矿山救援通信，也称矿山应急通信，指事故状态下，灾区救护队员与井下救护基地、地面指挥中心以及国家安全生产监督管理总局之间的临时抢险救灾通信。
由于井下灾区条件与环境的险恶性、复杂性和使用要求等因素，矿山救援通信技术更多是专门针对井下应用场景而研发的。
一、矿山救援通信系统需求分析及总体方案
1.井下灾区救援通信的特点
1）灾害发生后，矿山原有通信系统不能使用
矿山井下正常的通信系统有：矿区有线/无线生产调度通信、矿用载波通信、井筒通信、工作面扩音电话以及漏泄无线通信等。这些通信方式在正常情况下各自发挥着自己的用途；但灾害发生后，矿山现有通信、供电、通风等系统基本处于瘫痪状态，无法使用矿山井下原有通信系统。
2）井下环境恶劣，地面无线信号覆盖不到
井下巷道空间狭窄、四面粗糙、凹凸不平，周围环绕着煤和岩石，还有支架、风门、钢轨、动力线等，灾区现场可能有瓦斯、一氧化碳等可燃、有害气体存在，环境恶劣。
大地具有一定的导电性，这给地面电磁波的传播带来相当大的损耗，由于不同矿的地质条件和开釆布局不同，其对电波透入深度和覆盖范围要求也不同，地面无线信号覆盖不到井下。
3）有限空间，线状场景
井下无线通信属于一个复杂有限空间内的无线通信，无线信号覆盖区域类似公路、铁路、城市内街道、隧道、水路运河等，呈狭长线状覆盖场景，传播模型和信道环境特殊。
4)无线通信有效距离短
由于巷道对电磁波的屏蔽、吸收和散射作用，无线电波在井下传播时形成多径干扰和时延，接收信号产生严重的失真和波形展宽，导致码间串扰，引起噪声增加和误码率上升，通信质量下降，只能实现百米数量级的通信距离，遇到拐弯时难度更大。
2.灾区对救援通信装备的要求
灾区救援通信的特点对信息的传输和救援通信系统的构建都提出了更高的要求，对救援通信装备的要求主要体现在以下几方面。
1)设备自备电源，自成系统，独立运行
灾害发生后，井下原有的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作，救援通信装备必须自备电源(如锂电池)，自成系统，独立运行。
2)设备为本质安全型，便携式，低功耗
随着电气设备防爆技术的不断进步和发展，在全球范围内已广泛釆用的电气设备防爆技术有隔爆(Exd)、增安(Exe)、本质安全(Exi)、正压(Exp)、浇封(Exm)和无火花(Exn)等形式。在众多的防爆技术中，本质安全防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测量和带电维护等优点，同时它能用于危险场所。灾区现场可能有瓦斯、一氧化碳等可燃、有害气体存在，救援通信装备必须为本质安全型；同时，为了快速救援，设备最好体积小、重量轻、功耗低、携带方便。
3)动态拓扑，自组网络，即铺即用
救援过程中，救援队员携带的通信终端低速向灾区移动，救援通信系统需要自动组网、具有动态的拓扑结构，在网络拓扑图中，变化主要体现为节点和链路的数量及分布变化。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，需要通过中间节点进行转发，即报文要经过多跳才能到达目的地。
4)宽带网络，信息多样
在进行救援通信时，除了语音通信，有时还需要视频通信，全面、准确地了解灾区现场情况；有时，还需要了解灾区现场环境参数数据，如瓦斯、一氧化碳、氧气浓度，环境温度等，救援通信的信息多媒体化要求救援通信必须是宽带网络，能同时支持音频、视频和数据实时传输，传输速率不小于2.0Mbit/So救援通信装备具有多媒体信息的釆集、显示、传输、存储和回放等功能。
3.矿山救援通信系统性能指标
根据井下救援通信的特点及对救援通信装备的要求，救援通信系统性能指标要求如下。
(1)井下灾区现场终端设备一路视频信号釆集显示，二路音频双向接口，一路环境参数数据釆集显示。
(2)井下救护基地二路视频输入显示，二路音频双向接口，一路环境参数输入显示,可实现与灾区、地面三方通话。
(3)地面指挥中心二路视频输入显示，二路音频双向接口，一路环境参数显示。
(4)传输距离：灾区现场至井下救护基地1〜2km；井下救护基地至地面指挥中心>5km。
(5)装备连续工作时间：N8小时。
4.矿山多媒体救援通信系统总体方案
矿山多媒体救援通信系统由前端设备、无线宽带传输网络、井下基地设备、有线高速长距离传输网络和地面设备等五部分组成，见图6.4。五部分装备由井下基地开始搭建，即铺即用；前端设备由救护队员随身携带，队员边走边将沿途信息回传至井下基地及地面救援指挥中心；同时设备实现多方实时通话。方案融合了有线无线、固定移动的自组织网络技术，其中地面救援指挥中心与井下救护基地之间釆用有线、固定通信方式；井下救护基地与救灾现场之间釆用无线、移动通信方式。方案涉及视频压缩、无线多跳自组网、VoIP、TCP/IP、高速长距离以太网、低照度视频釆集、环境参数检测等先进技术⑵】。
图6.4 矿山多媒体救援通信系统组成
现场视频图像通过低照度摄像头、信息记录仪、WMN等传到井下基地设备的嵌入式井下计算机及地面设备的计算机显示屏显示；语音通信通过送/收话器、信息记录仪、WMN等，釆用基于网络电话方式实现地面、井下基地和前端救护队员之间的多方通话。环境参数通过环境参数传感器、232串口、信息记录仪、WMN等完成环境参数(氧气、一氧化碳、甲烷浓度、环境温度)的检测、显示、存储和报警。本安型锂电池为井下设备提供电源支持，实现矿山救援的多媒体通信服务。
二、矿山救援通信技术研究
1.一种矿山救援快速宽带组网技术①
通常矿山救护队员个人使用的通信设备主要是矿山救援电话，信息量有限，不能全面准确地反映现场各种实际情况，导致救援指挥不畅。语音通信没有现场环境参数测量显示，不具有记录、回放功能，不能为以后进行事故原因分析、总结抢险过程的经验和教训提供基础资料。因此，迫切需要一种具有传输高速数据能力的矿山救援多媒体通信装置。
1)矿山救援多媒体通信的要求
