摘要：文章針對煤炭行業信息化的發展需求和特點，結合TD-SCDMA和Femtocell的技術特點，對基于Femtocell的礦用無線通信系統和基于TD-SCDMA的煤炭專網系統進行分析，說明了各自的特點，并對其在礦井中的適用性做了對比。對比結果表明：基于Femtocell的礦用無線通信系統在技術和實現上具有很多不足，而大唐移動提出的基于TD-SCDMA的煤炭專網系統從規劃到實施具有較高的可行性，完全符合煤礦特殊作業環境對通信的需求，是廣大煤礦企業首選的礦井無線通信解決方案。
1 引言
隨著移動通信技術迅猛發展，3G已經在中國大規模建網并投入商用，可以說公眾移動通信網絡的飛速發展為廣大人民的生活與工作帶來了全新的體驗與極大的便利。但是相比公網而言，行業領域的移動專網水平已經不能滿足現有行業應用的發展需要，因此盡快在行業應用中引入先進的通信技術，特別是擁有我國自主知識產權的技術顯得日益迫切。
近年來，隨著石油資源的緊張、石油價格的飚升，煤炭行業的重要性和不可替代性也日益凸現。眾所周知，我國是一個煤炭大國，已探明煤炭存儲量居世界第三，煤炭開采量居世界第一，但是，我國同時也是礦難大國，礦難死亡人數高居各類行業安全事故之首，國家安全生產監督管理總局公布，2010年全國煤礦事故發生1403起，死亡2433人，嚴峻的安全生產形勢已經迫使煤炭企業開始在國家政策的強力支持下尋求煤礦安全生產信息化的解決方案和產品，國家也通過各種政策強制煤炭生產必須走工業化、信息化結合的道路。
2基于Femtocell的礦用無線通信系統
2.1 Femtocell
Femtocell又可稱為毫微微小區、家庭基站，是近年來根據3G發展和移動寬帶化趨勢推出的低功率、超小型化移動基站。它具有1個載波，發射功率為10~100 mW，覆蓋半徑為50~200 m，支持4~6個活動用戶（最多可支持16個用戶），允許的最大用戶運動速度為10 km/h。
在地面應用中，Femtocell使用IP協議，通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網關實現從IP網到移動網的聯通，可為用戶提供語音及數據通信服務。Femtocell的大小與ADSL調制解調器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網規、即插即用的特點，是蜂窩網絡解決室內覆蓋問題的一個重要手段。
目前，Femtocell有適用于CDMA、GSM、UMTS的各種標準和支持2G、2.5G、3G的產品，其制式、頻段與運營商現有基站相同，手機等移動終端可以與地面移動通信網絡通用。
2.2 系統結構
最初Femtocell是被設計為應用在家庭環境中的消費電子產品，隨著對Femtocell技術研究的深入，人們發現Femtocell的潛力不僅僅是只在家中使用。由于它的大小與ADSL調制解調器相似，發射功率小，具有安裝方便、自動配置、即插即用等特點，人們開始考慮將它應用在煤炭、石油等行業領域，并提出了基于Femtocell的礦用無線通信系統。基于Femtocell的礦用CDMA無線通信系統結構如圖1所示：
圖1 基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統結構
基于Femtocell的礦用WCDMA無線通信系統采用現有的IP傳輸，Femtocell通過工業以太網與地面主系統相連，井下通信的網絡架構可采用標準的Femto網絡架構實現井下、井上通信的結合，傳輸使用礦區已經部署的井下工業以太環網。Femtocell包含了Node B（即移動基站，一般由控制子系統、傳輸子系統、射頻子系統、中頻/基帶子系統、天饋子系統等部分組成）和RNC的功能，它通過Uu接口與UE通信；同時通過Iuh接口經礦區寬帶承載網與Femtocell網關相連，然后通過Iu接口連接到核心網絡（核心網包括移動交換中心MSC和用戶歸屬位置寄存器HLR等,其主要作用是整個呼叫信令控制和承載建立)，核心網絡采用的是現網核心網。
