CN104486170B - 一种新型矿用综合接入系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型矿用综合接入系统，利用数字信号处理技术可同时接入移动通信系统、人员定位系统、矿用信息采集系统和宽带/固网系统。本发明包括接入单元、拓展单元和覆盖单元，接入单元通过光纤、网线和射频线缆接入系统，接入单元和拓展单元通过光纤连接，拓展单元和覆盖单元通过光纤或网线连接，拓展单元和覆盖单元接入终端。用三级监控架构且接入单元内置智能监控平台，能实现系统的本地和远程监控。本接入系统采用把井上信源及业务拉远到井下的方案进行建网覆盖，抛开了传统在井下建信源与分布覆盖的方案，将3G无线通信与WIFI接入的优势相结合，满足了矿用通信系统多网合一、快速可靠的接入覆盖需求。

Description

一种新型矿用综合接入系统

技术领域

本发明涉及一种新型矿用综合接入系统，该系统主要应用于矿井、地下建筑物等特殊条件下的多系统接入和覆盖需求。

背景技术

随着人们对矿产资源的需求越来越大，矿产的安全生产及信息化工作受到各级政府和企业的日益重视。矿山井下生产具有环节多、过程复杂、环境恶劣、安全隐患多、通信联络困难等特点，因此对矿山信息化建设提出了较高的要求，矿山信息化需要整体规划，如何建设一个高效、宽带、多网融合的综合信息系统是矿用通信的一个难题。

一般来说矿用信息化系统主要由指挥调度系统、网管监控系统、无线通信系统、人员定位系统和信息采集监测系统组成，尤其以井下无线通信系统、人员定位系统和信息采集监测三个系统最为重要。目前由于井下信息化建设的相对落后，井下作业人员的跟踪定位、无线通信覆盖、井下环境监测数据的实时采集处理都非常薄弱；事故发生时对井下人员的抢救缺乏精确可靠的位置信息，也缺乏语音通信手段，抢险救灾、安全救护的效率仍然不高，效果不理想；且目前大多数的井下通信系统只能完成单一功能，系统容量十分有限，无法同时实现矿山企业的人员定位、手机通话、实时数据传输、视频监控等基本需求，而重复建设的通信系统网络使成本较高的同时信息孤岛林立，因此如何实现井下三大通信系统的整合与综合接入是矿用信息化的关键。

目前矿用通信系统主要有如下两大类：一类是以3G移动通信技术为代表的通信系统，其井下覆盖方案是以RRU基站为信源，由无源合路器/功分器组成射频分配网络，天馈系统由天线或泄漏电缆组成。另一类是以WIFI技术组成的WIFI基站+WIFI终端覆盖网络。两种网络技术各有优势但都存在较多不足，3G无线通信技术成熟但其系统组成过于庞大、复杂不适合矿下快速建网的需求，其射频损耗大功率利用率也不高。WIFI无线通信技术虽具有易组网、传输速度快的优势但其传输距离短、空间损耗大，不太合适空间狭小、巷道倾斜、有拐弯和分支的矿井。

发明内容

鉴于上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型矿用综合接入系统，该系统能综合接入井下无线通信系统、宽带/固网系统、人员定位系统和信息采集监测系统，真正实现了矿用高效、宽带、多网融合的信息系统接入需求。

本发明采用的技术方案是将3G无线通信技术和WIFI技术有效结合，采用把井上信源和业务拉远到井下的方案进行建网覆盖，尽量减少井下安装基站、天线等大型设备的工作量，满足设备快速安装及拆除的建网要求。

