CN101790179B - 矿井移动通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井移动通信系统，该系统由双总线形或双环形结构的以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和防爆移动台构成；所述系统包括光线路终端、基站控制器、地面基站、局端设备、无源分光器、防爆光网络终端、井下防爆基站、漏泄天线、基站天线、分布式天线、防爆移动台；光线路终端与地面基站、基站控制器连接；防爆光网络终端与井下防爆基站连接；井下防爆基站与漏泄天线、基站天线、分布式天线连接；防爆移动台通过无线接口与井下防爆基站和地面基站连接。本发明结构简单、部署灵活、便于维护，成本较低，系统抗灾变、抗干扰能力强，能够消除通信盲区，满足矿用特定使用环境和安全要求，适用于煤矿井下环境移动通信。

Description

矿井移动通信系统

技术领域

本发明专利涉及一种煤矿井下通信系统，具体地说是涉及一种矿井移动通信系统。

背景技术

煤炭是我国的重要能源，煤炭赋存条件差、开采深度深，瓦斯、煤尘、水灾、火灾、冲击地压等困扰着煤炭工业的健康发展，煤炭工业一直是我国工矿企业中的高危行业。特别是煤矿井下发生事故以后，被困人员位置不清、生死不明是灾后应急救援急需解决的问题，而井下通信中断则给抢险救灾等应急通信造成极大困难，然而由于井下工作环境的特殊性，井下移动通信不能直接采用地面已有的系统和技术，因此，有必要针对煤矿井下的特殊性，研究抗灾变、抗故障和抗干扰能力强、具有井下人员定位监测、移动台脱网直通等功能的井下无盲区移动通信系统。这对于保障煤矿安全生产、提高抢险救灾装备水平、减少和避免煤矿事故造成的人员伤亡具有重大的社会效益和经济效益。

煤矿井下是一个特殊的工作环境，因此，矿井移动通信不同于一般地面通信系统，其具有如下特点：

(1)本安型电气设备。煤矿井下有甲烷等可燃性气体和煤尘，因此移动台要求采用安全性能好的本质安全型防爆措施，煤矿的移动通信设备必须有防爆许可证。

(2)传输损耗大。矿井覆盖范围纵横可达数十公里，煤矿井下空间狭小、巷道倾斜、表面粗糙，有拐弯和分支，井下电磁干扰严重，电磁波传输损耗大。因此，选用合理网络结构设计和多种通信天线，才能保证矿井移动通信系统覆盖全矿井。

(3)设备体积小。煤矿井下空间狭小，在井下巷道既敷设有动力电缆、通讯和照明线路，又铺设有水管、铁轨等。因此，井下移动通信的基站体积要求不能太大，移动终端天线的长度不能太长。

(4)发射功率小。本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W，而且我国相关标准规定2.4GHz无线设备发射功率不超过500mW(≤27dBm)，因此矿井移动通信设备的发射功率一般较小，不能设置大功率的基站。而且由于移动台受到体积和功耗的限制，很难直接将提高性能措施的天线阵列技术应用到移动台上。由于移动台既受电池容量的限制，又要保证井下较长的工作时间，所以应采用功耗低、防爆功能强、体积和重量小的移动台。

(5)抗干扰能力强。在井下狭小有限空间，大功率机电设备相对集中、停启频繁，电磁干扰严重。煤矿井下自然辐射、静电和人为发射电波干扰小，但电机车火花造成的干扰和50Hz电网波动产生的谐波干扰大，因此，井下通信设备应具有较强的抗干扰能力，系统工作频率应选择甚高频段或特高频段。

(6)防护性能好。井下设备应有防尘、防水、防潮、防霉、耐机械冲击等特性，特别是移动终端的面板外壳、键盘等要考虑其防护能力。

(7)抗故障能力强。煤矿井下环境恶劣，机车脱轨、顶板垮落、巷道塌方等灾害破坏不可避免，因此，矿井移动通信系统应具有较强的抗故障、抗灾害能力，当系统某些设备发生故障时，其它设备仍能继续工作。如井下基站出现故障时，系统仍能够完成移动台的脱网直通功能。

(8)信道容量大。煤矿井下是一个移动的工作环境，有线调度电话受到限制。随着移动通信系统可靠性和通信质量的提高、功能的完善，它将承担全部生产调度与抢险救灾通信的主要任务。因此，移动通信系统应不仅具有较大的信道容量，还应具有语音、图像和数据传输能力，以满足全矿井移动通信的需要。