2.3系統分析
無線干擾問題
與傳統基站相比，Femtocell具有1個載波，發射功率為10~100 mW，覆蓋半徑也相應較小，一般為50~200m，最多可支持4~6個活動用戶，因此，在井下Femtocell的部署數量不是一個小數目，尤其是在井下人員較多的大中型煤礦。需要注意的是，無線頻譜是有限的，當使用Femtocell的數量比較多之后，網絡管理的復雜度會隨著增加，Femtocell之間的信號干擾就有可能變大，如何降低相互之間的無線干擾是需要繼續探討的問題。
同步問題
同步問題也是基于Femtocell的礦用無線通信系統不可忽略和避免的問題，尤其是在國內環境下，Femtocell同步是一個挑戰，目前Femtocell和網絡的同步主要是用GPS同步，在很多場景下沒有辦法獲得足夠多的GPS信號。在國內，礦井的平均深度超過300米，最大井深超過1000米，在礦井中，幾乎不可能獲得GPS信號，基于此，必須要尋求不依賴于GPS的替代方式，Femtocell才能夠真正實現用戶安裝即插即用。
切換問題
目前Femtocell還無法實現網絡優選，在手機進入Femtocell區域時無法切換進去，出來時又無法切換到宏網絡。Femtocell用在礦井中，連續大面積覆蓋的情況下需要用多個Femtocell進行覆蓋，這時候需要考慮手機從Femtocell到Femtocell之間的切換。由于Femtocell的容量很有限，尤其是在大中型煤礦企業這樣的大面積連續覆蓋場景下，所需要的Femtocell的數量不是一個小數目，而且一個Femtocell的覆蓋半徑只有50~200m，在通話或做其他業務時，很容易從一個Femtocell的覆蓋區域進入另一個Femtocell的覆蓋區域，這種Femtocell之間的頻繁切換也會帶來通話質量以及穩定性等方面的問題。
Femtocell網絡架構的安全問題
使用過WIFI的用戶都有這樣的體驗，如果不設置任何密碼，WIFI連接很容易被其他人盜用。當一個用戶在家里通過WIFI路由器上網，樓上的鄰居也可以毫無阻礙的使用這個WIFI連接上網。和WIFI一樣，Femtocell也存在信號泄露的問題，因此Femtocell必須保證未授權的用戶無法使用Femtocell的信號進行業務。擁有Femtocell的用戶等于擁有了一個可以連接到運營商核心網的設備，這在過去是不可能的，Femtocell網絡架構必須保證用戶無法利用Femtocell作為攻擊運營商核心網的工具。
Femtocell終端尚未得到工信部認可和銷售許可發放
Femtocell在中國實現大規模商用還存在著眾多很嚴重的問題，因為Femtocell終端尚未得到工信部認可和銷售許可發放，從國外引進Femtocell就只能是以實驗為名進口，但這樣一次最多就能購買500臺，而且即使測試成功也沒辦法賣給消費者，這也是運營商布局Femtocell所面臨的重要問題。
Femtocell的3GPP標準架構的確定滯后于各個廠商的產品實現。也就是說各個廠商的產品在標準規范出現之前就已經趨于成熟了，因此，其中的很多接口是基于私有的協議。目前正式商用Femtocell的運營商也沒有部署基于標準的Iuh接口，政府相關部門也沒有指定行業標準的測試規范，測試驗證工作也不夠深入。因此，基于Femtocell網絡架構的標準化工作還有待進一步提升。
Femtocell產業鏈薄弱，限制應用市場發展
