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矿山行业应用WCDMA无线通讯技术可行性分析
1. 矿山行业无线通讯现状
随着国家对矿山安全生产的日益重视，矿山企业对通信的安全性、便捷性、可靠性、实用性的需求越来越强烈。但是由于矿山主要作业面广阔，作业点分散，而巷道数量增加和分布也越来越复杂。所以在多工序、多环节、多地点地分层立体交叉的作业模式下，井下通讯系统的不便，在限制了作业效率进一步提高的同时，也造成了一系列安全隐患。在此背景下，将先进的无线技术应用于井下和井上的无线调度和行政通信、并与固定电话方式的调度、行政通信系统合而为一，实现通信的移动化、一体化、业务的多样化，成为矿山企业信息系统现代化建设的中心内容。
目前市场上矿用无线通信技术占据主流地位的主要有：PHS无线通信系统（小灵通）、WIFI无线通信系统、TD-SCDMA无线通信系统、WCDMA无线通信系统。
1) PHS无线通信系统（小灵通）
PHS无线通信系统（小灵通）作为我国第一个煤矿无线通信技术标准，是目前我国煤矿电力石化等工业移动生产与调度通讯市场中应用范围最广的无线专网通信解决方案。PHS小灵通具有语音通话质量好、规模组网通信规范、移动切换呼通率高、施工与维护成本低、产品绿色环保安全、系统增值业务丰富等技术优势，特别是其无线微蜂窝基站井下分布式组网覆盖、手机/固话混合通讯调度、终端锰酸锂电池超长待机等先进的技术理念，都成为了后来出现的矿井无线通信技术的行业指导性规范，对煤矿无线通信技术的发展起到了创始奠基作用。
但是PHS存在单基站信道少、系统无法与煤矿光纤环网互联互通、宽带数据接入能力薄弱等缺陷，同时由于国家产业政策，2009年2月政府主管部门已明确要求所有1900-1920MHz频段无线接入系统在2011年底前完成清频退网工作，以确保不对1880-1900MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。目前所有生产厂家都停止生产，设备及板卡无法买到，对今后维护及故障处理造成最大困难。
2) WIFI无线通信系统
WIFI是在小灵通退网后涌入煤矿的众多专网无线通信技术之一，WIFI属于国际电信联盟ITU规定的短距无线宽带数据接入标准，即：IEEE 802.11，全称Wireless Fidelity，使用2.4GHz附近频段，具有覆盖范围广、传输速度高、布网成本低等特点。矿井WIFI具有单基站语音业务信道多、支持煤矿光纤环网对接、无线微蜂窝AP分布式组网、支持宽带数据接入等技术优势，特别是其多网合一与IP融合技术代表了未来矿山统一通信的发展方向。
但是WIFI技术本身不支持移动语音通信业务，依赖数据进行语音的传输，而WiFi传输带宽随环境动态变化，带宽越小，时延越大，因此通话质量无法保障。加上没有严格的同步机制，又加大了通话时延，严重影响通话质量。并且WIFI不具备移动通信所必需的完善的空口同步机制与可靠的移动漫游切换技术，在井下通讯应用过程中，特别是在手机移动或组呼群呼时，WIFI终端通话漫游与跨基站成功率仅为50%，而由于缺少移动通信所必需的空口协议标准和严格的产品技术规范，因此，WIFI不具备大规模多基站的通信组网能力和相应的通信理论基础。
最重要的是WIFI大功率AP所在2400MHz频段和其DSSS直序扩频的调制方式，决定了WIFI信号没有任何空间绕射、透射能力，且无线电辐射衰落剧烈，对于矿山企业复杂的工作面环境不能进行有效覆盖，最终无法满足用户井上井下可靠通讯的需求。所以目前矿井WIFI实用效果参差不齐，产品服务混乱不堪，技术改造升级严重滞后，无法长期持续跟踪煤矿通信行业发展，这些都是未来矿井WIFI面临的最大挑战。
3) TD-SCDMA无线通信系统
中国第三代移动通信网络建设经过十年飞速发展，中国联通的WCDMA、中国电信的CDMA2000、中国移动的TD-SCDMA三个3G标准在中国市场上的残酷竞争，随着2013年国家工业信息产业部发布了未来重点投资LTE-4G第四代移动通信标准研发与试验网建设而落下帷幕。TD-SCDMA手机已逐渐销声匿迹，而此时中国联通的WCDMA用户数量已经占据了国内3G市场70%的份额。TD-SCDMA技术是ITU发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一。TD-SCDMA的特点是上下行同频段，通过时隙配置为上下行信道提供无线承载。TD-SCDMA可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。