(9)移动定位准确。井下环境为封闭性环境，井下工作人员主要以移动作业为主，必须保证矿井生产安全调度和应急通信响应及时，因此，移动台应具有准确可靠的移动定位功能，以适应现代化矿井通信需要。

目前，国内外矿井无线通信主要是透地通信系统、感应通信系统、漏泄通信系统和矿用小灵通通信系统等。虽然这些系统不同程度地满足了井下生产调度的通信需要，但是系统功能单一，传输衰减和发射功率大，抗干扰和抗故障能力差，服务半径和信道容量小，传输速率低，设备安装复杂、维护成本高。而且在煤矿井下，无线电波传播受到巷道拐弯、井下设备等障碍物的阻挡，极易形成大量的信号场强盲区或死区。迄今为止，现有技术未能解决井下无线通信盲区问题。

特别是现有技术未能将双总线或双环形结构的以太网无源光网络、波分复用技术和无线网络接入技术同时应用于矿井移动通信，未能将漏泄天线、分布式天线技术和WiFi、WiMAX、Zigbee、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA及UWB等无线通信技术同时应用于矿井移动通信，未能通过无源光网络终端提供井下防爆基站接入和多种有线通信接口，也未能在井下同时实现人员、机车定位和移动台脱网直通功能。因此，现有技术难以满足现代化矿井对全矿井移动通信的需要。

发明内容

本发明为了解决上述不足之处，特别是为了克服现有的矿井通信系统网络覆盖范围小、信道容量和带宽有限、抗干扰和抗故障能力差、冗余度低、不能消除矿井巷道拐弯等盲区通信问题，提供了一种高带宽、高冗余、抗故障、抗干扰能力强、覆盖范围广、通信质量好的矿井移动通信系统。该系统不仅能满足矿井生产调度、应急通信和抢险救灾需要，同时能实现基站脱网工作和移动台脱网直通功能，而且能为井下作业人员、机车提供移动定位功能，便于井上、下人员及井下人员之间应急通信。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种矿井移动通信系统由双总线或双环形结构的以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和防爆移动台组成；系统主干网络采用以太网无源光网络技术、网络传输采用波分复用和时分复用技术，井下无线通信采用无线接入网络，无线通信天线采用漏泄天线、基站天线和分布式天线，该系统网络结构采用双总线或双环形网络拓扑结构，无线接口采用WiFi、WiMAX、Zigbee、GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和UWB无线网络接口。

所述系统包括以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和防爆移动台。以太网无源光网络由光线路终端、无源分光器、防爆光网络终端组成；无线接入网络由地面基站、井下防爆基站、漏泄天线、基站天线和分布式天线组成；控制系统由基站控制器和局端设备组成。光线路终端通过光纤、无源分光器与防爆光网络终端连接；防爆光网络终端通过光接口与井下防爆基站连接；井下防爆基站通过无线接口与漏泄天线、基站天线、分布式天线连接；控制系统通过E1接口或以太网接口与光线路终端连接；防爆移动台通过无线接口与井下防爆基站和地面基站连接。漏泄天线、分布式天线部署在井下巷道等工作面，漏泄电缆沿巷道壁架设在井下巷道等通信区域，实现井下无线通信区域的场强均匀覆盖，消除井下无线通信盲区。

所述矿井移动通信系统，通过光纤、无源分光器组成双总线形或双环形系统主干网络。

所述矿井移动通信系统，光线路终端通过系统主干网络与防爆光网络终端互连接，组成以太网无源光网络。

所述矿井移动通信系统具有多种无线接口，系统无线接口采用WiFi接口、WiMAX接口、Zigbee接口、GSM接口、CDMA接口、WCDMA接口、CDMA2000接口、TD-SCDMA接口和UWB接口，系统无线网络通信天线由漏泄天线、基站天线和分布式天线组成。

所述的矿井移动通信系统，光线路终端、防爆光网络终端采用相互独立的上行波长和下行波长，光线路终端通过光纤及无源分光器连接多个防爆光网络终端；光纤及无源分光器为矿井移动通信系统主干网络链路提供长距离无源中继。

所述矿井移动通信系统，光线路终端将发射单元输出的下行光信号波分复用后通过主干网络向防爆光网络终端传输，将主干网络传输来的各防爆光网络终端波分复用后的上行光波分解复用、输出。

