1、礦山行業應用WCDMA無線通訊技術可行性分析1. 礦山行業無線通訊現狀隨著國家對礦山安全生產的日益重視，礦山企業對通信的安全性、便捷性、可靠性、實用性的需求越來越強烈。但是由于礦山主要作業面廣闊，作業點分散，而巷道數量增加和分布也越來越復雜。所以在多工序、多環節、多地點地分層立體交叉的作業模式下，井下通訊系統的不便，在限制了作業效率進一步提高的同時，也造成了一系列安全隱患。在此背景下，將先進的無線技術應用于井下和井上的無線調度和行政通信、并與固定電話方式的調度、行政通信系統合而為一，實現通信的移動化、一體化、業務的多樣化，成為礦山企業信息系統現代化建設的中心內容。目前市場上礦用無線通信技術占據

2、主流地位的主要有：PHS無線通信系統（小靈通）、WIFI無線通信系統、TD-SCDMA無線通信系統、WCDMA無線通信系統。1) PHS無線通信系統（小靈通）PHS無線通信系統（小靈通）作為我國第一個煤礦無線通信技術標準，是目前我國煤礦電力石化等工業移動生產與調度通訊市場中應用范圍最廣的無線專網通信解決方案。PHS小靈通具有語音通話質量好、規模組網通信規范、移動切換呼通率高、施工與維護成本低、產品綠色環保安全、系統增值業務豐富等技術優勢，特別是其無線微蜂窩基站井下分布式組網覆蓋、手機/固話混合通訊調度、終端錳酸鋰電池超長待機等先進的技術理念，都成為了后來出現的礦井無線通信技術的行業指導性規范，

3、對煤礦無線通信技術的發展起到了創始奠基作用。但是PHS存在單基站信道少、系統無法與煤礦光纖環網互聯互通、寬帶數據接入能力薄弱等缺陷，同時由于國家產業政策，2009年2月政府主管部門已明確要求所有1900-1920MHz頻段無線接入系統在2011年底前完成清頻退網工作，以確保不對1880-1900MHz頻段TD-SCDMA系統產生有害干擾。目前所有生產廠家都停止生產，設備及板卡無法買到，對今后維護及故障處理造成最大困難。2) WIFI無線通信系統WIFI是在小靈通退網后涌入煤礦的眾多專網無線通信技術之一，WIFI屬于國際電信聯盟ITU規定的短距無線寬帶數據接入標準，即：IEEE 802.11，全

4、稱Wireless Fidelity，使用2.4GHz附近頻段，具有覆蓋范圍廣、傳輸速度高、布網成本低等特點。礦井WIFI具有單基站語音業務信道多、支持煤礦光纖環網對接、無線微蜂窩AP分布式組網、支持寬帶數據接入等技術優勢，特別是其多網合一與IP融合技術代表了未來礦山統一通信的發展方向。但是WIFI技術本身不支持移動語音通信業務，依賴數據進行語音的傳輸，而WiFi傳輸帶寬隨環境動態變化，帶寬越小，時延越大，因此通話質量無法保障。加上沒有嚴格的同步機制，又加大了通話時延，嚴重影響通話質量。并且WIFI不具備移動通信所必需的完善的空口同步機制與可靠的移動漫游切換技術，在井下通訊應用過程中，特別是在

5、手機移動或組呼群呼時，WIFI終端通話漫游與跨基站成功率僅為50%，而由于缺少移動通信所必需的空口協議標準和嚴格的產品技術規范，因此，WIFI不具備大規模多基站的通信組網能力和相應的通信理論基礎。最重要的是WIFI大功率AP所在2400MHz頻段和其DSSS直序擴頻的調制方式，決定了WIFI信號沒有任何空間繞射、透射能力，且無線電輻射衰落劇烈，對于礦山企業復雜的工作面環境不能進行有效覆蓋，最終無法滿足用戶井上井下可靠通訊的需求。所以目前礦井WIFI實用效果參差不齊，產品服務混亂不堪，技術改造升級嚴重滯后，無法長期持續跟蹤煤礦通信行業發展，這些都是未來礦井WIFI面臨的最大挑戰。3) TD-SC