矿山救援多媒体通信需要有逼真的现场感，视频通信的突出特点就是可以实现犹如面对面一般的沟通。尤其是宽带多媒体业务集语音、数据、视频于一体，超越时间与空间的限制，在矿山救援通信中，以能够反映现场真实情况而备受青睐。
矿山救援多媒体通信同时兼有时间的突发性、地点的不确定性和信息的交互性三个主要特点。多媒体通信对信息的传输和交换都提岀了更高的要求，网络的带宽、交换方式和通信协议都将直接牵涉能否提供多媒体通信业务，并影响通信质量。矿山救援多媒体通信对网络和设备的要求主要体现在以下几方面：
(1)系统自备电源，自成系统，独立运行。
(2)快速组网。
(3)装置便携式，功耗低。
(4)多媒体多样化，能同时支持音频、视频和数据实时传输。
(5)多媒体信息传输是交互多路的，要求有足够的可靠带宽。
(6)具有良好的传输性能，如同步、时延和低抖动等必须满足要求。
(7)QoS、安全、网络管理等方面的保证。
2)矿山救援多媒体通信技术方案
矿山救援多媒体通信系统由视音频网络传感器、SDSL线路接入器I、传输网络、多路复用/中继器、SDSL线路接入器II和笔记本电脑等六部分组成，如图6.5所示。
图6.5 矿山救援多媒体通信技术方案
系统开机后，红外摄像头自动捕捉现场图像，并将捕捉到的视频信号连同耳麦中的音频信号一起送至视音频网络传感器。视音频网络传感器首先将模拟的音频、视频信号转换成数字信号，然后釆用MPEG-4压缩方式进行压缩编码输出至SDSL线路接入器I。SDSL线路接入器I将压缩后的数据釆用2BIQ的调制方式，通过一对电话线以IP包的形式传送给远方的SDSL线路接入器II。两块SDSL线路接入器之间的距离W2km,调制编码数字信号通过一对0.5mm线径的电话线在2km的距离内可以达到1.5Mbit/s的对称速率。如果视音频网络传感器超过一路，如果两块SDSL线路接入器之间的距离〉2km,中途需要加多路复用器/中继器将信号转发，每增加一个中继器，传输距离增加2kmoSDSL线路接入器II提供一个RJ-45用户端接口与笔记本电脑连接，用计算机进行实时解码和播放。多媒体信号也可通过笔记本电脑提供的10Mbit/s/100Mbit/s自适应快速以太网口高速上传。这样通过互联网，业内人士可直接了解抢险救灾情况。
3)矿山救援多媒体通信快速组网措施
(1)釆用SDSL技术。对称数字用户线(Symmetrical Digital SubscriberLine)点对点宽带连接技术，采用2B1Q线路编码将信号调制到较宽的频带上再从电话线的一端传输到另一端，利用IP网络传送包括音频、视频信息的多媒体信息流，进行实时的信息交互。SDSL的主要特点是不像HDSL那样速率恒定为2.048Mbit/s或1.5Mbit/s,而是以64Kbit/s上下可调，一般距离远速率低，距离近速率高。几种xDSL技术的比较见表6.2。
表6.2几种xDSL技术的比较
| 技术 | 速度 | 距离限制 | 应用领域 |
| ADSL/ R-ADSL |
1.5 〜8Mbit/s（下行）；16〜640Kbit/s（上行） | 6000m (4000m内速度最快) | Intemet/Intranet访问、VOD、远程LAN访问、POTS联合计算 (只用于R-ADSL) |
| HDSL | 1.544Mbit/s 全双工；2.048Mbit/s | 全双工使用2〜3对铜线；5000m | 取代T1/E1线路、PBX连接、 帧中继、LAN扩展 |
| VDSL | 13〜52Mbit/s （下行）；1.5 〜2.3Mbit/s（上行） | 300〜1500m | HDTV、多媒体Internet访问 |
| SDSL | 544Kbit/s 全双工；2.048Mbit/s | 全双工只使用1对铜线；3000m | 取代T1/E1线路、联合计算、 LAN扩展 |
(2)通信协议：TCP/IPo
(3)设备的供电釆用可充式锂电源，在现有各种系统瘫痪状态下自成系统，可连续工作6小时以上。
(4)传输介质选择。2芯加强型阻燃耐高温通信电缆；材质：铜质线芯镀银，聚乙烯绝缘阻燃、耐高温(200°C),聚氯乙烯护套抗静电；接口连接头选用航空用2芯快速插拔头；救援用快速布线盒，250m/盒，见图6.6。
(5)全数字时刻联机接入，消除等待时间；
不需要安装软件，即插即用。设备面板上设置有DSL状态指示灯，随时监视设备状态，指示灯说明见表6.3。操作简单易行，救护队员只需简单地将装置连接到线上，启动电源开关即可使用。
图6.7为一组矿山救援多媒体通信装置实时监视到的铜川陈家山矿灾区照片，其中图6.7(a)为震飞的车轮，图6.7(b)为震落的电机，图6.7(c)为掀起的铁轨，图6.7(d)为震倒的铁架。
图6.6 救援用快速布线盒(250m/盒)
表6.3装置指示灯功能说明
| 指示灯1 | 指示灯2 | 指示灯3 | 指示灯4 | 指示灯5 | 指示灯6 |
| ALM | RXT | TXD | LNK | SYN | PWR |
| 加电后，黄灯表示没 有同步；熄灭，表示 与对端己经同步 | 接收数据时， 灯闪烁 |
发送数据时， 灯闪烁 |
绿灯亮表示以太网 络连接正确 | 橙灯闪烁表示正在与 对端同步；绿灯亮表 示和对端已经同步： 灯灭表示线未连接 | 电源指示灯， 加电后即亮 |
图6.7 一组矿山救援井下照片
2.一种矿山救援应急多媒体通信技术①
21世纪以来，我国安全事故与自然灾害发生频繁，特别是矿山，许多事故如塌方、透水、煤矿起火、瓦斯爆炸等，对矿工生命构成威胁。看一下2004年全国特别重大事故盘点：郑煤集团大平煤矿“10.20”瓦斯大爆炸死亡矿工147人，河北沙河“11.20”铁矿火灾共造成70人死亡，铜川矿务局陈家山煤矿“11.28”特大矿难是近10年来发生的最大一起瓦斯爆炸事故，166名矿工死亡。这些事故造成的经济损失和政治影响巨大。在应对重大事故、突发事件时，经常需要应急通信服务。