所述光线路终端连接基站控制器，防爆光网络终端连接井下防爆基站，井下移动台通过无线接口接入井下防爆基站。基站控制器为井下防爆基站进行无线资源的分配、呼叫处理和功率控制。

所述防爆光网络终端提供无源光接口、以太网接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、E1接口和Z接口。将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、以太网终端、监控通信设备和有线电话的接入。

所述井下防爆基站提供光接口、电接口、USB接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、DSL接口和无线接口；井下防爆基站为井下移动台提供无线接入。

所述局端设备包括集群控制服务器、网管调度服务器、移动定位网关和以太网交换机，其分别与通过光纤接口或电接口与光线路终端连接。

所述集群控制服务器通过以太网与光线路终端连接，其内置基站调度控制模块和脱网直通模块，具有集群调度和脱网控制功能。井下防爆基站具有脱网工作功能、防爆移动台具有脱网直通功能，当基站或光纤链路出现故障时，实现井下人员之间的应急通信。

所述网管调度服务器通过以太网与光线路终端连接，为井下移动终端提供呼叫管理和集群呼叫处理，系统具群呼、组呼功能，系统通过集群控制服务器快速寻呼其他井下移动台。

所述移动定位网关通过以太网与光线路终端连接，移动定位网关通过基于网络的小区识别(Cell-ID)定位技术，为井下防爆移动台提供定位服务，实现井下人员、机车的定位功能。

所述矿用光线路终端提供无源光网络接口、以太网接口、中继线路接口，为系统提供外网互联及有线电话的接入。

所述矿井移动通信系统，防爆移动台为本质安全型防爆设备。

本发明的有益效果在于：

1.通过采用以太网无源光网络和无线网络接入技术，系统提供有线、无线接口，网络传输过程无需有源设备进行中继，使系统具有更强的抗干扰能力、应急通信能力、系统容灾能力和宽带接入能力。

2.通过采用双总线或双环形网络冗余结构，提高了系统的冗余度和可靠性，使系统具有更强的抗灾变、抗故障能力和系统容灾能力。

3.通过采用漏泄天线和分布式天线，实现井下无线场强均匀覆盖，消除井下通信盲区，增强了系统的鲁棒性。

4.通过无源光收发单元，将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备和有线电话的接入。

5.矿井移动通信系统提供井下移动台移动定位功能，实现井下人员、机车定位及监测。

6.矿井移动通信系统提供基站脱网工作和移动台脱网直通功能，实现井下人员之间的应急通信。

7.矿井移动通信系统主要由以太网无源光网络、基站控制器、局端设备、井下防爆基站、漏泄天线、基站天线、分布式天线和防爆移动台组成。该系统结构简单、部署灵活、便于维护，符合矿用特定的使用环境和安全要求。该系统功能强大、可承载目前井下环境主要的通信业务，本系统工作频率高，频谱宽，抗干扰能力强，通信质量好，传输距离远，主干采用千兆以太网无源光网络传输，无源中继下传输距离可达20公里，非常适宜部署在煤矿井下高温、高湿、电压不稳、电磁干扰严重等恶劣工作环境，防爆移动台为本质安全型防爆设备，完全适用于煤矿井下环境移动通信。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为矿井移动通信系统的系统组成框图；

图2为矿井移动通信系统的网络结构框图；

图3为以太网无源光网络工作原理框图；

图4为防爆光网络终端结构框图；

图5为井下防爆基站的电路框图；

图6为局端设备组成框图；

图7为防爆移动台的电路框图。

其中，1、光线路终端；2、基站控制器；3、无源分光器；4、防爆光网络终端；5、井下防爆基站；6、防爆移动台；7、漏泄天线；8、基站天线；9、分布式天线；10、局端设备；11、地面基站；100、集群控制服务器；110、网管调度服务器；120、移动定位网关；130、以太网交换机。

具体实施方式

首先对矿井移动通信系统的系统组成进行描述。参照图1，矿井移动通信系统包括以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和移动台。以太网无源光网络由光线路终端1、光纤、无源分光器3和防爆光网络终端4组成；无线接入网络由井下防爆基站5、漏泄天线7、基站天线8、分布式天线9和地面基站11组成；控制系统由基站控制器2和局端设备10组成。光线路终端1通过光纤、无源分光器3与防爆光网络终端4组成覆盖井上局端到井下主巷道及分支巷道的双总线或双环形形冗余无源光网络。防爆移动台6通过无线接口接入井下防爆基站5和地面基站11。在矿井移动通信系统中，无线和有线业务均在光纤上传输，光信号作为载波，射频信号作为调制信号，光纤为长波长单模光纤，工作波长为λ₁和λ₂，λ₁波长为1490nm，λ₂波长为1310nm，光线路终端1、防爆光网络终端4内置WDM光收发单元，可实现1条光纤双向传输光信号，从而实现射频信号的双向传输。