目前TD-SCDMA矿用通信系统采用BBU+RRU拉远方式，BBU部署在地面，RRU作为井下无线站点部署在井下，地面与井下采用私有的Ir接口，必须使用裸光纤，无法直接使用井下工业以太环网。这样，就需要重新拉光纤，重新部署传输网，增大了施工复杂度，施工成本。另外不便于随着巷道的延伸进行扩容，维护成本也随之增高。并且井下基站与BBU通过多个RRU级联方式连接，当BBU出现故障，会导致全网无法工作，或者某个中间RRU故障，会导致整个链上的RRU无法工作。
TD-SCDMA除在中国移动已经规模应用，在日本软银有小规模应用，全球其他国家无应用。终端解决方案厂商集中在联芯，T3G,展讯等公司，数据终端少，相关产业链、技术人员、软硬件资源都将随着国家产业政策的转型迅速流失殆尽，这就为TD-SCDMA技术长期跟踪煤矿通信市场发展与可持续产品技术升级带来了重大隐患。
4) WCDMA无线通信系统
WCDMA技术是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，通过10多年的发展和7年的商用，使其成为目前世界上最成熟的3G技术。WCDMA集CDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、抗干扰能力强的移动通信技术。WCDMA发展空间较大，技术成熟性最佳，所呈现的先进的移动无线系统是有较高的扩频增益。因此，WCDMA在提供高速数据业务方面，与3G其他技术相比，具有绝对的优势，可支持语音、互联网等所有的3G业务。
WCDMA是异步网络，WCDMA的网络在许多环境下更易于部署，即使在矿井中GPS信号无法到达的地方也能安装基站，实现真正的无缝覆盖。而应用于矿山的WCDMA为基于微基站的矿用无线通信系统，每一个站点就是一个独立的基站，支持即插即用。传输采用IP方式，可接入以太环网,支持光口或电口等多种方式。并且随着巷道的延伸，可以通过直接增加基站实现扩容，大幅降低了工程复杂度、施工成本和扩容维护成本。更重要的是基于微基站的WCDMA矿用无线通信系统在传输链路被切断的情况下，基站支持自组网，通过无线方式和其他基站以及地面设备建立传输链路，确保正常提供服务。在发生事故情况下，为人员救助提供了通信保障。另外WCDMA煤炭无线通信系统网络设备起源于公网，公网先进的技术升级可方便的移值到煤炭通信系统中，而WCDMA在公网的大量应用使得其产业链相当成熟，确保系统特别是终端的普及和低成本，并且能保证煤炭无线通信系统技术的先进性，不会造成类似小灵通的技术无法升级以及WIFI的无法演进的情况。
由上述分析可知，WCDMA技术作为商用最早、运营网络最多和数据速率最高的3G技术，其系统设备技术领先、产业链成熟、运行稳定、可靠，是目前最适合矿山企业的井下无线通信系统，能够很好地满足煤炭企业新型通信联络系统的需求和建设目标。另外，随着移动通信技术的发展，4G无线通信系统LTE也开始进入矿山无线专网中，并已开展积极的应用探索。
2. 面向行业的WCDMA技术分析
2.1. WCDMA系统组成
面向矿山行业的WCDMA矿用无线通信系统主要由集综合系统交换与调度于一体的融合智能交换机、接入网关、本质安全型基站、不同种类的终端等组成，如震有3G矿用企业级微站系统采用扁平化全IP架构，有效减少了网元数目，并针对矿山应用的特殊需求，对整机功耗、发射功率、回传网等网元进行了优化；有效的解决了矿下连续覆盖及高速数据传输的需求。其网络架构如下：

整个系统包括基站、接入网关和核心网三个主要网元，其中：
l 基站：企业级微站，无线接入子系统；支持WCDMA标准空中接口协议，支持语音、视频、数据、切换等业务。
l 接入智能网关：位于WCDMA基站和核心网之间，负责对基站侧的信令和数据进行汇聚和分发，核心网侧实现Iu接口；同时负责对基站用户的注册和接入控制等。
l 核心网：融合通信网关，实现电路、数据双域功能；支持基于IP的标准Iu接口，支持语音编解码、视频转发、短信、上网、以及移动性管理等业务，可作为接入PSTN、PLMN网关，同时可以作为RNC设备接入MSC。
另外，同传统的运营商基站设备相比，震有科技的企业级微站系统具有如下优点：
l 系统扁平化，基站集成了NodeB和RNC功能：信令的处理集中在基站，信令交互少，时延小；并有效的减少了网元数目、组网方式简单；
l 硬件平台化，同一个硬件平台支持WCDMA、TDD-LTE、FDD-LTE等多种制式；
l 软件模块化：上层软件采用模块化设计，最大化的实现软件模块复用，极大缩短了新系统开发周期。