我国应急通信目前拥有的方式有：固定电话，Ku频段卫星通信车，C频段车载卫星通信车，100W单边带通信车，一点多址微波通信车，用户无线环路设备，海事卫星A型站、B型站、M型站，24路特高频通信车，1000线程控交换车，900兆移动电话通信车，自适应电台等。
但是地面上这些移动通信、卫星通信、微波通信以及无线电台等，信号都覆盖不到井下，矿山救护队员个人使用的通信设备只有应急电话一种，且在救灾过程中因呼吸器的影响，通信效果不佳。国内矿山救援应急通信主要存在的问题是：只能进行语音交流，信息量有限，不能全面、准确地反映现场各种实际情况，导致井下救护队员和上级指挥、协调人员之间信息反馈不畅，不能对抢险、救灾工作作出科学的调度和快速反应。语音通信没有现场环境参数测量、显示，不具有记录、回放功能，不能为以后进行事故原因分析、总结抢险过程的经验和教训提供基础资料。因此，迫切需要一种具有传输高速数据能力的矿山救援应急多媒体通信系统。
1)矿山救援应急多媒体通信技术方案
目前，以局域网为代表的计算机通信网大放异彩，宽带接入技术具有组网灵活、成本低、维护费用低等特点，同时又具有一定的移动性。技术方案主要釆用SDSL点对点宽带连接技术，利用IP网络传送包括音频、视频信息的多媒体信息流，进行实时的信息交互，实现“即铺即用”的应急多媒体通信服务。
2)SDSL技术研究
xDSL是DSL的统称，是以铜电话线为传输介质的点对点传输技术。SDSL也称单线对数字用户线(Single-pair Digital Subscriber Line),它的实质就是将信息调制到较宽的频带上再从电话线的一端传输到另一端，在线路上传送电信号，使用的频率越高，衰减就越快，所能传送的距离也就越短。它采用高速自适应数字滤波技术和先进的信号处理器，进行线路均衡，消除线路串音，实现回波抑制，不需要再生中继器，适合所有用户环路，设计、安装和维护简便。SDSL的主要特点是不像HDSL那样速率恒定为2.048Mbit/s或1.5Mbit/s,而是以64K上下可调，一般距离远速率低，距离近速率高。对于普通0.4〜0.6mm线径的用户线路来讲，传输距离可达3〜6km。
SDSL采用2B1Q线路编码，2B1Q通过改变矩形波振幅来传送数据的调制方式，其幅值分成4级，能一次传送2比特的数据。2B1Q编码信号波形如图6.8所示，连续2个二进制比特通过2B1Q编码后转化为1个四进制模拟脉冲幅度。通过2BIQ线路编码后,传输带宽可提高1倍，数据传输量、传输率都将提高。
图6.8 2BIQ的信号波形
对称数字用户线调制解调器电路包括以下几部分:DC-DC电源电路、网桥接口电路、收发器电路、收发器控制电路和接口电路。
DC-DC电源电路由12V输入电压产生系统工作的5V电压，网桥和SDSL收发器所需的3.3V电压由5V电压经三端稳压电路产生。网桥接口电路II按照802.3标准对收发器送来的数据进行分组打包处理，与10Mbit/s/100Mbit/s的局域网接口完全兼容，以便直接送入中继器和数据处理中心。收发器III实时监听和处理双绞线上传输的2BIQ信号，对接收的线路信号进行预处理放大、回波自适应抵消、数字提取和纠错解码处理，根据处理器的设置对恢复数据进行打包处理后，输出到集成网桥电路进行广域传输。收发器控制电路IV完成对收发器工作模式、数据收发格式的控制，并完成对称数字用户线与IEEE802.3协议之间的转换。接口电路主要实现传输线路与网桥接口电路和SDSL收发器之间的阻抗匹配，主要由匹配电阻网络和变压器组成。点对点SDSL调制解调器的整体结构如图6.9所示(含主要器件)。
图6.9 SDSL调制解调器结构图(含主要器件)
图6.10为一组矿山救援应急多媒体通信装置实时上传的井下照片，其中图6.10(a)为平顶山一矿巷道中的救护队员，图6.10(b)为铜川玉华矿井下巷道，图6.10(c)为铜川玉华矿运输大巷，图6.10(d)为宁夏白芨沟矿井下灾区冒顶情况。
矿山救援应急多媒体通信采用“即铺即用”的宽带组网技术，利用一对电话线进行双向对称数字信号传输，提供了一种可实时监视和直接联络事故现场的先进技术手段，实现了应急救援的可视化。装置由救护队员随身携带，在不影响救护队员正常工作的情况下，将井下事故现场图像实时传输到地面指挥中心；井下灾区的救护队员和地面指挥中心之间可实时信息沟通；救援全过程的图像、语音资料可完整存储并回放，为今后进行事故原因分析、总结抢险过程的经验和教训提供基础资料。并且通过互联网，外地业内人士可直接了解灾区救援情况。但是，目前釆用的多媒体有线传输技术毕竟属于过渡技术，随着第三代移动电话和WLAN的来临，应急多媒体通信必将采用无线方式，届时将有更多高质量的多媒体应用服务。
图6.10 矿山救援井下照片
3.矿山无线救援通信技术研究①
国内目前给救护队配备的通信类救护装备分为有线和无线通信两大类。有线型的如KTT9型便携式通信电话、KTE5型矿山可视化救援指挥装置、KJ105型矿井抢险救灾监测指挥系统等，铺线麻烦、耽误救灾时间。无线型的如KTWA型井下救灾无线语音通信系统、南非SC2000型无线电话等，由于以金属导体为载体，而发生灾害时轨道、管道基本会被破坏，救灾效果不佳。广大救护队员迫切希望开发矿山无线救援通信装备，至少实现井下救护基地与救灾现场之间(通常在1000m左右)的无线通信。
1)矿山无线救援通信的特点
(1)有限空间，线状场景。井下巷道空间狭窄、四面粗糙、凹凸不平，周围环绕着煤和岩石，还有支架、风门、钢轨、动力线等设备，通信属于复杂有限空间内的无线通信。无线信号覆盖区域类似公路、铁路、城市内街道、隧道、水路运河等，呈狭长线状覆盖场景，传播模型和信道环境特殊。某文献研究了UHF(特高频、分米级超短波)波段无线信号在井下的传播特性，根据文献结论，无线救援通信频率越高，越有利于电磁波的传播，频率应大于50MHz。
(
2)短距离通信，本质安全装备。井下救护基地与救灾现场之间的距离一般为1〜2km,且中间可能有弯道、上下坡、塌方、冒顶等。救援现场可能有瓦斯、一氧化碳等可燃、有害气体存在，救援通信装备必须是本质安全型。短距离无线通信(SDR)技术，如小灵通(PHS)、无线保真、蓝牙、ZigBee、超宽带(UWB)等，因其通信距离短、功耗低，比较适合此特点。