6、DMA無線通信系統中國第三代移動通信網絡建設經過十年飛速發展，中國聯通的WCDMA、中國電信的CDMA2000、中國移動的TD-SCDMA三個3G標準在中國市場上的殘酷競爭，隨著2013年國家工業信息產業部發布了未來重點投資LTE-4G第四代移動通信標準研發與試驗網建設而落下帷幕。TD-SCDMA手機已逐漸銷聲匿跡，而此時中國聯通的WCDMA用戶數量已經占據了國內3G市場70%的份額。TD-SCDMA技術是ITU發布的第三代移動通信空間接口技術規范之一。TD-SCDMA的特點是上下行同頻段，通過時隙配置為上下行信道提供無線承載。TD-SCDMA可支持速率從8kbps到2Mbps的語音、互聯網等

7、所有的3G業務。目前TD-SCDMA礦用通信系統采用BBU+RRU拉遠方式，BBU部署在地面，RRU作為井下無線站點部署在井下，地面與井下采用私有的Ir接口，必須使用裸光纖，無法直接使用井下工業以太環網。這樣，就需要重新拉光纖，重新部署傳輸網，增大了施工復雜度，施工成本。另外不便于隨著巷道的延伸進行擴容，維護成本也隨之增高。并且井下基站與BBU通過多個RRU級聯方式連接，當BBU出現故障，會導致全網無法工作，或者某個中間RRU故障，會導致整個鏈上的RRU無法工作。TD-SCDMA除在中國移動已經規模應用，在日本軟銀有小規模應用，全球其他國家無應用。終端解決方案廠商集中在聯芯，T3G,展訊等公司

8、，數據終端少，相關產業鏈、技術人員、軟硬件資源都將隨著國家產業政策的轉型迅速流失殆盡，這就為TD-SCDMA技術長期跟蹤煤礦通信市場發展與可持續產品技術升級帶來了重大隱患。4) WCDMA無線通信系統WCDMA技術是ITU正式發布的第三代移動通信空間接口技術規范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，通過10多年的發展和7年的商用，使其成為目前世界上最成熟的3G技術。WCDMA集CDMA、FDMA技術優勢于一體、系統容量大、抗干擾能力強的移動通信技術。WCDMA發展空間較大，技術成熟性最佳，所呈現的先進的移動無線系統是有較高的擴頻增益。因此，WCDMA在提供高速數據業務方面，與3G其他技術

9、相比，具有絕對的優勢，可支持語音、互聯網等所有的3G業務。WCDMA是異步網絡，WCDMA的網絡在許多環境下更易于部署，即使在礦井中GPS信號無法到達的地方也能安裝基站，實現真正的無縫覆蓋。而應用于礦山的WCDMA為基于微基站的礦用無線通信系統，每一個站點就是一個獨立的基站，支持即插即用。傳輸采用IP方式，可接入以太環網,支持光口或電口等多種方式。并且隨著巷道的延伸，可以通過直接增加基站實現擴容，大幅降低了工程復雜度、施工成本和擴容維護成本。更重要的是基于微基站的WCDMA礦用無線通信系統在傳輸鏈路被切斷的情況下，基站支持自組網，通過無線方式和其他基站以及地面設備建立傳輸鏈路，確保正常提供服務

10、。在發生事故情況下，為人員救助提供了通信保障。另外WCDMA煤炭無線通信系統網絡設備起源于公網，公網先進的技術升級可方便的移值到煤炭通信系統中，而WCDMA在公網的大量應用使得其產業鏈相當成熟，確保系統特別是終端的普及和低成本，并且能保證煤炭無線通信系統技術的先進性，不會造成類似小靈通的技術無法升級以及WIFI的無法演進的情況。由上述分析可知，WCDMA技術作為商用最早、運營網絡最多和數據速率最高的3G技術，其系統設備技術領先、產業鏈成熟、運行穩定、可靠，是目前最適合礦山企業的井下無線通信系統，能夠很好地滿足煤炭企業新型通信聯絡系統的需求和建設目標。另外，隨著移動通信技術的發展，4G無線通信系

11、統LTE也開始進入礦山無線專網中，并已開展積極的應用探索。2. 面向行業的WCDMA技術分析2.1. WCDMA系統組成面向礦山行業的WCDMA礦用無線通信系統主要由集綜合系統交換與調度于一體的融合智能交換機、接入網關、本質安全型基站、不同種類的終端等組成，如震有3G礦用企業級微站系統采用扁平化全IP架構，有效減少了網元數目，并針對礦山應用的特殊需求，對整機功耗、發射功率、回傳網等網元進行了優化；有效的解決了礦下連續覆蓋及高速數據傳輸的需求。其網絡架構如下：整個系統包括基站、接入網關和核心網三個主要網元，其中：l 基站：企業級微站，無線接入子系統；支持WCDMA標準空中接口協議，支持語音、視頻