来自地面基站11、光线路终端1的下行无线信号经过无源分光器3滤波分路，然后发送到井下防爆光网络终端4、井下防爆基站5，再通过漏泄天线7、基站天线8、分布式天线9等无源器件到达防爆移动台天线，进行井下无线场强通信覆盖，最后通过无线接口由井下防爆移动台6接收，实现井上、井下移动通信，上行信号则反之。系统通过光载波传输射频信号，其上、下行信号传输过程如下：由光线路终端发送的下行光信号采用波长为1490nm经WDM单元进行射频发送，至防爆光网络终端WDM单元接收射频信号，由防爆光网络终端发送的上行信号采用波长为1310nm、经防爆光网络终端WDM单元发送至光接收单元，进行射频信号接收，然后经井下防爆基站的功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和双工滤波器处理后，最后经漏泄天线、基站天线和分布式天线通过无线接口发送至井下防爆移动台天线，通过天线开关、选频开关完成射频收发，实现井下无线场强覆盖和无盲区通信。在收发频率上，井下防爆基站的发射信号频率与井下防爆移动台接收信号频率相同，井下防爆基站的接受信号频率与井下防爆移动台发射信号频率相同(T_x、R_x为井下防爆基站的发射和接收信号，T′_x、R′_x分别为井下防爆移动台的发射和接收信号，T_x＝R′_x，R_x＝T′_x)，它通过漏泄天线、基站天线和分布式天线进行双向传输。

在井上中心局端，光线路终端1通过光纤接口或电口连接基站控制器2、局端设备10、地面基站11。光线路终端1和基站控制器2分别进行信号的集中处理，通过光纤、无源分光器与防爆光网络终端4连接；防爆光网络终端4通过光纤接口与井下防爆基站5连接，实现数据的传输与交换；防爆移动台6通过无线接口接入井下防爆基站5，实现井下无线通信；漏泄天线7和分布式天线9可以根据井下无线信号覆盖和用户容量需求灵活部署，系统受井下灾变及环境影响小、功能容易扩展，提高系统容量、频谱利用率和抗干扰能力。井下防爆基站漏泄天线、分布式天线的布置根据井下无线信号覆盖和用户容量需求灵活地放置和延伸，以便通过不同位置多个天线的信号发送，有效地抗击井下无线信号衰落，提高井下移动通信系统的容量和服务质量。该系统采用漏泄天线，受环境影响小、功能容易扩展，传输的信息量大，抗干扰能力强，场强覆盖范围广，能够消除通信盲区；该系统采用分布式天线，系统统一调度无线资源以减少邻道干扰和移动过程中的切换次数，提高通信系统的容量和频谱利用率，减少系统干扰。

参照图2，图中描述的是矿井移动通信系统的双总线或双环形网络结构。双总线或双环形无源光网络至少包括2条光纤，1条为主干线路，1条为备份线路，光纤与多个无源分光器3连接组成无源光分配网络，光线路终端1通过无源光分配网络与防爆光网络终端4互连，组成矿井移动通信系统双总线形或双环形网络结构。防爆光网络终端4通过光接口与井下防爆基站5连接，井下防爆基站5通过天线端口与漏泄天线7、分布式天线9连接。每个防爆网络终端通过无源分光器连接双总线或双环形链路，实现双向数据传输，以太网无源光网络通过光线路终端选择双总线或双环中的任一链路进行数据传输。当其中任一光线路或无源器件出现故障都不会影响矿井移动通信系统，提高了系统可靠性和抗故障能力。在矿井移动通信系统网络部署中，可根据终端接入需要和保证系统功率损耗情况下，在每个防爆光网络终端任意远端位置灵活部署无源分光器，通过无源光接口接入以太网无源光网络，防爆光网络终端提供EPON接口、光接口、以太网接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、E1接口和Z接口，将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、以太网终端和有线电话的接入。

