专利名称:一种基于td-scdma的煤矿井下分布式基站系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统，煤矿井下分布式基站系统包括基站控制器和射频单元；所述基站控制器与射频单元通过光纤相连；基站控制器的上级接口接收地面设备传输过来的基带信号，并在中央处理模块将基带信号进行处理，处理后的基带信号通过下级接口传输至射频单元。基站控制器中央处理模块通过下级接口接收射频单元传输过来的基带信号处理后返回地面；基站控制器有多个下级接口，每个下级接口级联多个射频单元；其中，第一光模块接收基站控制器传输的基带信号，数字处理模块输出对基带信号处理后的射频信号，射频收发模块负责发射射频信号，提供TD-SCDMA网络的无线覆盖。
【专利说明】一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及网络【技术领域】，特别涉及一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统。
【背景技术】
[0002]TD-SCDMA(时分同步码分多址技术)是由中国提出的第三代(3G)移动通信标准，在2000年5月首次被国际电联(ITU)批准，并于2001年3月被3GPP认可为世界第三代移动通信的三个主要标准之一。该技术采用了智能天线、软件无线电、联合检测、接力切换、高速分组接入等一系列高新技术，TD-SCDMA具有频谱利用率高、系统容量大、适合开展数据业务、系统成本低、符合移动技术发展方向等突出优势。
[0003]TD-SCDMA中使用的射频单元拉远技术，使得超级基站成为可能，它可以连接数个甚至数十个位于远端的射频前端设备中的射频收发单元，用以连接一个天线或者多个天线，同时支持数个至数十个宏小区、微小区及微微小区。在做无线网络规划时，可以灵活地根据覆盖要求组成移动通信网，该通信网成本低、覆盖良好。尤其适合于热点地区补盲、室内覆盖、井下巷道覆盖等多种应用场合。
[0004]如图1所示，为传统地标准TD-SCDMA网络结构示意图。从图1可知，标准TD -SCDMA网络由核心网设备(CN)、无线网络控制器(RNC)、基带处理单元(BBU)和远端射频单元(RRU)几个单元组成。基带单元(BBU)可以连接数个甚至数十个位于远端的射频前端设备中的射频收发单元，同时支持数个至数十个宏小区、微小区及微微小区。在做无线网络规划时，可以灵活地根据覆盖要求，覆盖良好的移动通信网。
[0005]随着煤矿无线通信系统对无线语音，无线视频和无线数据业务的需求越来越多。需要设计一套可靠的适合于煤矿井下使用的无线通信系统，采用TD-SCDMA技术是很好的解决方案。
[0006]但是，如果把标准的TD-SCDMA系统直接应用于井下会有几个问题:
[0007]I)为了系统调试方便，核心网设备(CN)、无线网络控制器(RNC)和基带单元(BBU)三个设备需要布置在地面机房，远端射频单元布置于井下。从图1可以看出如果这样组网，地面和井下之间需要光纤连接，实际需要多少远端射频单元，就需要多少组光纤。布线复杂，可靠性降低。
[0008]2)每个远端射频单元为了增加覆盖范围，设计功率很大。但是，煤矿井下出于安全需要不适合布置大功率设备，这是一个矛盾。
[0009]3)远端射频单元无线信号覆盖大，而煤矿巷道结构复杂。覆盖范围广的无线信号由于受到巷道结构影响衰减很明显，实际覆盖效果不佳。
实用新型内容
[0010]为解决现有技术的问题，本实用新型提出一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统，解决传统地TD-SCDMA无线通信系统直接应用于煤矿井下出现的安全问题以及无线信号覆盖效果不佳的问题。
[0011]为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统，所述煤矿井下分布式基站系统包括地面设备和井下设备，其特征在于，所述井下设备包括基站控制器和射频单元，所述基站控制器与射频单元通过光纤相连；
