矿井移动通信系统的制作方法

文档序号:7899932阅读:405来源:国知局
专利名称:矿井移动通信系统的制作方法
技术领域
本实用新型属于通信技术领域,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,井下通信中断、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,然而由于煤矿井 下的特殊性,制约了矿井移动通信的发展。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。特别是在煤矿井 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、漏 泄通信、分布式天线技术同时应用于矿井移动通信,未能将WiFi、WiMAX、Zigbee、GSM、CDMA、 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和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,未能采用矿井移动通信系统解 决井下通信盲区问题。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。

实用新型内容本实用新型的目的就是为了解决上述不足之处,特别是为解决目前矿井通信系统 功能单一、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、维护 成本高和难以消除通信盲区等实际应用问题。本实用新型提供一种结构简单、部署灵活、便 于维护、成本较低,能够消除通信盲区,满足矿井生产调度、应急通信和抢险救灾需要的矿 井移动通信系统。该系统具有高带宽、高冗余、抗故障、抗干扰能力强、覆盖范围广和满足煤 矿井下爆炸性气体环境使用要求等特点。为了实现上述目的,本实用新型采用以下技术方案一种矿井移动通信系统由以太网无源光网络、无线接入网络、控制系统和移动台 构成。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技术;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。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;控制系统通过以太网接口与光线路终端连接;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 架设在井下通信盲区,以实现井下无线通信区域的场强均勻覆盖,消除井下无线通信盲区。所述矿井移动通信系统,光线路终端通过光纤、无源分光器与防爆光网络终端连 接组成双总线形或双环形系统主干网络,系统主干网络为千兆以太网无源光网络。所述矿井移动通信系统无线接口采用WiFi接口、WiMAX接口、Zigbee接口、GSM接 口、⑶MA接口、TODMA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。所述矿井移动通信系统,基站控制器通过无源光网络连接井下防爆基站,井下防 爆移动台通过无线接口接入井下防爆基站。所述矿井移动通信系统,光线路终端和防爆光网络终端均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连接多个防爆光网络终端。所述矿井移动通信系统,所述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;光线路终端通过WDM单元将发射单元输出的下行光信号波分复用 后通过光网络向防爆光网络终端传输,并且将各防爆光网络终端WDM单元波分复用后的上 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;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,井下防爆基站为井下防爆 移动台提供无线接入。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、PR0FIBUS总线 接口、L0NW0RKS总线接口、FF总线接口、RS232/485接口、E1接口和Z接口 ;防爆光网络终 端将以太网数据信号、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。所述井下防爆基站提供光接口、电接口、USB接口、CAN总线接口、PR0FIBUS总线接 口、L0NW0RKS总线接口、RS232/485接口、FF总线接口、DSL接口和无线接口。所述矿用光线路终端提供EP0N接口、以太网接口、GP0N接口、E1接口和V5接口, 为系统提供外网互联及中继线路接入。所述矿井移动通信系统,移动台为本质安全型防爆设备。本实用新型的优点是1.通过矿井移动通信系统实现井下无线通信区域的场强均勻覆盖,实现井下无盲 区通信。2.通过采用双总线形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.通过以太网无源光网络和多种无线通信技术,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。4.通过采用 WiFi、WiMAX、Zigbee、GSM、CDMA、WCDMA, CDMA2000、TD-SCDMA 和 UWB 等多种无线接入技术,使系统具有更强的抗灾变和应急通信能力。[0023]5.通过采用漏泄天线和分布式天线,实现了信号的均勻覆盖,克服了系统在矿井 巷道拐弯等盲区通信的问题,提高了切换性能,增强了系统的鲁棒性。6.通过采用GEP0N接口、以太网接口、E1接口和V5接口,系统实现与外网互联和 中继线路的接入。7.通信系统主要由光线路终端、基站控制器、防爆光网络终端、井下防爆基站、防 爆移动台、漏泄天线和分布式天线组成,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。系统功能强大、可承载目前井下环境主要的通信业务,该系统工作 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