(3)动态拓扑，自组网络，即铺即用。灾害发生后，井下固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作，需要快速独立组网，救援通信系统节点(AP)开机以后就要快速自动组网、独立运行；同时救援过程中，救护队员携带的通信源节点低速向灾区移动，系统具有动态的拓扑结构，在网络拓扑图中，变化主要体现为节点和链路的数量及分布变化。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，需要它们通过中间节点的转发，即报文要经过多跳才能到达目的地。因此救援通信又是一个多跳自组织网络。
(4)宽带网络。在进行救援通信时，除了语音通信，有时还需要视频通信，全面、准确地了解灾区现场情况；有时还需要知道灾区现场环境参数数据，如瓦斯、一氧化碳、氧气浓度、环境温度等，救援通信的信息多媒体化要求救援通信必须是宽带网络，能同时支持音频、视频和数据实时传输，传输速率32.0Mbit/s。
2)几种短距离无线通信技术比较
(1)小灵通技术。小灵通的PHS技术由无绳电话而来，具有一定的可移动性，支持无线用户的语音通信功能和短信功能；基站的覆盖半径小(百米级)，难以做成本安型，线路延伸器最多可以实现三跳。
(2)WiFi技术。WiFi是由接入点(AccessPoint)和无线网卡组成的无线网络。符合无线局域网IEEE802.11b标准，工作频率为ISM(IndustrialScientificMedical)频段的2.4GHz,其主要特性为：速度快，传输速率高，可达UMbit/s,可靠性高，在开放性区域，通信距离可达305m,在封闭性区域，通信距离为76〜122m,方便与现有的有线以太网络整合，组网成本低，发射功率不超过100mWo
(3)蓝牙技术。蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是10m之内)的无线电技术，符合IEEE802.15.1标准，使用高速跳频(FrequencyHopping,FH)和时分多址等措施，工作频率2.4GHz,数据速率近1Mbit/s,在近距离内可将数字化设备无线组网，即插即用。
(4)ZigBee技术。ZigBee符合IEEE802.15.4标准，可以组成一种低功耗、低成本、低复杂度的无线网络，方便固定、便携或移动设备的低传输应用，速率只有10〜250Kbit/s,有效覆盖范围为10〜75m(具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定)，网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
(5)超宽带技术(UWB,又被称为脉冲无线发射技术)，符合IEEE802.15.3a标准，在3.1〜10.6GHz频段内占用10dB的能量、带宽大于500MHz的无线发射方案。UWB技术不需载波，能直接产生能量脉冲信号，产生高达几GHz的窄脉冲波形，其带宽远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，发射机、接收机结构都简单，通信速率高,可用于20Mbit/s以上的高速无线局域网。
(6)AdHoc网络技术。AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，即移动自组网(MobileAdHocNetwork),是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。这种网络可以独立工作，也可以接入Intemet或蜂窝无线网络。AdHoc网络中的所有节点的地位平等，无须设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。节点开机以后就可以快速、自动地组成一个独立的网络，通信距离可达1500m。带宽受限(150kHz)，传输速率不高(4.8〜38.4Kbit/s),不过一些学者正在研充用超宽带节点组建AdHoc网络。
(7)无线Mesh网络(WirelessMeshNetworks,WMN)技术。WMN是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构，具有移动宽带的特性，同时它可以动态地不断扩展，自组网、自管理、自动修复、自我平衡。无线Mesh具有兼容WLANIEEE802.1la/b/g标准的特性，可以弥补WLAN覆盖范围不足的缺点，扩展其通信距离。无线Mesh网络主要由Mesh路由器和Mesh终端两种网络节点组成。Mesh路由器除了具有网关/中继功能，还具有支持Mesh网络互连的路由功能、终端的接入功能。与传统的无线路由器相比，无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信，以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。无线Mesh网络组网示意图如图6.11所示。基于IEEE802.11b的无线网络技术将WLAN的IEEE802.11b和Mesh网优势互补，具有速率高、传输距离远、移动性强、自组织、自愈合等特点。
图6.11 无线Mesh网络组网示意图
上述几种短距离无线通信技术中，根据矿山无线救援通信的特点以及对救援通信设备的要求，无线Mesh网络技术将WLAN的IEEE802.11b和无线Mesh网优势互补，具有速率高、传输距离远、移动性强、自组织、自愈合等特点，能较好地满足井下无线救援多媒体通信的需求。另外，用蓝牙技术或超宽带节点组建AdHoc网络也能满足矿山无线救援通信的要求，但技术开发难度大。表6.4对几种无线移动通信技术进行了比较并对是否适用于救援通信给出了结论。