参照图3，图中描述的是以太网无源光网络工作原理。以太网无源光网络由光线路终端1通过光纤、无源分光器3与防爆光网络终端4连接组成。以太网无源光网络通过在光线路终端1和防爆光网络终端4之间引入了无源分光器3，从而实现了点对多点和上、下行复用传输的通信方式，无需光电/电光转换，节省工程成本，解决传统的工业以太网系统中点对点组网方式带来的种种问题。无源分光器3采用了光波分路和光波耦合原理，进行下行广播分发和上行时分汇聚的无源操作。对于从光线路终端1到达防爆光网络终端4的下行数据，光线路终端OLT处理芯片通过WDM单元44L(1490nm/1310nm WDM光收发单元、耦合器)与无源分光器3连接，无源分光器3通过实现下行光波分光从而实现下行数据拷贝和广播分发，下行信号以1490nm波长将光载波经无源分光器3发送至井下防爆光网络终端4，最后经井下井下防爆基站对射频信号进行功率放大、低噪声放大和滤波处理后经天线发送至防爆移动台；对于从防爆光网络终端4到达光线路终端1的上行数据，防爆光网络终端ONU处理芯片通过WDM单元44L(1310hm/1490nm WDM光收发单元、耦合器)与无源分光器3连接，无源分光器3将上行的各路光波耦合在一起，从而实现将上行的各路数据汇聚，上行信号以1310hm波长将井下防爆基站射频信号经防爆光网络终端转换成光载波信号发送至光线路终端，最后再转换成射频信号发送至基站控制器。以太网无源光网络通过光线路终端和防爆光网络终端中的MAC自动控制、切换开关来接收光纤链路的数据流，系统通过OAMPDU/MPCPDU完成网络终端发现、链路测距和用户注册等过程。

参照图4，图中描述的是防爆光网络终端结构。防爆光网络终端4由处理单元40、通信接口电路(41L～44L，401～407)和电源40P构成；通信接口电路包括EPON接口模块41L、光接口模块401、以太网接口模块402、CAN总线接口模块403、PROFIBUS总线接口模块404、LONWORKS总线接口模块405、FF总线接口模块406、RS232/485接口模块407、E1接口模块42L、Z接口模块43L和WDM单元44L，其分别与处理单元40连接。防爆光网络终端4将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、监控通信设备、以太网终端和有线电话的接入。其中，防爆光网络终端4通过EPON接口模块41L接入系统主干网络，并通过无源分光器3、光纤与光线路终端1互联；防爆光网络终端4通过以太网接口模块402实现与井下防爆基站、以太网终端、工业以太网等设备的连接；防爆光网络终端4通过CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口实现与现场模拟量控制设备和数字量控制设备的信号采集及控制和监控通信设备的连接；防爆光网络终端4通过E1接口为井下数据、视频图像等多媒体提供专线接入；防爆光网络终端4通过Z接口实现井下模拟有线电话接入IP网络。

参照图5，图中描述的是井下防爆基站的电路框图，井下防爆基站完成所有的信号处理工作，包括调制/解调、信道编码/译码、信道测试、媒体接入控制、链路层控制、无线链路控制、无线网络控制等。井下防爆基站5由基站处理单元5U、有线接口电路50、无线接口电路5L和电源接口5P组成。其中，基站处理单元5U包括主控模块50U、交换及接口转换电路51U、基带处理模块52U；有线接口电路50包括以太网接口501、USB接口502、CAN总线接口503、PROFIBUS总线接口504、LONWORKS总线接口505、FF总线接口506、RS232/485接口507和DSL接口508，其分别与基站处理单元5U相连；无线接口电路5L包括射频电路模块50L、WiFi接口51L、WiMAX接口52L、Zigbee接口53L、GSM接口54L、CDMA接口55L、WCDMA接口56L、CDMA2000接口57L、TD-SCDMA接口58L和UWB接口59L，其分别与基站处理单元5U相连。基带处理模块主要完成无线接口的基带处理功能(编码、复用、调制和扩频等)、接口功能、信令处理、本地和远程操作维护功能，以及系统的工作状态监控和告警信息上报功能；射频电路模块包括中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块；中频模块用于光传输的调制解调、数字上下变频、A/D转换等；收发信机模块完成中频信号到射频信号的变换；再经过功放和滤波模块，将射频信号通过天线口发射出去。基带处理模块与射频电路模块通过SPI接口连接，完成基带数据的传输。井下防爆基站5通过WiFi接口、WiMAX接口、Zigbee接口、GSM接口、CDMA接口、WCDMA接口、CDMA2000接口、TD-SCDMA接口和UWB接口与井下防爆移动台进行无线通信，实现从802.11到802.X帧格式和从802.X到802.11帧格式的转换，完成移动终端在不同BSS间越区切换的管理，使移动终端在越区切换后仍可以保持连接。基站每个扇区使用独立的主控模块、基带处理模块、射频电路模块。基带处理模块和主控模块接至交换及接口转换电路，进行交换接口与输入信号的转换。基带处理模块完成基带处理任务，交换及接口转换电路完成时序转换功能。射频电路模块在接收状态下，天线收到的基站信号经过带通滤波器和收发切换开关后送到低噪声放大器放大。系统采用一次变频的方法，射频信号经过一次下变频直接变成零中频。I、Q两路零中频信号分别经过低通滤波和缓冲放大后，送给基带处理模块。在发射状态下，基带处理模块送来的基带扩频信号由线性相加器合成为一路，再经过低通滤波器进行成形滤波，送到调制器对载波进行调制。系统采用直接调制载波的方法。基带处理模块根据网管命令输出功率控制信号，控制激励级和末级的增益，以控制发射功率。