本发明的技术方案为：

一种新型矿用综合接入系统，利用数字信号处理技术同时接入移动通信系统、人员定位系统、矿用信息采集系统、宽带/固网系统；

接入移动通信系统是指接入基站或RRU设备，接入方式为射频线缆接入；

接入人员定位系统是指通过ONU或交换机接入人员定位服务器，接入方式为光纤或网线接入；

接入矿用信息采集系统是指通过ONU或交换机接入矿用信息服务器，接入方式为光纤或网线接入；

接入宽带/固网系统是指通过ONU或交换机接入宽带/固网，接入方式为光纤或网线接入。

包括接入单元、拓展单元和覆盖单元；接入单元位于矿井上，拓展单元和覆盖单元位于矿井下；

接入单元通过光纤、网线和射频线缆接入网络，接入单元和拓展单元通过光纤连接，拓展单元和覆盖单元通过光纤或网线连接，拓展单元和覆盖单元分别接入终端；接入单元将无线射频信号和IP数据数字化处理后传输到扩展单元，通过接入单元实现本地和远程监控；拓展单元实现数字基带下行信号的分路和上行信号的合路，覆盖单元完成无线射频信号和WIFI信号的发射和接收；

所述网络包括移动通信网、INTERNET网、PSTN、监控中心、定位服务器；

所述拓展单元接入终端是指接入电脑或IP电话；

所述覆盖单元接入终端是指接入本安型手机、WIFI人员定位设备、WIFI瓦斯信息采集设备。

所述接入单元包括业务处理模块U1、网管监控单元U2和电源单元U3，其连接关系为：

业务处理模块U1与网管监控单元U2连接，进行数据交互；

业务处理模块U1接入网络和扩展单元，形成上下行链路；

电源单元U3连接U1和U2，对其供电。

所述扩展单元包括数字处理模块U4、调制解调单元U5和电源/备份单元U6；

其连接关系为：

数字处理模块U4与调制解调单元U5连接，进行数据交互；

调制解调单元U5有线连接PC/IP电话；

电源/备份单元U6连接U4和U5，对其供电。

所述覆盖单元包括数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9、天线U10和电源/备份单元U11；

其连接关系是：

数字处理单元U7、一体化模块U9、天线U10依次连接组成上下行链路，覆盖单元与终端组成无线移动网络；

WLAN处理单元U8与数字处理单元U7连接，与人员定位设备、瓦斯信息采集设备组成WIFI网络；

电源/备份单元U11分别连接数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9，并对其提供能量。

所述接入单元信号处理过程如下：

下行链路：移动通信系统的基站BTS或拉远单元RRU通过射频线缆与业务处理模块U1连接，其射频信号经过业务处理单元U1后变成下行中频信号，下行中频信号变换为数字信号；宽带/固网业务及矿用专网定位、监控业务接入交换机或ONU后通过网线或光纤连接到接入单元的业务处理模块U1，其IP数据包与下行数字基带信号合路并打包成适合标准接口协议要求的帧格式，电光转换后光信号分成4路分别对应4个光口连接扩展单元；

上行链路：由拓展单元传输的光信号，经业务处理单元U1处理后分离出基带信号和以太网信号，其中以太网信号通过网线或光纤传输给交换机、WLAN_AC或ONU，基带信号经数字处理后转换为上行中频信号，上变频后将上行中频信号变频为上行射频信号传给基站或RRU。

所述扩展单元信号处理过程如下：

下行链路：从接入单元过来的光信号经过数字处理模块U4光电转换成数字信号，数字信号经FPGA处理并分离出数字基带信号和IP数据包，IP数据包包含宽带业务、IP电话业务、矿用专网定位、监控业务等，其中数字基带信号和矿用专网定位、监控业务包按照固定协议重新组帧打包后被送往光口和网口，通过光纤和五类线传输到覆盖单元；宽带业务、IP电话业务包被送到调制解调单元U5，经过解调分离出宽带业务和IP电话业务，业务通过五类线和双绞线分别接入PC和电话终端；

上行链路：PC和电话终端数据接入调制解调单元U5被统一打包成IP数据包，与来自光口或网口的数字信号按照固定协议重新组帧，电光转换后通过光纤传到接入单元。

所述覆盖单元信号处理过程如下：

下行链路：由拓展单元传输的光信号或电信号进入数字处理单元U7转换为数字信号；数字处理单元U7分离出基带信号和以太网信号，其中基带信号经数字处理后转换为下行中频信号；一体化模块U9将下行中频信号变频为下行射频信号，并通过天线单元U10辐射到空间中；以太网信号传输给WLAN处理单元U8，经上变频成5.8G WIFI射频信号后由WIFI天线完成信号发射；