從目前市場上來看，除了運營商提及的少數的幾個服務，以及設備供應商提供的一些基站產品外，很少能看到如WIFI產業鏈中那么全面的產品，而過于單一的產品線也將導致用戶對Femtocell技術的熱情有所降低。更重要的是，由于產品的缺乏，直接導致了應用市場的停滯不前，運營商的業務難以得到更好的推廣，更別提商業模式能有所創新了。
3 基于TD-SCDMA的煤炭專網解決方案
煤炭等國家敏感行業對通信的安全性、保密性、可靠性決定了具有自主知識產權的TD-SCDMA在煤炭行業應用時得天獨厚的生命力！TD-SCDMA技術應用于煤炭行業，一方面可以煤炭行業的建設及發展保駕護航，也可進一步增強TD-SCDMA產業的實力，促進TD-SCDMA產業鏈上各個環節領域的發展，還可進一步提升TD-SCDMA的技術價值，為今后TDD系統的發展，TD-SCDMA向國外的拓展奠定更加堅實的基礎！是對黨中央提出的“通過技術創新發展經濟”的具體踐行。
3.1 方案總體架構
憑借TD-SCDMA領域的核心優勢，大唐移動積極探索TD在各行業領域的應用，率先開發出適用于煤炭、油田、核電、風電、人防、特通等多個行業信息化應用的小型化TD-SCDMA企業專網系統——TDeN（TD-SCDMA Enterprise Network，TD-SCDMA企業專網），該系統可充分滿足行業用戶的生產與生活需要，深度推進工業化與信息化的相互融合，TDeN具有綜合性業務通信網、組網靈活，業務擴展能力強、多點互聯和自由漫游能力、適應多種企業運行環境并具有良好的兼容性以及高可靠性和高安全性的特點。該方案的總體結構如圖2所示：
圖2 TD-SCDMA專網拓撲圖
3.2 方案特性
系統主設備說明
TDR100：綜合接入控制設備，主要完成用戶業務的接入與綜合處理；TDR100采用小型化的設計原則，將基站控制器、基帶處理部分、分組業務核心網功能進行整合，更適用于企業用戶的需要，減少了設備的建網成本。
TDS100：交換調度機，主要集成了TD-SCDMA公網中核心網CS域的MSC server的功能，同時具有交換和調度的功能，最大支持5000用戶。
TDU100：井下本安型基站，主要完成井下網絡的覆蓋。TDU100使用本安型電路設計，具備防爆、低功耗、低熱量、高可靠性的特性。
TDU200：井上室內型基站，用于井上室內網絡覆蓋，提供穩定、高速的數據業務；最大拉遠距離40km，具備高效率、結構緊湊的特性。
TDU300：井上礦用基站，主要完成地面室外網絡覆蓋；TDU300利用光纖拉遠的應用優勢，充分考慮了用戶在業務、容量、覆蓋、傳輸、電源、安裝、維護等方面的需求，采用一體化的設計，集成度高，并可實現遠端獨立覆蓋，從而節省了站址資源。
系統性能
支持的CS話務量：80Erl；
支持的PS吞吐量：24M；
井下支持12載波，支持2000個語音用戶；
井下可連接144個TDU100；
井下基站為本安型設計；
井下設備全部采用光纜連接，不涉及任何電信號，安全可靠，不會有打火的危險。
該系統支持12.2K實時語音業務，支持HSDPA/HSUPA，可通過調度臺同時解決煤礦井上、井下的通信問題，達到縱向調度靈活可靠，礦區內外通信暢通無阻，不僅能滿足日常安全生產的通信需要，而且能夠保證在自然災害和礦井事故發生時進行應急指揮通信。
該專網系統可大可小，根據不同的場景需求可靈活進行定制，適用于小型煤礦、大中型煤礦以及多礦等煤礦企業。
3.3 方案分析
基于TD-SCDMA的煤炭專網系統是大唐移動專門針對煤炭通信環境設計開發的移動專網通信系統，具有如下特色：
技術的先進性
TD采用的是時分雙工的接入方式，是擁有我國自主知識產權的3G國際通信標準，是獲得國際電信聯盟（ITU）批準的主流標準。TD-SCDMA提供了先進、主流的通信技術，其高話質、高帶寬數據能力、優良的無線特性，使得礦用通信與調度系統更加完善。