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为防爆光网络终端的结构框图;图5为井下防爆基站的结构框图;图6为光线路终端接口框图。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。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案、特点和优点更加清楚,
以下结合附图和具体实施方 式对本实用新型进一步说明。图1为矿井移动通信系统的系统组成框图,系统包括光线路终端1、基站控制器2、 无源分光器3、防爆光网络终端4、井下防爆基站5、防爆移动台6、漏泄天线7、基站天线8、 分布式天线9。基站控制器2与光线路终端1连接;光线路终端1通过光纤及无源分光器3 与防爆光网络终端4连接组成覆盖井上局端到井下巷道及分支巷道的千兆无源光网络,根 据矿井巷道分布及井下设备连接情况主干网络部署成环形或双环形冗余以太网无源光网 络。系统采用以太网无源分网络和无线接入网络,光信号作为载波信号,射频信号作为调制 信号,可实现单纤双向传输光信号,从而实现射频信号的双向传输;井下无线接入网络包括 井下防爆基站、漏泄天线、基站天线和分布式天线;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分别与漏泄天线7、基站天线8、分布式天线9连接,防爆移 动台6通过无线信道接入井下防爆基站5,实现井下无线通信。来自井上局端的基站控制器和光线路终端的下行信号经过无源分光器滤波分路, 然后通过耦合器、防爆光网络终端的WDM单元、井下防爆基站光收发单元、漏泄天线、基站 天线和分布式天线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。漏泄天 线和分布式天线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。由光线路终端发送 的下行光信号采用波长为1490nm、经WDM单元波分复用后进行射频发送,至防爆光网络终 端WDM单元和光接收单元,再经井下防爆基站接收射频信号,然后经井下防爆基站射频电 路进行功放和滤波处理后,最后通过漏泄天线、基站天线和分布式天线通过无线信道发送 至井下防爆移动台天线,通过天线开关、选频模式开关完成射频收发,实现井下无盲区移动 通信;上行信号则反之,由井下防爆基站将来自防爆移动台6的发送射频信号经防爆光网 络终端4光接收单元,由防爆光网络终端发送的上行信号采用波长为1310nm、经WDM单元波 分复用后发送至光线路终端WDM单元和光接收单元,最后到达基站控制器2进行接收。基 站控制器2为井下防爆基站5进行无线资源的分配、呼叫处理和功率控制,对本控制区内移 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,并完成对基站子系统 的操作维护功能。图2为矿井移动通信系统的网络结构框图,由至少两条光纤与无源光分光器连接 组成双总线或双环形网络结构,光线路终端与防爆光网络终端通过双总线或双环形网络互 连,构成系统主干网络。每个防爆光网络终端连接双总线主干网络链路,每个防爆光网络终 端通过连接两个分光器实现冗余链路和单纤双向复用传输,当其中任一光纤链路或无源器 件出现故障时都不会影响矿井移动通信系统,从而提高了系统可靠性和抗故障能力。在系 统网络部署中,可根据井下设备、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,便于井下防爆基站的接入。图3为以太网无源光网络工作原理框图,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0LT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移 动终端;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0NU处理 芯片通过WDM单元44L(1310nm/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 1310nm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局端光 线路终端,最后再转换成射频信号发送至井上基站控制器2。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 0AMPDU/MPCPDU完成网络终端发现、链路测距和用户注册等过程。图4为防爆光网络终端结构框图,防爆光网络终端4与井下防爆基站5连接。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EP0N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、PR0FIBUS总线接口模块404、L0NW0RKS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EP0N接口模块41L接入主干网络,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 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 403、 PR0FIBUS 总线接口 404、L0NW0RKS 总线接口 405、FF 总线接口 406、RS232/485 接口 407 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 42L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 43L实现井下模拟有线电话接入IP网络。图5为矿用井下防爆基站的电路框图,井下防爆基站完成5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、无线网络控制等信号处 理工作。