12、、數據、切換等業務。l 接入智能網關：位于WCDMA基站和核心網之間，負責對基站側的信令和數據進行匯聚和分發，核心網側實現Iu接口；同時負責對基站用戶的注冊和接入控制等。l 核心網：融合通信網關，實現電路、數據雙域功能；支持基于IP的標準Iu接口，支持語音編解碼、視頻轉發、短信、上網、以及移動性管理等業務，可作為接入PSTN、PLMN網關，同時可以作為RNC設備接入MSC。另外，同傳統的運營商基站設備相比，震有科技的企業級微站系統具有如下優點：l 系統扁平化，基站集成了NodeB和RNC功能：信令的處理集中在基站，信令交互少，時延小；并有效的減少了網元數目、組網方式簡單；l 硬件平臺化，同一個

13、硬件平臺支持WCDMA、TDD-LTE、FDD-LTE等多種制式；l 軟件模塊化：上層軟件采用模塊化設計，最大化的實現軟件模塊復用，極大縮短了新系統開發周期。2.2. WCDMA技術優勢1) 語音視頻數據同傳業務帶寬高WCDMA空口業務帶寬為上行可達5.7M/下行可達14.4M，是小靈通的5倍，TD-SCDMA的4倍；WCDMA基站可同時接入32路手機話路，是WIFI的2倍，是小靈通的10倍。2) 組網簡單、快速建網微基站集成基站控制器RNC及基站的基帶與射頻部分，接口采用全IP協議棧模型，可充分利用井下的工業以太環網，不需要單獨為礦用無線通信調度系統部署單獨的光纜，避免重復投資、減少施工難度

14、。井下基站小型化、安裝簡單、即插即用、施工便捷。3) 覆蓋距離遠根據煤礦巷道空間直線覆蓋與礦道交叉分叉組網通信特點，震有科技WCDMA微基站實現了基站雙天線全雙工雙向覆蓋，在200mW/天線狀態下，用增益為14dBi的板狀天線，無遮擋實際測試，1000m處手機接入正常，通話正常，接通率100%，可實現視頻通話；1300m處接通率為96%；1500m處有80%左右的接通率。是TD-SCDMA的2倍，小靈通的4倍，WIFI的6倍，不僅成倍提高了礦井基站覆蓋范圍，而且減少了井下布網施工難度。4) 抗毀性網絡在傳輸鏈路被切斷的情況下，WCDMA基站支持自組網，通過無線方式和其他基站以及地面設備建立傳輸

15、鏈路，確保正常提供服務。在發生礦難情況下，為人員救助提供了通信保障。5) 高安全性WCDMA一方面支持強大的雙向鑒權和加密、完整性保護機制，另一方面使用的是3G無線通信專用頻段，是最安全的3G網絡。并且針對礦山井下特殊環境，基站本質安全型設計，設備安全。6) 業務豐富WCDMA礦用無線通信系統不僅僅支持基本的語音、短信業務，而且基于WCDMA的高帶寬特性，可靈活承載移動辦公，生產巡檢等各種數據業務，提供業界獨特的短信調度應用，并且可根據現代化礦山的特點，靈活定制適應于礦山安全生產的多種業務。7) 公網級聯WCDMA系統可以組建獨立的無線通信系統，在專網內多點互聯組網，提供各種業務.同時，震有科

16、技的WCDMA系統也可以將核心網MSC通過RANAP協議接入公網MSC，使得礦山的WCDMA無線通信系統接入到聯通的公網，實現與運營商聯建部署“寬聯礦山”方案，手機可以在井下私網和井上聯通公網無需換卡同時使用，真正實現了一機雙網與公私無縫漫游切換。8) 兼容性強nWCDMA礦用無線通信系統可以和不同制造商生產的公網模式的W終端兼容，產品豐富而價格實惠。并且微基站結構使得系統架構簡潔，造型小巧，設備安裝簡單，極大的降低系統的建網成本。9) 保護客戶投資WCDMA網絡是全球部署最為廣泛的網絡，也是全球產業鏈最為完整的3G無線移動通信系統，完整的產業鏈確保WCDMA技術作為移動通信的主流技術會長期發