2.2. WCDMA技术优势
1) 语音视频数据同传业务带宽高
WCDMA空口业务带宽为上行可达5.7M/下行可达14.4M，是小灵通的5倍，TD-SCDMA的4倍；WCDMA基站可同时接入32路手机话路，是WIFI的2倍，是小灵通的10倍。
2) 组网简单、快速建网
微基站集成基站控制器RNC及基站的基带与射频部分，接口采用全IP协议栈模型，可充分利用井下的工业以太环网，不需要单独为矿用无线通信调度系统部署单独的光缆，避免重复投资、减少施工难度。井下基站小型化、安装简单、即插即用、施工便捷。
3) 覆盖距离远
根据煤矿巷道空间直线覆盖与矿道交叉分叉组网通信特点，震有科技WCDMA微基站实现了基站双天线全双工双向覆盖，在200mW/天线状态下，用增益为14dBi的板状天线，无遮挡实际测试，1000m处手机接入正常，通话正常，接通率100%，可实现视频通话；1300m处接通率为96%；1500m处有80%左右的接通率。是TD-SCDMA的2倍，小灵通的4倍，WIFI的6倍，不仅成倍提高了矿井基站覆盖范围，而且减少了井下布网施工难度。
4) 抗毁性网络
在传输链路被切断的情况下，WCDMA基站支持自组网，通过无线方式和其他基站以及地面设备建立传输链路，确保正常提供服务。在发生矿难情况下，为人员救助提供了通信保障。
5) 高安全性
WCDMA一方面支持强大的双向鉴权和加密、完整性保护机制，另一方面使用的是3G无线通信专用频段，是最安全的3G网络。并且针对矿山井下特殊环境，基站本质安全型设计，设备安全。
6) 业务丰富
WCDMA矿用无线通信系统不仅仅支持基本的语音、短信业务，而且基于WCDMA的高带宽特性，可灵活承载移动办公，生产巡检等各种数据业务，提供业界独特的短信调度应用，并且可根据现代化矿山的特点，灵活定制适应于矿山安全生产的多种业务。
7) 公网级联
WCDMA系统可以组建独立的无线通信系统，在专网内多点互联组网，提供各种业务.同时，震有科技的WCDMA系统也可以将核心网MSC通过RANAP协议接入公网MSC，使得矿山的WCDMA无线通信系统接入到联通的公网，实现与运营商联建部署“宽联矿山”方案，手机可以在井下私网和井上联通公网无需换卡同时使用，真正实现了一机双网与公私无缝漫游切换。
8) 兼容性强
nWCDMA矿用无线通信系统可以和不同制造商生产的公网模式的W终端兼容，产品丰富而价格实惠。并且微基站结构使得系统架构简洁，造型小巧，设备安装简单极大的降低系统的建网成本。
9) 保护客户投资
WCDMA网络是全球部署最为广泛的网络，也是全球产业链最为完整的3G无线移动通信系统，完整的产业链确保WCDMA技术作为移动通信的主流技术会长期发展，不会产业链断链，客户的投资能够得到长期的保证。
3. LTE技术发展探讨
LTE，商业宣传上通常被称作4G LTE，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像的技术产品，其图像传输质量与高清晰度电视相近。4G系统可实现以100 Mb／s的速度下载文件，上传速度也可达50 Mb／s，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。目前已在国内共在15个城市建设了TD-LTE试验网,其中宁波、杭州、深圳、广州、南京等实现了主要城区全覆盖并开始规模4G体验，
3.1. LTE技术优势
LTE(Long Term Evolution)项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO 作为其无线网络演进的唯一标准，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量 和降低系统延迟。与3G相比，LTE具有如下技术特征：
（1） 通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。
（2） 提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2--3倍。
（3） 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。
（4） QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
（5） 系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。