[0012]所述基站控制器，包括中央处理模块、上级接口和下级接口 ；所述上级接口接收所述地面设备传输过来的基带信号，所述中央处理模块将所述基带信号进行处理，通过下级接口将处理后的基带信号传输至所述射频单元，完成射频单元的配置管理，以及所述中央处理模块通过所述下级接口接收所述射频单元传输过来的基带信号，所述中央处理模块将基带信号进行处理，通过上级接口将处理后的基带信号传输至地面设备；其中，所述基站控制器有多个下级接口，所述下级接口连接所述射频单元，每个下级接口级联多个射频单元;
[0013]所述射频单元，包括第一光模块、第二光模块、数字处理模块和射频收发模块；所述射频收发模块将接收到的射频信号传输至所述数字处理模块，所述数字处理模块将所述射频信号处理后输出基带信号，所述基带信号经第二光模块传输至所述基站控制器；所述第一光模块接受所述基站控制器传输的基带信号，所述数字处理模块对基带信号处理后输出射频信号，所述射频收发模块将射频信号发射出去，负责提供TD-SCDMA网络的无线覆至
ΠΠ O
[0014]优选地，所述射频单元还包括扩展接口 ；所述扩展接口，包括人员定位接口和状态指示接口，用于接收其他应用信息，扩展煤矿井下TD-SCDMA网络应用功能。
[0015]优选地，所述上级接口和下级接口均由可编程门阵列实现。
[0016]上述技术方案具有如下有益效果:解决了传统远端射频单元在煤矿井下无线信号覆盖效率低，施工困难，设备功耗大等问题。基站控制器(RXU)和射频单元(DRU)设计均灵巧小型化，此种分布式煤矿井下TD-SCDMA通信组网技术，具有单基站信号覆盖面积广(800m)、最大拉远距离2km，单系统可为总长33.6km巷道提供连续覆盖。井下通过基站控制器就可下灵活部署高达42个射频单元。不但给井下设备布置带来方便，还极大的改善了井下无线信号的覆盖效果。并且，传统地远端射频单元比设计出来的由基站控制器(RXU)和射频单元(DRU)构成的远端射频单元复杂，本技术方案降低了投入成本，适合煤矿井下特殊环境的应用。
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为传统地标准TD-SCDMA网络结构示意图；
[0019]图2为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统工作原理图；
[0020]图3为本实用新型提出一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统；
[0021]图4为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的基站控制器框图；
[0022]图5为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图之一；
[0023]图6为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图之二 ；
[0024]图7为本实施例的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的基站控制器框图；
[0025]图8为本实施例的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0027]如图2所示，为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统工作原理图。本技术方案的工作原理是:把标准TD-SCDMA通信组网技术中的远端射频单元RRU设备重新设计为两个物理设备，基站控制器RXU和射频单元DRU。本技术方案的基站控制器RXU可以有多个光口连接射频单元DRU，每个光口可以多级级联。比如:基站控制器RXU有7个光口，每个光口 6级级联，这样一台基站控制器最多可以管理42台基站(即射频单元DRU)，本技术方案的射频单元覆盖的巷道长度可达33.6公里。而未改进之前的远端射频单元RRU仅能覆盖2公里的巷道。所以这种把远端射频单元RRU设计成基站控制器RXU和射频单元DRU的方案，就可以把一个很大发射功率的设备，分布成许多个发射功率较小的设备，不但大大降低了生产成本，还更加适合煤矿井下信号覆盖使用。不仅性价比高，而且由于是分布式安装，所以井下施工方便。
[0028]如图3所示，为本实用新型提出一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统，所述煤矿井下分布式基站系统包括地面设备201和井下设备202，所述井下设备202包括:基站控制器2021和射频单元2022。