上行链路：2G/3G无线信号由天线U10接收进入一体化模块后，将上行射频信号转换为上行中频信号，数字处理单元U7变换上行中频信号为基带信号，并与WLAN处理单元U8传输的以太网信号重新组帧，然后转换为光信号或以太网信号后传输给拓展单元。

所述网管监控单元U2包括操作系统、网管系统和液晶显示系统，网管监控单元U2通过业务处理单元U1实现本地和远程监控；用三级监控架构，接入单元与扩展单元之间为主从关系，接入单元为主机，扩展单元为从机，扩展单元将其状态信息上报给接入单元；覆盖单元为扩展单元的模块，两者采用485协议通信，覆盖单元将其信息上报给扩展单元，通过接入单元监控扩展单元和覆盖单元；网管监控单元U2中的网管系统中的网管软件OMT对接入单元和覆盖单元设备进行监控与查询，设备的状态、参数及告警信息在液晶显示系统中的液晶显示屏上直观地显示，液晶显示屏支持触摸和鼠标两种操作形式。

所述天线U10为定向天线和鞭状WIFI天线。

与现有技术相比，本发明采用把井上信源及业务拉远到井下的方案进行建网覆盖，抛开了传统在井下建信源与分布覆盖系统的方案，将3G无线通信与WIFI接入的优势相结合，考虑井下特殊地理环境采用光纤加五类线的方式组成星型、链型和混合型组网，设备安全可靠可快速拆除与安装，满足了矿用通信系统多网合一、快速可靠的接入覆盖需求。

附图说明

图1是本发明实施例的主体链路图。

图2是本发明实施例的接入单元内部实现构架图。

图3是本发明实施例的拓展单元内部实现构架图。

图4是本发明实施例的覆盖单元内部实现构架图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

实施例提供的一种新型矿用综合接入系统，设备包括接入单元、拓展单元和覆盖单元。

如图1所示，接入单元通过光纤、网线和射频线缆接入系统，接入单元和拓展单元通过光纤连接，拓展单元和覆盖单元通过光纤或网线连接，拓展单元和覆盖单元接入终端。其中系统是指2G或3G移动通信系统、人员定位系统、矿用信息采集系统和宽带/固网系统。终端是指PC、IP电话、本安型手机、人员定位设备、瓦斯信息采集设备。所述移动通信系统和宽带/固网系统属公共网络，人员定位系统、矿用信息采集系统属专用网络。所述终端均为矿用本安型，人员定位设备、瓦斯信息采集设备为采用WIFI技术的无线终端。

接入单元接入系统时其信号传输方式为：无线射频信号和IP数据业务进入业务处理模块U1，经过数字化处理后传输到扩展单元，网管监控单元U2采用三级监控架构完成接入单元、扩展单元和覆盖单元的状态查询、设置及告警上报，且通过接入端可实现本地和远程监控；

拓展单元信号传输方式为：数字处理模块U4实现数字基带下行信号的分路和上行信号的合路，调制解调模块U5负责完成IP数据业务的调制与解调，实现与PC、IP电话终端的有线接入。电源/备份单元U6对U4和U5模块供电并实现电源备份功能。

覆盖单元信号传输方式为：由拓展单元传输的光信号或以太信号转换为数字信号后进入数字处理单元U7,；数字处理单元U7分离出基带信号和以太网信号，其中以太网信号传输给WLAN处理单元U8并通过WIFI天线完成WIFI信号覆盖；基带信号经一体化处理模块U9后还原为射频信号，并通过天线U10完成无线信号覆盖。

各单元结构电路附图及技术原理如下。

1. 接入单元由业务处理模块U1、网管监控单元U2和电源单元U3组成，如图2.