（6） 降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan<5ms，C-plan<100ms。
（7） 增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。
（8） 强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。
3.2. LTE运营商组网
目前中国三大运营商均已经开始LTE网络运营，运营商TD-LTE系统由多个子系统组成，包括终端UE、无线接入微基站子系统, 增强的数据核心子系统EPC(MME，SGW，PGW，PCRF)，统一归属用户服务器HSS，取消了3G网络中的CS域MSC-Server, MGW两个物理网元。
系统组网图如下：

(1) MME：Mobility Management Entity,MME是一个信令实体，主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能；
(2) SGW：Serving GW，SGW终结和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点；
(3) PGW：PDN Gateway（Packet Data Network），PGW终结和外面数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，是EPS锚点，即是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能。
(4)HSS：Home Subscriber Servers是存储用户签约信息数据库，HSS存储所有与用户和业务相关数据的主要存储器，主要数据包括:用户身份、注册信息、接入参数、业务触发信息。HSS功能包括三部分：IMS功能；CS域HLR/AUC功能；PS域HLR/AUC功能。
(5)PCRF：Policy and Charging Rules Function策略与计费规则功能单元,PCRF提供对用户和业务态QoS服务质量的控制，为用户提供差异化的服务。并且能为用户提供业务流承载资源保障以及流计费策略，真正让运营商实现基于业务和用户分类的更精细化的业务控制和计费方式。
3.3. LTE语音解决方案
LTE网络架构提供了高带宽的无线接入网络，具有很高的数据传输速率、低时延、优化分组数据等多方面优点，但目前语音业务依然是各运营商的主要业务之一，而LTE标准不再支持用于支撑GSM,UMTS和CDMA2000网络下语音传输的电路交换技术，它只能进行全IP网络下的分组交换。随着LTE网络的部署，运营商亟需解决LTE网络中的语音传输问题。运营商通常使用以下三种方法之一解决LTE网络中的语音传输问
l VoLTE（Voice over LTE）：该方案基于IP网络，配合LTE控制和媒体层面的语音服务标准，将语音以数据流形式在LTE网络中传输，所以无需调用传统电路交换网络，旧网络将无需保留。
l 电路交换网络回落（CSFB、Circuit Switched FallBack）：该方案中的LTE网络将只用于数据传输，当有语音拨叫或呼入时，终端将使用原有电路交换网络，因此运营商可以较迅速地向市场推出网络服务。
l LTE与语音网同步支持（SVLTE、Simultaneous Voice and LTE）：该方案使用可以同时支持LTE网络和电路交换网络的终端，使得运营商无需对当前网络作太多修改。但这同时意味着终端价格的昂贵和电力消耗的迅速。
在运营商网络中，由于LTE建网初期覆盖面不足，而2G/3G网络的建设已经成熟，鉴于对现有资源的利用和建网费用的考虑，尽管全行业视VoLTE为未来的标准，但是这个方案目前还不够成熟，目前CSFB是运营商比较普遍的选择。该方案可以使用户同时附着在LTE和2G/3G网络之上，当用户主叫时自动选择2G/3G网络，当用户被叫时从LTE网络切换到2G/3G网络完成语音呼叫，不但可以实现语音业务的连续性，还能实现数据业务的连续性，当呼叫结束后，用户设备UE在适当的时候返回即可。目前苹果Iphome5S等企业的终端采用CSFB方式，而三星更倾向于SVLTE。
4. WCDMA+LTE是矿山行业的最佳选择
4.1. WCDMA+LTE双网协同方案