[0029]如图4所示，为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的基站控制器框图。所述基站控制器2021，包括中央处理模块1、上级接口 2和下级接口 3 ;所述上级接口 2接收所述地面设备201传输过来的基带信号，所述中央处理模块I将所述基带信号进行处理，通过下级接口 3将处理后的基带信号传输至所述射频单元2022，完成射频单元2022的配置管理，以及所述中央处理模块I通过所述下级接口 3接收所述射频单元2022传输过来的基带信号；其中，所述基站控制器2021有多个下级接口 3，所述下级接口 3连接所述射频单元2022，每个下级接口 3级联多个射频单元2022。
[0030]如图5所示，为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图。所述射频单元2022，包括第一光模块I'、第二光模块2'、数字处理模块3'和射频收发模块4' ;所述射频收发模块4'将接收到的射频信号传输至所述数字处理模块3'，所述数字处理模块3'将所述射频信号处理后输出基带信号，所述基带信号经第二光模块2'传输至所述基站控制器2021 ;所述第一光模块I'接受所述基站控制器2021传输的基带信号，所述数字处理模块3'对基带信号处理后输出射频信号，所述射频收发模块4'将射频信号发射出去，负责提供TD-SCDMA网络的无线覆盖。
[0031]如图6所示，为本实用新型的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图之二。在图3的基础上，所述射频单元2022还包括扩展接口 5' ;所述扩展接口 5'，包括人员定位接口 51'和状态指示接口 52'，用于接收其他应用信息，扩展煤矿井下TD-SCDMA网络应用功能。
[0032]优选地，所述上级接口 2和下级接口 3均由可编程门阵列实现。
[0033]如图7所示，为本实施例的基于TD - SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的基站控制器框图。基站控制器RXU的主控MCU选用的增强型32位基于ARM核心的微控制器，该MCU的主要任务是通过上级光纤接口与基带处理单元BBU实现TCP/IP通信，完成基带处理单元BBU到基站控制器RXU的管理操作，并通过下级光纤接口对各射频单元DRU完成配置管理；基带处理单元BBU与基站控制器RXU之间实现光纤接口，以及基站控制器RXU与射频单元DRU之间实现接口的关键器件使用的是ALTERA公司的FPGA。
[0034]在本实施例中，基站控制器RXU设计了 8个光模块接口，光口 7采用速率为2.5Gbps光纤与BBU联接通信，为上级光口，其它7个(光口 O?光口 6)都是采用速率为1.25G光纤与DRU联接通信，为下级光口 ；每个下级光口下的DRU设计最多支持6级级联，与RXU共同完成RRU功能。
[0035]如图8所示，为本实施例的基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统中的射频单元框图。射频单元中逻辑功能主要包括第一 /第二光模块接口部分、数字中频部分和射频收发信部分。射频单元DRU主要功能是发射无线射频信号，负责提供TD-SCDMA网络的无线覆盖。通过空中接口完成移动用户的接入和无线链路传输功能，通过光接口与基站控制接口相连，上报测量信息，发送系统信息广播，配合RXU完成整个井下部分的功能。
[0036]射频单元DRU分为几个部分，各部分和主要功能如下:
[0037]数字处理模块:使用ALTERA公司EP4CGX15BF芯片和EPM240T芯片配合实现了光接口的数据收发，完成控制管理和I/Q数据处理，实现数模转换，是DRU系统中核心部分；实现系统的本地或远程配置、监控、测试、告警、升级等功能。
[0038]电源管理模块:可以实现12V-36V宽范围供电，可以适应煤矿井下的复杂的供电环境；额定功率小于6W，可以通过本质安全试验。