参照图6，图中描述的是局端设备组成，局端设备10包括集群控制服务器100、网管调度服务器110、移动定位网关120、以太网交换机130，其分别通过以太网光与光线路终端1连接。集群控制服务器100内置集群模块和直通模块，具有集群调度控制功能和脱网直通功能，当井下防爆基站出现故障或井下防爆基站与地面基站之间光纤断裂时，井下防爆基站服务区内的防爆移动台仍可相互通话，提供事故应急救援和临时施工通信，实现井下人员之间的应急通信；网管调度服务器110和移动定位网关120为防爆移动台提供移动定位服务，实现井下人员和机车的定位、监测功能；千兆以太网交换机130与光线路终端1连接，实现矿井移动通信系统与远端通信网络的互联和系统的扩展功能。

参照图7，图7为防爆移动台的电路框图，防爆移动台具有多种频段通信模式，防爆移动台6包括微处理器60U、基带处理单元61、存储单元62、RF电路单元63、Codec单元64、用户接口单元65和电源接口单元60P。基带处理单元61、存储单元62、RF电路单元63、Codec单元64、用户接口单元65和电源接口单元60P均与微处理器60U相连。防爆移动台存储单元62包括SDRAM和FLASH；防爆移动台RF电路单元63包括射频放大(功率放大、低噪声放大)、滤波电路、开关电路、天线及射频收发接口。其中滤波电路包括接收滤波器和复用器，开关电路包括天线模式开关和旁路模式开关。防爆移动台Codec单元64通过Codec芯片与麦克风和扬声器连接；防爆移动台用户接口单元65包括移动台LCD显示屏和键盘。防爆移动台具有多种工作频段通信模式，通过天线开关和模式开关进行工作频段选择。射频收发器前端与功率放大器(PA)相连，其外接电源接口，射频信号在发射状态下，经过基带扩频信号叠加，通过模式开关进行频段选择，再经过低通滤波器进行成形滤波，送到调制器对载波进行调制，最后经过天线开关选择输出；射频信号在接收状态下，天线收到的基站信号经过带通滤波器和收发切换开关后送到低噪声放大器(LNA)放大，通过模式开关进行频段选择，射频信号经过一次下变频直接变成零中频，最后经过低通滤波和缓冲放大后送给基带处理单元。

系统中各主要设备的功能如下：

1.光线路终端的功能：

光线路终端位于井上局端，由各类业务处理模块和传输模块组成，负责上行数据帧的调度和波长信道分配，并提供与外网的接口，同时还负责汇集接入网系统的操作维护信息构成与接入网网管系统的接口。

1.1)组网功能：光线路终端通过及无源分器光纤与防爆光网络终端连接组成覆盖矿井主巷道的千兆总线形冗余网络、覆盖分支巷道的千兆环形自愈网络，在分光比1∶32无源中继下传输距离可达20公里。双总线形和双环形网络拓扑结构具有很强的冗余备份能力，结构简单、部署灵活，便于光缆敷设，所用光缆较少，建设成本较低。

1.2)提供接口：内置无源光接口板、中继线路接口板和千兆以太网接口板，提供无源光网络互联接口、中继线路接口、以太网接口，便于基站控制器、集群控制服务器、网管调度服务器、移动定位网关和有线电话的接入。