其连接关系为：

业务处理模块U1与网管监控单元U2连接，进行数据交互；

业务处理模块U1接入系统和扩展单元，形成上下行链路；

电源单元U3连接U1和U2，对其供电。

接入单元信号处理原理如下：

下行：移动通信系统的基站（BTS)或拉远单元（RRU）通过射频线缆与业务处理模块U1连接，其射频信号经过业务处理单元U1后变成下行中频信号，下行中频信号变换为数字信号。宽带/固网业务及矿用专网定位、监控业务接入交换机或ONU后通过网线或光纤连接到接入单元的业务处理模块U1，其IP数据包与下行数字基带信号合路并打包成适合标准接口协议（如CPRI）要求的帧格式，电光转换后光信号分成4路分别对应4个光口连接扩展单元。

上行：由拓展单元传输的光信号，经业务处理单元U1处理后分离出基带信号和以太网信号，其中以太网信号通过网线或光纤传输给交换机、WLAN_AC或ONU，基带信号经数字处理后转换为上行中频信号，上变频后将上行中频信号变频为上行射频信号传给基站或RRU.

网管监控原理：

网管监控单元U2分为操作系统、网管系统和液晶显示系统三部分，网管监控单元U2通过业务处理单元实现本地和远程监控。系统采用三级监控架构，接入单元与扩展单元之间为主从关系，接入单元为主机扩展单元为从机，扩展单元将其状态信息上报给接入单元；覆盖单元为扩展单元的模块，两者采用485协议通信，覆盖单元将其信息上报给扩展单元，通过接入单元能监控扩展单元和覆盖单元。网管监控单元U2安装网管软件OMT后即可对设备进行监控与查询，设备的状态、参数及告警信息能在液晶显示屏上直观地显示，支持触摸和鼠标两种操作形式。

所述接入端含有N型射频接口、以太网光口/电口，光口/电口为1000M/100M自适应，采用2.5G SFP型激光器和LC/FC型单根尾纤，支持接入单元通过射频线缆、光纤和五类线接入系统网络。

所述接入单元与扩展单元支持一拖四的星型组网。

2. 扩展单元由数字处理模块U4、调制解调单元U5和电源/备份单元U6组成，如图3所示。

其连接关系为：

数字处理模块U4与调制解调单元U5连接，进行数据交互；

调制解调单元U5有线连接PC/IP电话；

电源/备份单元U6连接U4和U5，对其供电。

扩展单元信号处理原理如下：

下行：从接入单元过来的光信号经过数字处理模块U4光电转换成数字信号，数字信号经FPGA处理并分离出数字基带信号和IP数据包，IP数据包包含宽带业务、IP电话业务、矿用专网定位、监控业务等，其中数字基带信号和矿用专网定位、监控业务包按照固定协议重新组帧打包后被送往光口和网口，通过光纤和五类线传输到覆盖单元。宽带业务、IP电话业务包被送到调制解调单元U5，经过解调分离出宽带业务和IP电话业务，业务通过五类线和双绞线分别接入PC和电话终端。

上行：PC和电话终端数据接入调制解调单元U5被统一打包成IP数据包，与来自光口或网口的数字信号按照固定协议重新组帧，电光转换后通过光纤传到接入单元。

所述数字处理模块U4含8个光口和4个千兆网口，同时支持光纤和网线连接覆盖单元，根据矿井地形组网需要，扩展单元和覆盖单元可实现星型、链型组网，组网灵活、方便。

调制解调单元U5含4个RJ45网口和2个RJ11电话口支持终端有线接入，满足了井下对宽带和电话的需求。

电源/备份单元U6接受外部直流受电并对数字处理模块和调制解调单元供电，考虑矿用电源特殊要求，电源/备份单元内含高性能氢锂电池组，可满足扩展单元外部断电2小时内设备能正常工作。

所述接入单元基于矿用本安型设计，满足井下含有甲烷和煤尘爆炸性混合物但无破坏绝缘和腐蚀性气体的场合的矿井中。

3. 覆盖单元由数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9、天线U10和电源/备份单元U11，如图4所示。

