。在地面應(yīng)用中，F(xiàn)emtocell使用IP協(xié)議，通過(guò)用戶已有的ADSL、LAN等寬帶

4、電路連接，遠(yuǎn)端由專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動(dòng)網(wǎng)的聯(lián)通，可為用戶提供語(yǔ)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(dòng)配置、自動(dòng)網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點(diǎn)，是蜂窩網(wǎng)絡(luò)解決室內(nèi)覆蓋問(wèn)題的一個(gè)重要手段。目前，F(xiàn)emtocell有適用于CDMA、GSM、UMTS的各種標(biāo)準(zhǔn)和支持2G、2.5G、3G的產(chǎn)品，其制式、頻段與運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有基站相同， 等移動(dòng)終端可以與地面移動(dòng)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(jì)為應(yīng)用在家庭環(huán)境中的消費(fèi)電子產(chǎn)品，隨著對(duì)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(dòng)配置、即插即用等特點(diǎn)，人們開(kāi)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(wú)線通信系統(tǒng)。基于Femtocell的礦用CDMA無(wú)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(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)采用現(xiàn)有的IP傳輸，F(xiàn)emtocell通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的Femto

6、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)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(dòng)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?zhàn)酉到y(tǒng)等局部組成和RNC的功能，它通過(guò)Uu接口與UE通信；同時(shí)通過(guò)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(guò)Iu接口連接到核心網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)包括移動(dòng)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(gè)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(wú)線干擾問(wèn)題與傳統(tǒng)基站相比，F(xiàn)emtocell具有1個(gè)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(gè)活動(dòng)用戶，因此，在井下Femtocell的部署數(shù)量不是一個(gè)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(wú)線頻譜是有限的，當(dāng)使用Femtocell的數(shù)量比擬多之后，網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度會(huì)隨著增加，F(xiàn)emtocell之間的信號(hào)干擾就有可能變大，如何降低相互之間的無(wú)線干擾是需要繼續(xù)探討的問(wèn)題。同步問(wèn)題同步問(wèn)題也是基于Femtocell的礦用無(wú)線通信系統(tǒng)不可忽略和防止的問(wèn)題，尤其是在國(guó)內(nèi)環(huán)境下，F(xiàn)emtocell同步是一個(gè)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(chǎng)景下沒(méi)有方法獲得足夠多的GPS信號(hào)。在國(guó)內(nèi)，礦井的平均深度超過(guò)300米，最大井深超

8、過(guò)1000米，在礦井中，幾乎不可能獲得GPS信號(hào)，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(shí)現(xiàn)用戶安裝即插即用。切換問(wèn)題目前Femtocell還無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選，在 進(jìn)入Femtocell區(qū)域時(shí)無(wú)法切換進(jìn)去，出來(lái)時(shí)又無(wú)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(gè)Femtocell進(jìn)行覆蓋，這時(shí)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(chǎng)景下，所需要的Femtocell的數(shù)量不是一個(gè)小數(shù)目，而且一個(gè)Femtocell的覆蓋半徑只有5

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

10、營(yíng)商核心網(wǎng)的設(shè)備，這在過(guò)去是不可能的，F(xiàn)emtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須保證用戶無(wú)法利用Femtocell作為攻擊運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)的工具。Femtocell終端尚未得到工信部認(rèn)可和銷售許可發(fā)放Femtocell在中國(guó)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用還存在著眾多很嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)镕emtocell終端尚未得到工信部認(rèn)可和銷售許可發(fā)放，從國(guó)外引進(jìn)Femtocell就只能是以實(shí)驗(yàn)為名進(jìn)口，但這樣一次最多就能購(gòu)置500臺(tái)，而且即使測(cè)試成功也沒(méi)方法賣給消費(fèi)者，這也是運(yùn)營(yíng)商布局Femtocell所面臨的重要問(wèn)題。Femtocell的3GPP標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)確實(shí)定滯后于各個(gè)廠商的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)各個(gè)廠商的產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)營(yíng)商也沒(méi)有部署基于標(biāo)準(zhǔn)的Iuh接口，政府相關(guān)部門(mén)也沒(méi)有指定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試驗(yàn)證工作也不夠深入。因此，基于Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化工作還有待進(jìn)一步提升。Femtocell產(chǎn)業(yè)鏈薄弱，限制應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)展從目前市場(chǎng)上來(lái)看，除了運(yùn)營(yíng)商提及的少數(shù)的幾個(gè)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(guò)于單一的產(chǎn)品線也將導(dǎo)致用戶對(duì)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(chǎng)的停滯不前，運(yùn)營(yíng)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(guó)家敏感行業(yè)對(duì)通信的平安性、保密性、可靠性決定了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA在煤炭行業(yè)應(yīng)用時(shí)得天獨(dú)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(kāi)展保駕護(hù)航，也可進(jìn)一步增強(qiáng)TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的實(shí)力，促進(jìn)TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)領(lǐng)域的開(kāi)展，還可進(jìn)一步提升TD-SCDMA的技術(shù)價(jià)值，為今后TDD系統(tǒng)的開(kāi)展，TD-SCDMA向國(guó)外的拓展奠定更加堅(jiān)實(shí)的根底！是對(duì)黨中央提出的“通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)展經(jīng)濟(jì)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(shì)，大唐移動(dòng)積極探索TD在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，