17、展，不會產業鏈斷鏈，客戶的投資能夠得到長期的保證。3. LTE技術發展探討LTE，商業宣傳上通常被稱作4G LTE，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像的技術產品，其圖像傳輸質量與高清晰度電視相近。4G系統可實現以100 Mbs的速度下載文件，上傳速度也可達50 Mbs，能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。目前已在國內共在15個城市建設了TD-LTE試驗網,其中寧波、杭州、深圳、廣州、南京等實現了主要城區全覆蓋并開始規模4G體驗，3.1. LTE技術優勢LTE(Long Term Evolution)項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO 作

18、為其無線網絡演進的唯一標準，改善了小區邊緣用戶的性能，提高小區容量 和降低系統延遲。與3G相比，LTE具有如下技術特征：（1） 通信速率有了提高，下行峰值速率為100Mbps、上行為50Mbps。（2） 提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz，(3-4倍于R6HSDPA);上行鏈路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3倍。（3） 以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上將基于分組交換。（4） QoS保證，通過系統設計和嚴格的QoS機制，保證實時業務(如VoIP)的服務質量。（5） 系統部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統帶寬，并支持“paired”和“

19、unpaired”的頻譜分配。保證了將來在系統部署上的靈活性。（6） 降低無線網絡時延：子幀長度0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問題并降低了網絡時延，時延可達U-plan5ms，C-plan100ms。（7） 增加了小區邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率。如MBMS(多媒體廣播和組播業務)在小區邊界可提供1bit/s/Hz的數據速率。（8） 強調向下兼容，支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作。與3G相比，LTE更具技術優勢，具體體現在：高數據速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。3.2. LTE運營商組網目前中國三大運營商均已經開始

20、LTE網絡運營，運營商TD-LTE系統由多個子系統組成，包括終端UE、無線接入微基站子系統, 增強的數據核心子系統EPC(MME，SGW，PGW，PCRF)，統一歸屬用戶服務器HSS，取消了3G網絡中的CS域MSC-Server, MGW兩個物理網元。系統組網圖如下： (1) MME：Mobility Management Entity,MME是一個信令實體，主要負責移動性管理、承載管理、用戶的鑒權認證、SGW和PGW的選擇等功能；(2) SGW：Serving GW，SGW終結和E-UTRAN的接口，主要負責用戶面處理，負責數據包的路由和轉發等功能，支持3GPP不同接入技術的切換，發生切換時

21、作為用戶面的錨點；(3) PGW：PDN Gateway（Packet Data Network），PGW終結和外面數據網絡（如互聯網、IMS等）的SGi接口，是EPS錨點，即是3GPP與non-3GPP網絡間的用戶面數據鏈路的錨點，負責管理3GPP和non-3GPP間的數據路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）間的移動，還負責DHCP、策略執行、計費等功能。(4)HSS：Home Subscriber Servers是存儲用戶簽約信息數據庫，HSS存儲所有與用戶和業務相關數據的主要存儲器，主要數據包括:用戶身份、注冊信息、接入參數、業務觸發信息。HSS功能包

22、括三部分：IMS功能；CS域HLR/AUC功能；PS域HLR/AUC功能。(5)PCRF：Policy and Charging Rules Function策略與計費規則功能單元,PCRF提供對用戶和業務態QoS服務質量的控制，為用戶提供差異化的服務。并且能為用戶提供業務流承載資源保障以及流計費策略，真正讓運營商實現基于業務和用戶分類的更精細化的業務控制和計費方式。3.3. LTE語音解決方案LTE網絡架構提供了高帶寬的無線接入網絡，具有很高的數據傳輸速率、低時延、優化分組數據等多方面優點，但目前語音業務依然是各運營商的主要業務之一，而LTE標準不再支持用于支撐GSM,UMTS和CDMA20

23、00網絡下語音傳輸的電路交換技術，它只能進行全IP網絡下的分組交換。隨著LTE網絡的部署，運營商亟需解決LTE網絡中的語音傳輸問題。運營商通常使用以下三種方法之一解決LTE網絡中的語音傳輸問l VoLTE（Voice over LTE）：該方案基于IP網絡，配合LTE控制和媒體層面的語音服務標準，將語音以數據流形式在LTE網絡中傳輸，所以無需調用傳統電路交換網絡，舊網絡將無需保留。l 電路交換網絡回落（CSFB、Circuit Switched FallBack）：該方案中的LTE網絡將只用于數據傳輸，當有語音撥叫或呼入時，終端將使用原有電路交換網絡，因此運營商可以較迅速地向市場推出網絡服務。