其连接关系是：

数字处理单元U7、一体化模块U9、天线U10依次连接组成上下行链路，与手机终端等组成无线移动网络；

WLAN处理单元U8与数字处理单元U7连接，与人员定位设备、瓦斯信息采集设备组成WIFI网络；

电源/备份单元U11分别连接数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9，并对其提供能量。

覆盖单元信号处理原理如下：

下行：由拓展单元传输的光信号或电信号进入数字处理单元U7转换为数字信号。数字处理单元U7分离出基带信号和以太网信号，其中基带信号经数字处理后转换为下行中频信号。一体化模块U9将下行中频信号变频为下行射频信号，并通过天线单元U10辐射到空间中。以太网信号传输给WLAN处理单元U8，经上变频成5.8G WIFI射频信号后由WIFI天线完成信号发射。

同理，上行链路中，2G/3G无线信号由天线U10接收进入一体化模块后，将上行射频信号转换为上行中频信号，数字处理单元U7变换上行中频信号为基带信号，并与WLAN处理单元U8传输的以太网信号重新组帧，然后转换为光信号或以太网信号后传输给拓展单元。

WIFI接入处理原理为：矿用人员定位器及瓦斯信息采集器将位置信息、瓦斯浓度等信息以WIFI信号传输给WLAN处理单元，WIFI天线接受到信号后经下变频成中频信号，经FPGA处理成满足标准协议的以太网信号，以太网信号和数字基带信号经数字处理单元U7重新组帧后转换为光信号或以太网信号后传输给拓展单元。

供电单元U11获取外部能量，并分别给数字处理单元U7、WLAN处理单元U8\一体化模块U9提供能量。

所述覆盖单元为本安型设计，IP65防护等级，满足井下特殊环境需求。

而且，拓展单元和覆盖单元可建立星型、链型或混合型组网，且覆盖单元与覆盖单元支持链型组网以满足信号拉远的需要。

而且，扩展单元与覆盖单元可采用网线和光纤连接，覆盖单元与覆盖单元采用光纤拉远。

所述天线U10为单极化宽带定向天线用于覆盖2G/3G信号，WIFI天线为鞭状圆极化全向天线用于接收人员定位信号、瓦斯采集信息等WIFI信号。

所述覆盖单元针对矿井拐角多、阻挡多的特点，覆盖单元挂墙安装支架采用腰圆孔的结构设计，能够上下、左右调节倾角。且覆盖单元功率智能可调节，在接入单元可远程调整各覆盖单元功率大小，真正做到了矿用的定点覆盖、按需覆盖。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：利用数字信号处理技术同时接入移动通信系统、人员定位系统、矿用信息采集系统、宽带/固网系统；

接入移动通信系统是指接入基站或RRU设备，接入方式为射频线缆接入；

接入人员定位系统是指通过ONU或交换机接入人员定位服务器，接入方式为光纤或网线接入；

接入矿用信息采集系统是指通过ONU或交换机接入矿用信息服务器，接入方式为光纤或网线接入；

接入宽带/固网系统是指通过ONU或交换机接入宽带/固网，接入方式为光纤或网线接入；

包括接入单元、拓展单元和覆盖单元；接入单元位于矿井上，拓展单元和覆盖单元位于矿井下；

接入单元通过光纤、网线和射频线缆接入网络，接入单元和拓展单元通过光纤连接，拓展单元和覆盖单元通过光纤或网线连接，拓展单元和覆盖单元分别接入终端；接入单元将无线射频信号和IP数据数字化处理后传输到扩展单元，通过接入单元实现本地和远程监控；拓展单元实现数字基带下行信号的分路和上行信号的合路，覆盖单元完成无线射频信号和WIFI信号的发射和接收；

所述网络包括移动通信网、INTERNET网、PSTN、监控中心、定位服务器；

所述拓展单元接入终端是指接入电脑或IP电话；

所述覆盖单元接入终端是指接入本安型手机、WIFI人员定位设备、WIFI瓦斯信息采集设备。

2.按权利要求1所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述接入单元包括业务处理模块U1、网管监控单元U2和电源单元U3，其连接关系为：

业务处理模块U1与网管监控单元U2连接，进行数据交互；

业务处理模块U1接入网络和扩展单元，形成上下行链路；

电源单元U3连接U1和U2，对其供电。

3.按权利要求1所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述扩展单元包括数字处理模块U4、调制解调单元U5和电源/备份单元U6；