[0039]射频收发模块:其中主要包括衰减器、混频器、本振、放大器、滤波器、介质滤波器；射频收发模块有两个工作频率，分别为1880-1920MHZ和2010_2025MHz ;两个独立天线配置，频率为200KHz的整数倍。输出功率步进ldB，接收增益步进IdB ;支持1:5，2:4，3:3，4:2,5:1时隙配比；
[0040]第一 /第二光模块:2.5G光模块，提供上下级联的接口 ；
[0041]人员定位接口个RS485通信接口，可以连接井下人员定位系统。
[0042]射频单元工作过程如下:
[0043]在下行方向上，射频单元利用第一光模块接收基站控制器(RXU)传来的承载在光纤上的基带信号，数字处理模块在数字域将基带IQ信号上变频为数字中频信号，然后通过DAC将数字中频信号转换为模拟中频信号，进一步变为射频信号，最后通过两个独立的射频收发模块将信号放大到一定功率电平，经滤波后由天线发射出去。
[0044]一个射频单元配备两个射频模块，这样就可以安装两个定向天线向巷道的两个不同方向辐射信号，相比较一个射频模块覆盖范围增加了一倍。
[0045]在上行方向上，射频收发模块将天线接收到的终端发来的射频信号进行滤波和放大，数字处理模块将射频收发模块发送过来的射频信号下变频为模拟中频信号，然后通过模数转化为数字中频信号，最后在数字域将数字中频信号转换为基带信号，并通过第二光模块的光纤将基带信号传送给基站控制器。
[0046]煤矿井下与室外露天环境比较，在室外使用大功率基站就可以覆盖很大一个平面，但是井下巷道空间是线性排布。一是大功率设备在井下使用有严格限制，二是即使使用了大功率基站，井下遇到转弯的环境，基站覆盖有严重损失。所以我们把传统远端射频单元RRU在井下重新设计成两个物理设备:基站控制器(RXU)和射频单元(DRU)。每个射频单元作为一台基站覆盖800m巷道，每台基站控制器最多可以同时管理42台射频单元。此种分布式煤矿井下TD-SCDMA通信组网技术，射频单元(DRU)通过光纤与基站控制器(RXU)最大拉远距离3km，单系统可为总长33.6km巷道提供连续覆盖。不但大大降低了生产成本，还更加适合煤矿井下信号覆盖使用。此系统在煤矿井下的语音及视频传输，能够达到提高通信传输质量，提高劳动生产效率，提高灾害应急调度指挥能力，减少灾害损失及防灾减灾的目的。
[0047]以上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于TD-SCDMA的煤矿井下分布式基站系统，所述煤矿井下分布式基站系统包括地面设备和井下设备，其特征在于，所述井下设备包括基站控制器和射频单元，所述基站控制器与射频单元通过光纤相连； 所述基站控制器，包括中央处理模块、上级接口和下级接口 ；所述上级接口接收所述地面设备传输过来的基带信号，所述中央处理模块将所述基带信号进行处理，通过下级接口将处理后的基带信号传输至所述射频单元，完成射频单元的配置管理，以及所述中央处理模块通过所述下级接口接收所述射频单元传输过来的基带信号，所述中央处理模块将基带信号进行处理，通过上级接口将处理后的基带信号传输至地面设备；其中，所述基站控制器有多个下级接口，所述下级接口连接所述射频单元，每个下级接口级联多个射频单元； 所述射频单元，包括第一光模块、第二光模块、数字处理模块和射频收发模块；所述射频收发模块将接收到的射频信号传输至所述数字处理模块，所述数字处理模块将所述射频信号处理后输出基带信号，所述基带信号经第二光模块传输至所述基站控制器；所述第一光模块接受所述基站控制器传输的基带信号，所述数字处理模块对基带信号处理后输出射频信号，所述射频收发模块将射频信号发射出去，负责提供TD-SCDMA网络的无线覆盖。2.如权利要求1所述的煤矿井下分布式基站系统，其特征在于，所述射频单元还包括扩展接口 ；所述扩展接口，包括人员定位接口和状态指示接口，用于接收其他应用信息，扩展煤矿井下TD-SCDMA网络应用功能。3.如权利要求1所述的煤矿井下分布式基站系统，其特征在于，所述上级接口和下级接口均由可编程门阵列实现。
【文档编号】H04B7-26GK204291403SQ201420750549
【发明者】杨晓辉, 靳军, 杨斌, 宋永宝, 宋国栋, 高建峰, 何礼富, 吴文臻, 苏鹏, 孟杰, 李标, 高越, 钱学敏, 韩秀琪, 苑静科, 张立群, 邵群义, 张志强 [申请人]煤炭科学技术研究院有限公司