24、l LTE與語音網同步支持（SVLTE、Simultaneous Voice and LTE）：該方案使用可以同時支持LTE網絡和電路交換網絡的終端，使得運營商無需對當前網絡作太多修改。但這同時意味著終端價格的昂貴和電力消耗的迅速。在運營商網絡中，由于LTE建網初期覆蓋面不足，而2G/3G網絡的建設已經成熟，鑒于對現有資源的利用和建網費用的考慮，盡管全行業視VoLTE為未來的標準，但是這個方案目前還不夠成熟，目前CSFB是運營商比較普遍的選擇。該方案可以使用戶同時附著在LTE和2G/3G網絡之上，當用戶主叫時自動選擇2G/3G網絡，當用戶被叫時從LTE網絡切換到2G/3G網絡完成語音呼叫，不但

25、可以實現語音業務的連續性，還能實現數據業務的連續性，當呼叫結束后，用戶設備UE在適當的時候返回即可。目前蘋果Iphome5S等企業的終端采用CSFB方式，而三星更傾向于SVLTE。4. WCDMA+LTE是礦山行業的最佳選擇4.1. WCDMA+LTE雙網協同方案LTE作為下一代無線通信的技術標準已經得到業內共識，目前LTE 已經得到了全球眾多主流運營商的支持，而2013年12月我國三大運營商獲得LTE牌照，此舉標志著我國電信產業正式進入了4G時代。然而LTE正如其名字一樣，目前正處于長期演進過程之中，LTE無線系統的整體建網成本依然較高，對當前市場情況下的中小型礦山企業造成一定的資金壓力。同

26、時LTE才開始在電信公網嶄露頭角，在對產品技術要求更加嚴酷苛刻的礦山專網通信市場還需要一定時間的演進。因此WCDMA依然是當前礦山行業無線通信系統的最佳選擇。LTE作為未來移動通信發展的主流，相關標準化、產業化和商用化處于飛速發展過程之中，而在LTE建網之初，由于LTE只支持分組域，在運營商通常采用原有網絡的CS域語音方案來提供語音服務，中國聯通更是明確“到了LTE時代，LTE是只提供數據服務的網絡，語音服務還要靠3G，中國聯通有最好的3G網絡，能夠更好的過渡到4G，這樣就能保證給用戶提供更好的服務”。因此不管是采用CSFB還是SVLTE技術來為LTE網絡提供語音解決方案，礦山行業專網現在建設

27、的WCDMA網絡在4G時代依然是整個系統的重要組成部分。WCDMA提供語音和部分數據功能，LTE提供熱點高速數據，二者使用相同的IP傳輸網絡，即“WCDMA+LTE”雙網協同運行方式，是未來礦山行業建設無線專網的最佳方式。震有科技“WCDMA+LTE”雙網協同運行方案示意圖如下所示：另外截止2014年第一季度，LTE語音方案最終發展的VoLTE技術在國內依然處于試驗階段，在以后技術發展成熟后，因為震有科技解決方案的核心網設備本身即支持基于數據交換的VoIP功能，可以無縫升級到IMS系統，自然實現LTE系統的最終演進。4.2. LTE終端產業研發進展實現“WCDMA+LTE”雙網協同運行方案重點之一是需要LTE終端的支持，由于LTE用戶市場蓬勃發展，整體終端設備的產業規模亦快速擴大，短短3年內已累計超過150多個LTE設備供貨商，LTE終端款式數量大增25倍達到1,563款。而五模十頻手機伴隨著國內4G網絡成長，隨著2013年TD-LTE和FDD-LTE網絡制式在中國大陸的試商用，2G的GSM制式和3G的TD-SCDMA/WCDMA制式并沒有在4G手機上遭到摒棄，所以，最后演變成了同時支持GSM/TD-SCDMA/WCDMA/TD-LTE/FDD-LTE的五模十頻手機。所謂的十頻是指頻段涵蓋：LTE TDD band38/39/40/41，LTE FDD band1/7/3/