LTE作为下一代无线通信的技术标准已经得到业内共识，目前LTE 已经得到了全球众多主流运营商的支持，而2013年12月我国三大运营商获得LTE牌照，此举标志着我国电信产业正式进入了4G时代。然而LTE正如其名字一样，目前正处于长期演进过程之中，LTE无线系统的整体建网成本依然较高，对当前市场情况下的中小型矿山企业造成一定的资金压力。同时LTE才开始在电信公网崭露头角，在对产品技术要求更加严酷苛刻的矿山专网通信市场还需要一定时间的演进。因此WCDMA依然是当前矿山行业无线通信系统的最佳选择。
LTE作为未来移动通信发展的主流，相关标准化、产业化和商用化处于飞速发展过程之中，而在LTE建网之初，由于LTE只支持分组域，在运营商通常采用原有网络的CS域语音方案来提供语音服务，中国联通更是明确“到了LTE时代，LTE是只提供数据服务的网络，语音服务还要靠3G，中国联通有最好的3G网络，能够更好的过渡到4G，这样就能保证给用户提供更好的服务”。因此不管是采用CSFB还是SVLTE技术来为LTE网络提供语音解决方案，矿山行业专网现在建设的WCDMA网络在4G时代依然是整个系统的重要组成部分。WCDMA提供语音和部分数据功能，LTE提供热点高速数据，二者使用相同的IP传输网络，即“WCDMA+LTE”双网协同运行方式，是未来矿山行业建设无线专网的最佳方式。
震有科技“WCDMA+LTE”双网协同运行方案示意图如下所示：

另外截止2014年第一季度，LTE语音方案最终发展的VoLTE技术在国内依然处于试验阶段，在以后技术发展成熟后，因为震有科技解决方案的核心网设备本身即支持基于数据交换的VoIP功能，可以无缝升级到IMS系统，自然实现LTE系统的最终演进。
4.2. LTE终端产业研发进展
实现“WCDMA+LTE”双网协同运行方案重点之一是需要LTE终端的支持，由于LTE用户市场蓬勃发展，整体终端设备的产业规模亦快速扩大，短短3年内已累计超过150多个LTE设备供货商，LTE终端款式数量大增25倍达到1,563款。而五模十频手机伴随着国内4G网络成长，随着2013年TD-LTE和FDD-LTE网络制式在中国大陆的试商用，2G的GSM制式和3G的TD-SCDMA/WCDMA制式并没有在4G手机上遭到摒弃，所以，最后演变成了同时支持GSM/TD-SCDMA/WCDMA/TD-LTE/FDD-LTE的五模十频手机。所谓的十频是指频段涵盖：LTE TDD band38/39/40/41，LTE FDD band1/7/3/17，TD-SCDMA band34/39，WCDMA band1/2/5/8，GSM band2/3/5/8，目前更有频段涵盖TD-LTE Band38/39/40，LTE-FDD Band7/3，TD-SCDMA Band34/39，WCDMA Band1/2/5，GSM Band2/3/8共十三个频段的五模十三频手机。而在中国移动2014年3月发布的新的终端采购白皮书中规定，自2014年5月31日起首轮送测的LTE手机必须支持五模十频。而多模多频终端的普及，保证了现有的4G终端可以向下兼容2G/3G网络，保证终端升级到4G后，已经部署的3G系统网络仍继续使用。
目前我国三大运营商正在运营和建设全球最复杂的通信网络，使得终端不得不面对更加复杂的网络环境。加之未来网络演进、彼此竞争以及满足全球漫游等因素，四模或者五模终端成为国内三大运营商的必需品。在这样一个局面下，芯片厂商不约而同的把精力都放在多模芯片的研发上，使得多模芯片在技术上更加成熟，在价格上也更加低廉，同时终端厂商为了减少相关研发成本，也乐于采用多模芯片制造终端，从而满足所有运营商和用户的需求，多模终端在公网普及大的同时也保证了4G终端在矿山专网内的成熟度和成本控制。目前各芯片厂家和终端厂家均推出了大量的多模手机，如下图所示：

5. 震有科技无线通信系统发展路线
震有科技于2006年进入矿用通信领域，发展至今已经推出基于小灵通、WIFI、3G等三代矿用无线通信调度系统：
2006年，震有科技正式推出基于小灵通制式的矿用调度通信系统，进入煤炭行业并服务于多家煤炭企业；
2007年，矿用有线、无线融合调度系统开始批量供货市场；
2009年，推出面向煤炭行业，集WiFi、PHS等多种无线接入和VoIP功能的多媒体指挥调度系统；
2011年，震有科技正式推出了集WiFi、PHS、3G【TD-SCDMA】等多种接入方式，基于无线、NGN、云计算、视频等多技术融合的多媒体云调度系统并服务于多家煤炭企业；
2013年，震有科技正式推出WCDMA矿用无线调度系统，并启动基于LTE的4G无线通信系统的研发。
截止2014年3月，LTE的预研工作已完成，并已启动LTE基站的商用开发，预计2015年初进行商用。