其连接关系为：

数字处理模块U4与调制解调单元U5连接，进行数据交互；

调制解调单元U5有线连接PC/IP电话；

电源/备份单元U6连接U4和U5，对其供电。

4.按权利要求1所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述覆盖单元包括数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9、天线U10和电源/备份单元U11；

其连接关系是：

数字处理单元U7、一体化模块U9、天线U10依次连接组成上下行链路，覆盖单元与终端组成无线移动网络；

WLAN处理单元U8与数字处理单元U7连接，与人员定位设备、瓦斯信息采集设备组成WIFI网络；

电源/备份单元U11分别连接数字处理单元U7、WLAN处理单元U8、一体化模块U9，并对其提供能量。

5.按权利要求2所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述接入单元信号处理过程如下：

下行链路：移动通信系统的基站BTS或拉远单元RRU通过射频线缆与业务处理模块U1连接，其射频信号经过业务处理单元U1后变成下行中频信号，下行中频信号变换为数字信号；宽带/固网业务及矿用专网定位、监控业务接入交换机或ONU后通过网线或光纤连接到接入单元的业务处理模块U1，其IP数据包与下行数字基带信号合路并打包成适合标准接口协议要求的帧格式，电光转换后光信号分成4路分别对应4个光口连接扩展单元；

上行链路：由拓展单元传输的光信号，经业务处理单元U1处理后分离出基带信号和以太网信号，其中以太网信号通过网线或光纤传输给交换机、WLAN_AC或ONU，基带信号经数字处理后转换为上行中频信号，上变频后将上行中频信号变频为上行射频信号传给基站或RRU。

6.按权利要求3所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述扩展单元信号处理过程如下：

下行链路：从接入单元过来的光信号经过数字处理模块U4光电转换成数字信号，数字信号经FPGA处理并分离出数字基带信号和IP数据包，IP数据包包含宽带业务、IP电话业务、矿用专网定位、监控业务等，其中数字基带信号和矿用专网定位、监控业务包按照固定协议重新组帧打包后被送往光口和网口，通过光纤和五类线传输到覆盖单元；宽带业务、IP电话业务包被送到调制解调单元U5，经过解调分离出宽带业务和IP电话业务，业务通过五类线和双绞线分别接入PC和电话终端；

上行链路：PC和电话终端数据接入调制解调单元U5被统一打包成IP数据包，与来自光口或网口的数字信号按照固定协议重新组帧，电光转换后通过光纤传到接入单元。

7.按权利要求4所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述覆盖单元信号处理过程如下：

下行链路：由拓展单元传输的光信号或电信号进入数字处理单元U7转换为数字信号；数字处理单元U7分离出基带信号和以太网信号，其中基带信号经数字处理后转换为下行中频信号；一体化模块U9将下行中频信号变频为下行射频信号，并通过天线单元U10辐射到空间中；以太网信号传输给WLAN处理单元U8，经上变频成5.8G WIFI射频信号后由WIFI天线完成信号发射；

上行链路：2G/3G无线信号由天线U10接收进入一体化模块后，将上行射频信号转换为上行中频信号，数字处理单元U7变换上行中频信号为基带信号，并与WLAN处理单元U8传输的以太网信号重新组帧，然后转换为光信号或以太网信号后传输给拓展单元。

8.按权利要求2所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述网管监控单元U2包括操作系统、网管系统和液晶显示系统，网管监控单元U2通过业务处理单元U1实现本地和远程监控；用三级监控架构，接入单元与扩展单元之间为主从关系，接入单元为主机，扩展单元为从机，扩展单元将其状态信息上报给接入单元；覆盖单元为扩展单元的模块，两者采用485协议通信，覆盖单元将其信息上报给扩展单元，通过接入单元监控扩展单元和覆盖单元；网管监控单元U2中的网管软件OMT对接入单元和覆盖单元进行监控与查询，设备的状态、参数及告警信息在液晶显示系统中的液晶显示屏上直观地显示，液晶显示屏支持触摸和鼠标两种操作形式。

9.按权利要求4所述的一种新型矿用综合接入系统，其特征在于：所述天线U10为定向天线和鞭状WIFI天线。