13、率先開(kāi)發(fā)出適用于煤炭、油田、核電、風(fēng)電、人防、特通等多個(gè)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(jìn)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(kuò)展能力強(qiáng)、多點(diǎn)互聯(lián)和自由漫游能力、適應(yīng)多種企業(yè)運(yùn)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(diǎn)。該方案的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2 TD-SCDMA專網(wǎng)拓?fù)鋱DFig 2  TD-SCDMA Enterprise Network Topology3.2 方案特性系統(tǒng)主設(shè)

14、備說(shuō)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(jì)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(jìn)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(jī)，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(shí)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(jì)，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(yuǎn)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(yuǎn)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，充分考慮了用戶在業(yè)務(wù)、容量、覆蓋、傳輸、電源、安裝、維護(hù)等方面的需求，采用一體化的設(shè)計(jì)，集成度高，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端獨(dú)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(gè)語(yǔ)音用戶；井下可連接144個(gè)TDU100；井下基站為本安型設(shè)計(jì)；井下設(shè)備全部采用光纜連接，不涉及任何電信號(hào)，平安可靠，不會(huì)有打火的危險(xiǎn)。該系統(tǒng)支持12.2K實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，支持HSDPA/HSUPA，可通過(guò)調(diào)度臺(tái)同時(shí)解決煤礦井上、井下的通信問(wèn)題，到達(dá)縱向調(diào)度靈活

16、可靠，礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無(wú)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(shí)進(jìn)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(chǎng)景需求可靈活進(jìn)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(dòng)專門(mén)針對(duì)煤炭通信環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)專網(wǎng)通信系統(tǒng)，具有如下特色：技術(shù)的先進(jìn)性TD采用的是時(shí)分雙工的接入方式，是擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)，是獲得國(guó)際電信聯(lián)盟ITU批準(zhǔn)的主流標(biāo)準(zhǔn)。TD-SCDMA提供了先進(jìn)、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(wú)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(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的充分驗(yàn)證和錘煉，確保系統(tǒng)性能充分穩(wěn)定，到達(dá)電信運(yùn)營(yíng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；同源技術(shù)，使得煤炭專網(wǎng)搭載中國(guó)移動(dòng)公網(wǎng)，得到長(zhǎng)期優(yōu)化和開(kāi)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(jià)廉物優(yōu)的設(shè)備。強(qiáng)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(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟后盾；而大唐也是國(guó)資委直接管轄下的優(yōu)勢(shì)品牌，可確?？蛻舻耐顿Y得到長(zhǎng)期保障，專網(wǎng)后續(xù)的開(kāi)展與技術(shù)演進(jìn)可獲得強(qiáng)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(yǔ)音業(yè)務(wù)、多方通話、可視 、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(wú)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(qiáng)頻譜利用率高，覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與維護(hù)簡(jiǎn)單；設(shè)備小型化，采用3G網(wǎng)絡(luò)部署主流方案光纖拉遠(yuǎn)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(chǎng)景需求可靈活進(jìn)行定制，組網(wǎng)靈活；開(kāi)放的系統(tǒng)平臺(tái)提供免費(fèi)的上層應(yīng)用接口，便于業(yè)務(wù)擴(kuò)展。高可靠性和高平安性井下設(shè)備無(wú)需電源的光纖信號(hào)傳輸方式，帶寬高、距離遠(yuǎn)、造價(jià)低、更平安、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加靈活、便捷；依從國(guó)際一流通信標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(fù)荷分擔(dān)等冗余設(shè)計(jì)方式，確保到達(dá)電信級(jí)設(shè)備的要求。4 比照分析以下將從井下無(wú)線通信系統(tǒng)

19、的幾個(gè)關(guān)注點(diǎn)對(duì)兩種系統(tǒng)方案進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，滿足煤炭平安生產(chǎn)的特殊要求；而基于Femtocell的礦用無(wú)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(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，可直接安裝于室內(nèi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)低本錢快速部署；而Femtocell需要安裝在井下，雖然能實(shí)現(xiàn)小型化，但安裝數(shù)量較多。抗干擾能力強(qiáng)：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