與公網技術同源
中國移動網絡的充分驗證和錘煉，確保系統性能充分穩定，達到電信運營級標準；同源技術，使得煤炭專網搭載中國移動公網，得到長期優化和發展；與公網同步，使得TD-SCDMA產品能夠成為真正意義上的大眾產品，成本大大降低，可為專網用戶提供價廉物優的設備。
強大的產業聯盟
從終端芯片到主設備，從儀器儀表到業務應用，TD擁有強大的產業聯盟后盾；而大唐也是國資委直接管轄下的優勢品牌，可確保客戶的投資得到長期保障，專網后續的發展與技術演進可獲得強力支持。
綜合性業務通信網
TDeN支持豐富的業務類型：高質量的語音業務、多方通話、可視電話、點對點短信、短信群發、數字集群調度、視頻監控、可與公網互連互通、有線和無線電話可統一調度以及其他數據業務。
組網靈活，業務拓展能力強
頻譜利用率高，覆蓋范圍廣，網絡規劃與維護簡單；設備小型化，采用3G網絡部署主流方案——光纖拉遠分布式基站技術，專網系統可大可小，根據不同的場景需求可靈活進行定制，組網靈活；開放的系統平臺提供免費的上層應用接口，便于業務擴展。
高可靠性和高安全性
井下設備無需電源的光纖信號傳輸方式，帶寬高、距離遠、造價低、更安全、網絡建設更加靈活、便捷；依從國際一流通信標準，擁有高可靠性和安全性，井下設備（基站）完全符合煤炭行業的本質安全標準，進一步滿足煤炭安全生產的特殊要求，專網產品采用熱備份或負荷分擔等冗余設計方式，確保達到電信級設備的要求。
4 對比分析
以下將從井下無線通信系統的幾個關注點對兩種系統方案進行對比分析：
電氣防爆：基于TD-SCDMA的煤炭專網系統的井下設備（基站）完全符合煤炭行業的本質安全標準，滿足煤炭安全生產的特殊要求；而基于Femtocell的礦用無線通信系統并不能保證井下設備的電氣防爆性能，安全性還有待于進一步提升。
發射功率：兩種方案井下設備的發射功率都較小，以達到本質安全防爆要求。
設備小型化：TDR100體積小、重量輕，可方便地安裝在建筑物的室內墻體上、19寸標準機柜內，可直接安裝于室內環境實現低成本快速部署；而Femtocell需要安裝在井下，雖然能實現小型化，但安裝數量較多。
抗干擾能力強：基于TD-SCDMA的煤炭專網系統中TDU100雙向覆蓋，覆蓋距離500米，TDU之間的相互干擾較小，并且TD-SCDMA技術本身的抗干擾能力較強；而基于Femtocell的礦用無線通信系統中Femtocell覆蓋半徑較小，設備相對集中，電磁干擾嚴重，抗干擾能力較弱。
組網靈活，易于維護：基于TD-SCDMA的煤炭專網系統采用3G網絡部署主流方案——光纖拉遠分布式基站技術，專網系統可大可小，根據不同的場景需求可靈活進行定制，只需要一臺PC機就能對專網設備進行操作維護，網絡規劃與維護簡單；由于Femtocell是連接到現有核心網的，Femtocell的操作與維護系統與運營商現有設備的操作與維護系統必須是彼此獨立的，從而避免Femtocell與現有設備產生耦合。
防護性能好、抗故障能力強：基于TD-SCDMA的煤炭專網產品采用熱備份或負荷分擔等冗余設計方式，具有較強的抗故障能力；而Femtocell不具備熱備份等冗余設計方式，抗故障能力較弱。
5 結論
本文結合煤炭行業的應用需求和技術特點，結合TD-SCDMA和Femtocell的技術特點，對基于Femtocell的礦用無線通信系統和基于TD-SCDMA的煤炭專網系統進行分析，并從井下無線通信系統的幾個關注點對其在礦井中的適用性做了對比。對比結果表明：基于TD-SCDMA的煤炭專網系統從規劃到實施具有較高的可行性，是完善、先進、統一的綜合信息系統解決方案，完全符合煤礦特殊作業環境對通信的需求，是廣大煤礦企業首選的礦井無線通信解決方案。