1.3)网络管理与带宽控制功能：光线路终端具有简单网络管理(SNMP)、动态带宽分配(DBA)和运维管理(0AM)功能，具有光网络终端自动发现、自动注册、用户线路测试及远端光网络终端断纤和断电自动告警功能，具有终端的远程诊断、快速故障定位功能。

2.防爆光网络终端的功能：

防爆光网络终端位于井下，提供井下无源光网络的网络终端功能和各种端口接入功能。包括：

2.1)自检功能：防爆光网络终端主要完成PON口常发光功率测试模式，网络中接入终端的掉电通知、UNI口环回检测，具有故障检测并复位功能，并且在终端掉电、重启后原有配置能够迅速恢复。

2.2)接入功能：防爆光网络终端提供无源光接口、以太网电接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、E1接口和Z接口。无源光口接入上行链路与井上局端设备互联，以太网接口提供井下基站接入，CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口提供井下各种工业以太网设备和监控通信设备的接入，可扩展的E1接口为井下数据、视频图像等多媒体提供传输，而可扩展Z接口便于井下有线电话的接入。

2.3)安全控制功能：防爆光网络终端内置安全机制，可从控制、管理、转发全方位保障网络设备的安全。具有CPU保护机制、非法协议报文过滤、双向报文速率抑制、MAC地址个数限制。

3.井下防爆基站：

井下防爆基站完成井下所有无线信号的处理工作，包括调制/解调、信道编码/译码、信道测试、媒体接入控制、链路层控制、无线链路控制、无线网络控制，完成防爆移动台越区切换、管理等。基站主要由以太网交换及接口转换电路、主控模块、基带处理模块、射频电路模块、通信接口电路和电源组成。一个基站由多个扇区组成，每个扇区使用独立的收发信机(射频模块)，可配置多个基带处理模块，每个基带处理模块支持多个信道。基带处理模块和主控模块接至交换及接口转换电路，进行输入信号的转换。交换及接口转换电路由FPGA实现，完成时序转换功能。在接收状态下，天线收到的基站信号经过带通滤波器和收发切换开关后送到低噪声放大器放大。I、Q两路零中频信号分别经过低通滤波和缓冲放大后，送给基带处理模块。在发射状态下，基带处理模块送来的基带扩频信号由线性相加器合成为一路，再经过低通滤波器进行成形滤波，送到调制器对载波进行调制。

4.基站控制器：

基站控制器包括无线收发信机、天线和有关的信号处理电路等，是基站子系统的控制部分。主要包括小区控制器、话音信道控制器、信令信道控制器和用于扩充的多路端接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，通过基站和移动台的远端命令，基站控制器负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，负责所有的移动通信接口管理。主要是无线信道的分配、释放和管理，负责打开、关闭信号通道，对本控制区内防爆移动台的越区切换进行控制，提供话音编码、码型变换及速率适配功能，并能完成对基站子系统的操作维护功能。

5.网管调度服务器：

网管调度服务器提供集中式的网络管理、拓扑发现、配置管理、故障管理、性能管理，具有终端的自动发现、自动注册、远端光网络终端断纤和断电自动告警和远程诊断、快速故障定位功能以及移动终端的接入允许、鉴权与脱网控制等功能。网管软件运行在Windows或Linux环境下，以图形界面的方式提供系统参数设置、系统测试、工作状态监视、故障报警等功能，便于调度中心控制人员及时了解、监控网络的状况，发现和清除网络故障，优化网络配置，以实现对移动用户的请求进行处理和调度控制。

6.移动定位网关：

移动定位网关也称作移动定位接入服务器，主要功能是根据特定的定位技术同基站、移动终端进行交互以计算移动终端的位置信息。将服务移动位置中心送来的经纬度的位置信息转换为地理坐标，接受客户端的请求并作出相应的响应，支持对紧急呼叫发起方的定位。移动定位网关实现对移动用户的接入鉴权功能、接入有效期控制功能、接入次数的控制功能、对定位是否允许的控制功能。