表6.4几种短距离无线通信技术比较
| 技术 类型 |
频率/MHz | 数据率 / (bit/s) |
距离 /m |
优点 | 缺点 | 结论 |
| PHS | 1900 | <64K | <2000 | 终端发射功率低，价格低廉 | 基站固定式，难以做成本安型，语音为主 | 否 |
| WiFi(WLAN) | 2400 | 1M/2M/5.5M/11M | 100〜300 | 较高信息接入 | 采用AP中继接力在无线链路跳数达到四跳时性能下降大 | 否 |
| Bluetooth | 2400 | 721K/58K | 10 | 组网方便，即插即用 | 通信距离近 | 可能 |
| ZigBee | 2400/915/860 | 10K—250K | 10〜75 | 低功耗、低成本、低复杂度，网络容量大 | 速率低，不支持多媒体通信 | 否 |
| UWB | 3100〜10600 | 20M | 10〜75 | 发射/接收机结构简 单，速率高 | 宽带，易干扰其他设 备，成熟产品少 | 可能 |
| Ad Hoc | 2400/915/860/433 | 38.4K | 1500 | 快速组网、独立运行。 多跳自组织网络 |
速率低，不支持多媒 体通信 | 否 |
| WMN | 2400 | 1M/2M/5.5M/11M | 1000 | 动态拓扑，多跳自组织 宽带网络 | 产品价格稍高 | 是 |
3)矿山无线救援终端技术方案
矿山无线救援终端主要由多媒体采集平台和无线Mesh网卡组成，将客户端与无线路由器连接到一起。多媒体釆集平台完成井下现场的视频、音频、环境参数(氧气、一氧化碳、瓦斯浓度和环境温度)等多媒体信息的实时采集，并具有存储、显示、报警等功能，无线Mesh网卡将多媒体信号以多跳的方式，通过若干Mesh路由器的路由转发功能将信号送至井下基地设备，设备由本安型锂电池作为电源支持。这样就实现了“即铺即用”的矿山救援多媒体应急通信服务。
矿山无线救援终端釆用三核：DSP+ARM+MCU技术实现，其原理框图如图6.12所示。红外摄像头釆集现场视频图像在DSP釆用MPEG-4ACE图像压缩标准压缩。送/收话器釆集语音信号，通过ARM及声卡，釆用基于网络电话方式实现多方通话，语音釆用G.729语音压缩标准。环境参数通过232串口釆集、传输。CF接口用于数据存储，USB口用于数据下载，RJ・45网口用于多媒体数据的输出，无线网卡用于无线接入，LCD接口用于显示，ATA接口连接键盘用于系统调试。美国得克萨斯仪器公司(TI)达芬奇处理器(DaVinci)包括一个594MHz的C64x+DSP核和一个297MHzARM9核。MCU选用MP430用于电源管理以及量身定制手持式终端的面板管理。
图6.12 矿山无线救援终端原理
4）系统实现
立足我国煤矿国情、积极探索符合中国煤矿安全特点的救援通信技术，开发的矿山多媒体救援通信系统通信釆用有线与无线相结合方式：地面指挥中心与井下救护基地之间（10〜20km不等）釆取有线（电话线）通信方式；井下救护基地与救灾现场之间（通常在1000m左右）采用无线方式。靖远煤业有限责任公司救护大队模拟巷道的工业试验表明：釆用无线Mesh网络技术的矿山多媒体救援通信系统可以快速组成无线宽带救援网络，大大节省了救援时间。其设计、实现思想理念同样可以应用到非煤矿山和其他需要应急通信的场合。
4.矿用本安型计算机设计实现技术①
煤矿生产中许多场合需要计算机，如釆煤机、通风系统、救援通信系统、安全监测监控系统等；但国内目前井下计算机都是隔爆型或隔爆兼本安型的，相对于本安型井下计算机，隔爆型井下计算机存在许多缺点：隔爆型结构是由板筋件通过焊接将其组装成箱体，然后将计算机装入箱体内，成本高、体积大、重量沉、不允许在线测量和带电维护，同时它不能用于危险场所。目前量身定制的矿用本安型计算机在国内外还没有相关报道，有必要对这一技术和设备进行研究与开发。
1）矿用本安型计算机设计原则及实现难题
矿用本安型计算机在设计过程中，必须遵循如下原则。
（1）兼容性原则。矿用本安型计算机在硬件接口和软件方面要与普通计算机兼容，目的在于加快利用矿用计算机进行工程设计和科研的进度，减少重复性的工作。
（2）可扩展性原则。矿用本安型计算机可扩展许多功能，因此在设计过程中要充分考虑系统的可扩展性，这就要求它在组网和I/O接口方面具有完善的软硬件支持。
(3)三防原则。矿用本安型计算机要有防尘、防振、防潮能力。
(4)低功耗原则。对于矿用本安型计算机而言，其功耗必须在本安的要求范围内，且不允许电路中有大的储能元件。
设计实现矿用本安型计算机面临的最大难题是计算机的功耗问题。通常计算机中消耗能源最多的是显示器件、硬盘和CPU这三个设备。
现以国内KTE5型隔爆兼本安型井下计算机为例，说明本安型计算机的实现难度。
KTE5型隔爆兼本安型计算机釆用工业级的全数字单板机PC/104为主处理单元。一般的3.5寸(1寸=1/30米)板，类似CPU计算机板，+5V供电，电流为1.0〜2.0A,PC/104板最大功率7W,典型功率在5W左右。还要考虑常用功能的功耗，如指令解码和执行、浮点运算、L1指令和数据缓存、频率锁相环电路等；特别对于图形处理必须考虑2D图形引擎、显示控制和SDRAM或DDR内存、各类连接接口等的耗电情况。其他器件的功耗为4〜8W。
对于显示器件，KTE5型隔爆兼本安型计算机釆用SHARP的6.4寸屏(型号：LQ64d343),+5V供电，最大电流360mA,对应驱动功耗1.8W。但是背光源釆用双冷阴极荧光管(Cold Cathode Fluorescent Tube,CCFT),点亮电压+110V,单管典型值达到2.16W,两个CCFT即4.32W,合计LCD显示峰值达到6.12W。
数据存储单元釆用集成磁盘电子接口(IntegratedDriveElectronics,IDE)普通硬盘，+5V/660mA,+12V/240mA,合并功率为6.18W,典型功耗在3.5W左右。