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、PR0FIBUS总线 接口 504、L0NW0RKS 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52U主要完成无线接口的编码、复用、调制和扩频等基带处理功能、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50L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52U与射频电路模块50L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、CDMA接口、WCDMA接口、CDMA2000接口、TD-SCDMA接口和UWB接口与井下移动通信设 备进行无线通信,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,实现 井下语音、数据和图像传输。井下防爆基站完成5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。主控模块50U和基带处理模块52U连接至交换及接口转换电路51U, 进行接口及输入信号的转换。基带处理模块52U完成基带处理任务,交换及接口转换电路 51U由FPGA实现,完成时序转换功能。射频电路模块50L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,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 52U。射频电路模块50L在发射状态下,基带处理模块52U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,基带处理 模块52U根据网管命令输出功率控制信号(APC),控制激励级和末级的增益,以控制发射功 率。图6为光线路终端接口框图,光线路终端1包括EP0N接口 601、以太网接口 602、GP0N接口 603、E1接口 604、V5接口 605和WDM单元44L。光线路终端1通过WDM单元44L、 EP0N接口 601与无源分光器3连接;光线路终端1通过以太网接口 602与外网连接;光线 路终端1通过GP0N接口 603与GP0N无源光网络或地面3G无线网络连接;光线路终端1通 过E1接口 604与基站控制器、专线网络连接;光线路终端1通过V5接口 605与中继线路连 接,接入PSTN公共有线电话网络。 显然,对于本领域技术人员而言,在不脱离本实用新型的实质和范围的前提下进 行的各种变更和修改均涵盖在保护范围之内。
权利要求一种矿井移动通信系统,其特征在于,系统由光线路终端、基站控制器、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、分布式天线和防爆移动台组成;光线路终端通过双总线或双环形结构的光纤和无源分光器与多个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分别与漏泄天线、基站天线、分布式天线连接。
2.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统,其特征在于,所述防爆光网络终端包括 处理单元、通信接口电路和电源;通信接口电路包括EP0N接口模块、光接口模块、以太网接 口模块、CAN总线接口模块、PR0FIBUS总线接口模块、L0NW0RKS总线接口模块、FF总线接口 模块、RS232接口模块、RS485接口模块、E1接口模块、Z接口模块和WDM单元,其分别与处 理单元连接。
3.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统,其特征在于,所述井下防爆基站包括基 站处理单元、有线接口电路、无线接口电路和电源;其中有线接口电路包括以太网接口、USB 接口、CAN总线接口、PR0FIBUS总线接口、L0NW0RKS总线接口、FF总线接口、RS232接口、 RS485接口和DSL接口,其分别与基站处理单元相连;其中无线接口电路包括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,其分别与基站处理单元相连。
4.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统,其特征在于,所述漏泄天线是八字形槽 孔结构的阻燃型漏泄电缆,所述分布式天线是无源分布式天线。
5.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统,其特征在于,光线路终端包括EP0N接口、 以太网接口、GP0N接口、E1接口、V5接口和WDM单元。
6.根据权利要求1所述的矿井移动通信系统,其特征在于,防爆移动台为本质安全型 防爆设备。
专利摘要本实用新型公开了一种矿井移动通信系统,该系统由光线路终端、基站控制器、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、分布式天线和防爆移动台组成;光线路终端通过双总线或双环形结构的光纤和无源分光器与多个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分别与漏泄天线、基站天线、分布式天线连接。该系统具有结构简单、部署灵活、便于维护,成本较低,抗干扰能力强,消除井下通信盲区,满足煤矿井下爆炸性气体环境使用要求等优点,解决了目前矿井通信系统功能单一,系统抗干扰和抗故障能力差,网络覆盖范围小,维护成本高,无法消除井下通信盲区等实际应用问题。
文档编号H04W16/26GK201590905SQ20102011307
公开日2010年9月22日 申请日期2010年2月12日 优先权日2010年2月12日
发明者孙继平, 张帆 申请人:中国矿业大学(北京)
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