7.漏泄天线：

漏泄天线采用八字形开槽的阻燃型漏泄电缆，适应于矿井巷道、公路和地铁隧道等狭窄、封闭环境中电磁波不能直接传播或传播不良的移动通信，兼传输线功能和天线的双重功能。漏泄天馈系统的功能是传输、分配射频电磁信号。发射机产生的强大射频电磁信号通过馈线传输至天线，天线收到的微弱射频电磁信号通过馈线系统传输至接收机。根据射频频率的高低和所传输功率的大小等，馈线系统选用矩形波导、同轴线或平行双线等不同的传输线。井下环境采用漏泄通信，系统受环境影响小、功能容易扩展，井下防爆移动台都不需要直接接在泄漏电缆上，通过基站漏泄天线就可以通信，而且可以随时改变位置，只要有泄漏天线存在就可以与基站通信。漏泄天线工作频率高，传输的信息量大，抗干扰能力强，场强覆盖范围广，能够消除通信盲区，因此，将漏泄天线应用到井下移动通信系统具有一定的技术优势。

8.分布式天线：

分布式天线是指通过光纤、电缆或无线传输方式将多个天线统一连接到基站而组成的系统。井下防爆基站通过光纤接口与分布式天线连接，分布式天线含射频功能模块，包括中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块；中频模块用于光传输的调制解调、上下变频、A/D转换等；收发信机模块完成中频信号到射频信号的变换；功放和滤波模块将射频信号通过天线口发射出去。井下防爆基站的基带处理模块和分布式天线的射频电路模块之间通过光纤连接，完成基带数据的传输。分布式天线的提出主要为了解决井下环境下的无线通信的路径损耗、快衰落和阴影衰落，从而改善井下场强覆盖特性，提高系统容量和频谱利用率，减少系统干扰。采用分布式天线网络结构可提高系统无线信号的覆盖能力和系统容量，系统统一调度无线资源以减少邻道干扰和移动过程中的切换次数，并且可获得较高的系统功率效率。

Claims (7)

1.一种矿井移动通信系统，其特征在于，系统由双总线或双环形结构的以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和防爆移动台组成；以太网无源光网络由光线路终端(1)、光纤、无源分光器(3)和防爆光网络终端(4)组成；无线接入网络由地面基站(11)、井下防爆基站(5)、漏泄天线(7)、基站天线(8)和分布式天线(9)组成；控制系统由基站控制器(2)和局端设备(10)组成；光线路终端(1)通过光纤、无源分光器(3)与防爆光网络终端(4)连接；防爆光网络终端(4)与井下防爆基站(5)连接；井下防爆基站(5)与漏泄天线(7)、基站天线(8)、分布式天线(9)连接；控制系统与光线路终端(1)连接；防爆移动台(6)通过无线接口与井下防爆基站(5)和地面基站(11)连接；其特征还在于，

双总线或双环形无源光网络至少包括2条光纤，1条为主干线路，1条为备份线路，光纤与多个无源分光器(3)连接，光纤为长波长单模光纤，无线和有线业务均在光纤上传输，光信号作为载波，射频信号作为调制信号，工作波长为λ₁和λ₂；

下行载波信号以工作波长λ₁通过光线路终端(1)WDM单元进行射频发送，由防爆光网络终端(4)WDM单元接收射频信号，上行载波信号以工作波长λ₂通过防爆光网络终端(4)WDM单元进行射频发送，由光线路终端(1)WDM单元接收射频信号；

井下防爆基站(5)发射信号T_x的频率与井下防爆移动台(6)接收信号R′_x的频率相同，井下防爆移动台(6)发射信号T′_x的频率与井下防爆基站(5)接收信号R_x的频率相同；

局端设备(10)包括集群控制服务器(100)、网管调度服务器(110)、移动定位网关(120)和以太网交换机(130)；集群控制服务器、网管调度服务器、移动定位网关和以太网交换机分别通过以太网接口与光线路终端(1)连接；

防爆移动台(6)具有脱网直通功能和移动定位功能，防爆移动台(6)为本质安全型防爆设备。

2.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统，其特征在于，所述无线接口采用WiFi接口、WiMAX接口、Zigbee接口、GSM接口、CDMA接口、WCDMA接口、CDMA2000接口、TD-SCDMA接口和UWB接口。

3.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统，其特征在于，所述防爆光网络终端(4)包括无源光接口、以太网接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、E1接口和Z接口。

4.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统，其特征在于，所述井下防爆基站(5)包括光接口、以太网接口、USB接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、DSL接口和无线接口。

5.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统，其特征在于，所述漏泄天线(7)为八字形槽孔结构的阻燃型漏泄电缆；所述分布式天线(9)为无源分布式天线。

6.根据权利要求1或4所述的矿井移动通信系统，其特征在于，井下防爆基站(5)具有脱网工作功能。

7.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统，其特征在于，该矿井移动通信系统提供中继线路接口。

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