根据上面的分析，隔爆兼本安型计算机难以满足《防爆国家标准》GB3836.4—2010而不会引起周围环境中可燃性混合物爆炸的本安要求，必须对其进行技术升级和改进。
2)矿用本安型计算机实现方法
实现矿用本安型计算机的方法主要是尽量降低计算机中的显示器件、硬盘和CPU这三个设备的功耗。
(1)矿用本安型计算机核心板：考虑到井下计算机在体积、重量、功耗等方面的要求,现对两款典型嵌入式系统——PC/104(PCM.3350)板及SOM.2354板主要技术参数进行比较，见表6.5。
表6.5PC/104(PCM-3350)板和SOM-2354板主要技术参数比较
| 技术指标 | PC/104 板 | SOM-2354 板 |
| CPU | AMDGX1-300 MHz 处理器 | AMD GX533-400MHz 处理器 |
| 内存 | 256 MB SDR | 128 MB DDR |
| 芯片组 | AMD CS 5530A | AMD CS 5535 |
| BIOS (基本输入输出系统) | Award 256 KB Flash BIOS | Inside 256 KB Flash BIOS |
| 扩展接口 | PC/104 | 144 针 SO-DIMM 支持的 PCI |
| 显示芯片 | AMD CS5530A | AMDGX5533 |
| 显存 | I-4MB显存 | 1 ~16MB显存 |
| 尺寸(长X宽) | 96mm X 90mm | 68mm X 100mm |
| 所需功率 | 最大:+5V@ 1.35A | 最大:+ 5V@ 1.4 A |
| 典型:+5V@ 1.04 A | 典型:+ 5V @ I A |
由表6.5不难看出，在板块性能上：SOM.2354采用的CPU主频达到400MHz,选用的是128MB的双倍速率同步动态随机存储器(DoubleDataRateSDRAM,DDR)内存，更有高达16MB的显存，其性能要高于PC/104板上的CPU300MHz、256MB单倍速率同步动态随机存储器(SingleDataRateSDRAM,SDR)内存、4MB显存。SOM-2354板便于系统功能的扩展，这也有利于节省系统开发时间。
在面积上：SOM.2354为68mmX100mm,PC/104为96mmX90mm,前者更为轻巧，适用于井下便携式要求。
在功耗上：两者所需电压基本相同，SOM-2354额定电流和最大电流分别为1A和1.4A,PC/104额定电流和最大电流分别为1.04A和1.35A。前者在一般工作模式下的功耗较后者小。
综合以上原因，选择研华(Advantech)SOM-2354为矿用本安型计算机核心板块。
(2)搭载板：在搭载板的选择上，釆用自主开发方式。开发设计的计算机底板可搭载研华SOM-144系列核心板，量身定制外围接口，标配声卡、以太网口、串口、键盘鼠标、标准IDE、CF卡、LCD等接口。该板釆用ATX电源或AT电源，额定5V,电流1〜1.5A,面积较同类型的研华DB2300,只有后者的三分之一，而总体功率仅为5〜7.5W,可以满足本安的要求。
(3)显示单元：矿用本安型计算机显示单元釆用薄膜晶体管液晶显示器(ThinFilmTransistor-LCD,TFT-LCD)>3.5英寸(1英寸=2.54厘米)640像素x480像素分辨率小屏幕显示。TFT为薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件，在每个像素点上设计一个场效应开关管，这样就容易实现真彩色、分辨率高、响应速度快、灰度高的液晶显示器件。背光源釆用LED,以低压+12V供电，省却了CCFT所需要的启动器、高压镇流器等设备，免除了无效电损。LED背光源功率仅有1.3W；而同等尺寸液晶屏需要的CCFT,耗电要达2.5W以上。整个显示单元功率为5.57W,重量仅290g,可以实现本质安全电路。
(4)数据存储单元：数据存储单元采用了4GB的CF卡。CF技术是一种与PCATA接口标准兼容的闪存技术，可永久性保存信息，无须电源。速度快，重量轻，体积为42.8mmx36.4mmx3.3mm(TYPEII的为42.8mmx36.4mmx5mm),可在3.3〜5V的任何电压下运行，增强了使用方面的兼容性。CF卡可以直接安装在芯片上的控制器接口，不带驱动器，无移动的部件，因而发生机械故障的可能性很小，数据更安全。这种可随机携带的控制器使CF卡与多种平台相兼容，CF卡耗电量也小，仅为普通硬盘的5%,且易于升级。耗电减少直接延长了矿用本安型计算机的电池续航时间、增强了便携性。
其低压供电方式，也省却了CCFT所需要的启动器、镇流器或超高压变压器等设备，免除了无效电损。为了降低液晶屏能耗，U100首次釆用更为节能的LED背光源系统，U100的LED背光源功率仅有1.3W,远小于同类液晶屏CCFT冷阴极荧光管的2.5W,省电48%左右。
(5)本安电源单元：本安电源单元使用可充电锂电源，完成对矿用本安型计算机的电源支持。首先釆用安全组件分流技术，三组锂电池组12V输岀电压经DC/DC器件分别产生系统工作的12V、5V和3.3V电压；其次釆用锂离子电池专用保护IC,电路中设有稳压、过流保护、过压保护和短路保护等功能，并且所有保护功能环节均为冗余设计，双重保护；最后用环氧树脂将电池组与保护性组件胶封为一体，使得电路更可靠、更安全。本安电源单元保证装置可连续工作8小时。
3）矿用本安型计算机主要电气参数
图6.13所示为矿用本安型计算机系统框图，以研华超低功耗的SOM-2354作为核心，整个计算机主要由核心板、搭载板、本安电源板、液晶显示模块、数据存储器件、操作面板等六部分组成。考虑到井下特殊的情况（鼠标、键盘不便于使用），将常用功能键（F1〜F5、回车、空格键等）引到操作面板上，同时在操作面板设置了软关机键，避免了硬关机对计算机系统和硬盘的伤害。该系统能够装载和运行操作Windows系统，在这个系统平台上可以进行自主软件开发，完成所需功能的二次开发。矿用本安型计算机主要电气参数见表6.6o图6.14（a）为矿用本安型计算机显示屏幕与手机显示屏幕（176像素x220像素）的比较，图6.14（b）为利用本安型计算机开发的矿用数字视频图像监控系统显示的某煤矿井下积水积油情况视频截图。
图6.13 矿用本安型计算机系统框图
| 操作系统 | CPU | 屏幕 | 存储器件 | 内存 | 显存 | 工作电压 | 工作电流 |
| Windows 2000、 | 400MHz | 3.5英寸 | 4GB | 128MB | 16MB | DCI2V、 | 0.4A、 |
| Windows XP | 主频 | TFT-LCD | CF卡 | DDR | DC5V、 | 1.4A、 | |
| 640像素x480像素 | DC3.3V | 0.23A |
图6.14 本安型计算机显示屏及视频截图
随着煤矿工业的发展，煤矿生产中需要计算机的场合越来越多。恶劣复杂的井下条件，对电子设备的安全性能要求非常严格，普通计算机加防爆外壳的组成形式已不适用于矿用计算机的发展。矿用本质安全型计算机将大大提高井下作业的现代化程度和安全系数。
5.煤矿瓦斯、可燃性气体及井下环境参数检测①
为保障煤矿安全生产和职工人身安全，防止煤矿事故，国家安全生产监督管理总局制定了《煤矿安全规程》。煤矿井下空气成分、环境温度等环境参数必须满足规程要求。国内对瓦斯的检测以甲烷检测为主，毒气的检测以一氧化碳检测为主；而国外用可燃性气体的检测代替单一甲烷气体的检测，毒气包括硫化氢的检测。环境参数主要指可燃性气体、一氧化碳、氧气浓度和环境温度。
1)瓦斯检测
瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷。
甲烷(CHQ无色、无嗅、沸点-161.49°C,对空气的比重为0.554。甲烷气体与空气的混合气中，甲烷的爆炸范围(ExplosionRange)是4.9%(V/V)〜16%(V/V)。这里，V/V(体积百分比)是浓度测量单位，例如，混合气中含有1%(V/V)的甲烷意味着每一百单位体积的气体中含有一单位体积的甲烷。此外，用于气体检测领域的单位还有百万分比浓度ppm(PartsPerMillion)。
煤矿井下工作场合要使甲烷浓度保持在安全限值以下，应建立相应的瓦斯检查制度，甲烷浓度达到2%时，工作人员应迅速撤离现场。
国内外测量瓦斯浓度的方法有：光学干涉法瓦斯检测、催化燃烧型瓦斯检测以及红外瓦斯检测。
2)可燃性气体检测
煤层气除含甲烷气体外，还含有少量的一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氢、氨等有害或易燃气体。所以国外用可燃性气体(CombustibleGases)的测量代替单一甲烷气体的测量。
各种可燃性气体的爆炸门限(Flammable Limits)不尽相同，又分为爆炸下限(LowerExplosiveLevel,LEL)和爆炸上限(UpperExplosiveLevel,UEL)o其中LEL的单位通常是相对百分比(0%〜100%LEL)。在低于LEL的环境中因可燃气体太少而无法燃烧，当环境中的可燃气体的浓度高于UEL时，会由于气体太多也不能燃烧。常见可燃性气体的燃点与混合气体的爆炸范围见表6.7。
表6.7可燃性气体的燃点与混合气体的爆炸范围(在一个大气压下)
| 气体(蒸汽) | 燃点/C | 混合气中爆炸范围/体积百分比 | |
| 与空气混合 | 与氧气混合 | ||
| 一氧化碳(CO) | 650 | 12.5 〜75 | 13 〜96 |
| 氢气(H2) | 585 | 4.1 〜75 | 4.5 〜95 |
| 硫化氢(h2s) | 260 | 4.3 〜45.4 | |
| 氨气(nh3) | 650 | 15.7 〜27.4 | |
| 甲烷(ch4) | 537 | 5.0〜15 | 14.8 〜79 |
| 甲醇(CH3OH) | 427 | 6.0 〜36.5 | 5〜60 |
| 乙烯(C2H4) | 450 | 3.0 〜33.5 | |
| 乙烷(c2h6) | 510 | 3.0〜14 | |
| 乙醇(C2H5OH) | 558 | 4.0〜18 | 3〜80 |
| 丙烯(C3H6) | 2.2 〜11.1 | 4〜50 | |
| 丙烷(c3h8) | 2.1 〜9.5 | ||
| 乙煥(C2H2) | 335 | 2.3 〜82 | 2.8 〜93 |
| 丁烷(C4HI0) | 1.5 〜8.5 | ||
| 乙酝(C4H2O) | 343 | 1.8 〜40 | |
| 苯仁6氏) | 538 | 1.4 〜8.0 | |
目前可燃性气体的检测主要采用催化燃烧传感器。可燃气在有催化剂的小室中氧化燃烧放热，钳金丝的温度加热后升高，电阻改变，通过惠更斯电桥测出电流大小。在可燃气体爆炸极限下限以下的范围内，电桥的响应输出和气体的浓度呈线性关系。
3)井下环境参数检测
爆炸性混合物的爆炸，即所有的可燃性气体、蒸汽及粉尘与空气所形成的爆炸性混合物的爆炸需要同时具备三个条件才可能发生：第一，必须存在爆炸性物质或可燃性物质；第二，要有助燃性物质，主要是空气中的氧气；第三，要存在引燃源(如火花、电孤和危险温度等)，它提供点燃混合物所必需的能量。只有这三个条件同时存在，才有发生爆炸的可能性，其中任何一个条件不具备，就不会产生燃烧和爆炸。
在煤矿井下的新鲜风流中，氧气的含量应与新鲜空气中的一样，为20.9%。由于煤层中可燃性气体、毒性气体的混入，巷道风流中的氧气浓度就会下降。当空气中的氧气浓度在18.0%以上时，人们能正常呼吸；当氧气浓度在16.0%〜18.0%时，人员呼吸会感到困难；当氧气浓度低于16.0%时，人员就会窒息。因此，釆掘工作面的进风流中，《煤矿安全规程》规定氧气浓度不低于20%,井下环境参数的测量应包括氧气参数的测量。此外，在多种气体同时存在的状态下，测量氧气浓度可以间接测定爆炸气体浓度。
对于煤层气中少量的有害气体，《煤矿安全规程》同时规定有害气体的浓度不超过表6.8的规定。
表6.8矿井有害气体最高允许浓度
| 名称 | 最高允许浓度/体积百分比 |
| 一氧化碳(co) | 0.0024 |
| 二氧化氮(no2) | 0.00025 |
| 二氧化硫(SO2) | 0.0005 |
| 硫化氢(&S) | 0.00066 |
| 氨(nh3) | 0.004 |
一氧化碳是无色、无嗅、无味的气体。CO经呼吸道吸入，通过肺泡进入血液，立即与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白(HbCO)o急性CO中毒是吸入高浓度CO后引起以中枢神经系统损害为主的全身性疾病。轻、中度中毒主要表现为头痛、头昏、心悸、恶心、呕吐、四肢乏力、意识模糊，甚至昏迷。重度中毒者意识障碍程度达深昏迷或去大脑皮质状态，往往出现牙关紧闭、强直性全身痉挛、大小便失禁现象。部分患者可并发脑水肿，肺水肿，严重的心肌损害，休克，呼吸衰竭，上消化道出血，皮肤水泡或成片的皮肤红肿，肌肉肿胀坏死，肝、肾损害等。因此，井下有害气体的测量至少应包括一氧化碳的测量。
一氧化碳的测量往往釆用电化学传感器原理，将两个电极插入电解质中，CO分子与水在一个电极上发生反应，并产生二氧化碳、氢离子和电子，氢离子在另一电极与氧气发生反应产生水分子。由此在两个电极间产生电子流。电化学CO传感器正是靠输出正比于co扩散气体浓度的电流探测到环境的co扩散浓度。
综上所述，煤矿井下环境参数的检测至少应包括以下四个参数：可燃性气体、氧气、一氧化碳浓度和环境温度。
6.矿山现代无线移动通信技术的研究①
矿山通信系统主要由矿区地面通信和矿山井下通信两大部分组成。
近年来，矿区地面通信发展迅猛，无论传输设备还是交换设备，容量逐年增大、技术不断更新，逐步实现了程控化、移动化、网络化，通信的可靠性和稳定性也逐渐提高;矿区地面通信网正在向集语音、图像和数据等多媒体信号传输“三网合一”的综合信息网方向发展。
矿山井下通信由于受通信设备技术跟进和特殊环境条件的制约，还存在许多问题。
我国当前的矿山井下通信以有线电话为主，个别矿也配有一些所谓的无线移动通信系统，如动力线载波通信系统、漏泄无线通信和感应通信等。动力线载波通信在矿井架线电机车上有些应用；但因传输阻抗匹配困难和抗干扰性能差，至今性能尚未完善。漏泄通信是利用表面开孔的同轴电缆(漏泄电缆)在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之间或与基站之间的可逆耦合以获得较好的通信质量；其缺点是系统造价昂贵，又需敷设专用传输线，且信号接收局限在离导线30m以内。感应通信是利用电磁感应原理实现的通信，发话时移动通信机的磁性天线十分接近感应线且发射天线尺寸较大，因传输参数不稳定和干扰噪声大，国内使用情况普遍不好。上述的几种矿山井下移动通信系统存在的问题较多，且系统对使用环境的适应性很差，并不适合井下特殊环境。
建立矿山先进的无线移动通信系统是矿山广大员工梦寐以求的。该系统对于提高现代矿井自动化程度、提高劳动生产率、加强安全防护等有着非常重要的意义。矿山现代无线移动通信技术亟待开发、研究、完善和提高。
矿山现代无线移动通信技术主要实现矿区地面、矿山井下以及地面与井下之间的移动通信功能。从根本上讲，希望解决的问题是在矿山作业的任何人员，在任何地点和任何时刻，都能与他们渴望通信的对象保持及时有效的联系。从近期无线技术在煤矿安全生产中的发展趋势看：主要包括覆盖井下和地面的小灵通技术、大灵通技术(SCDMA)、第三代移动通信技术、无线射频识别(RFID)技术和无线局域网络(WLAN)等。从远期无线技术在煤矿安全生产中的发展趋势看：包括融合蓝牙、ZigBee.超宽带等技术的即兴自组网络(AdHoc)技术，提供长距离宽带接入的WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)技术等。本节着重研究矿山小灵通、矿山大灵通和矿山3G技术。
1)矿山小灵通技术
(1)矿山小灵通技术简介：矿山小灵通技术来源于公众移动电信网络中广泛应用的PHS系统，通过对PHS系统按“煤安”标准进行安全处理和改造后形成。矿山小灵通并没有改变其原生系统的逻辑、接口、系统标准乃至主要结构。从系统层面讲，井下小灵通与原PHS系统相同，完全继承了PHS系统的可靠性与性价比。
矿山小灵通无线通信系统作为矿山通信的子系统，主要实现井下及地面的无线语音业务功能。在井下应用时，主要对矿井主巷道和各主分叉巷道进行无线覆盖，并将井下通信信号传送到地面无线接入平台，从而保证矿井下人员可随时随地与地面进行通信。
(2)矿山小灵通技术特点：与交换机、调度机提供多种接口；系统釆用微蜂窝小区配置；支持无线用户的语音通信功能和短信功能；具有动态信道分配功能，信道利用率高，无须进行频率规划；支持漫游与越区切换；终端10mW的极低发射功率，确保对人体及设备无电磁辐射伤害；使用32Kbit/sADPCM话音编码，话音质量好；其中手机体积小、重量轻，待机时间长，待机时间能达到400小时以上；支持对无线用户的调度功能。
(3)矿山小灵通网络结构：矿山小灵通无线通信系统釆用微蜂窝结构组网，充分利用现有交换机和传输设备资源，适合于井下网络节点离散且常常变化的环境。矿山小灵通无线通信系统结构见图6.15。
图 6.15 矿山小灵通无线通信系统结构图
①局端接入设备(RT)：负责无线通信网络与矿井交换调度主机的连接。矿山小灵通系统通过局端接入设备，将调度交换机的信号传递到矿山小灵通系统覆盖的服务区。与调度交换机的连接釆用PRL
②基站控制器(BSC):是矿山小灵通系统的基站控制部分，在系统中处于基站和局端接入设备之间，并为无线基站供电。基站控制器主要承担无线资源管理、基站管理、呼叫控制、切换控制，并控制着各基站在服务区的电源分配和话音路径的集线处理等功能。基站控制器与局端接入设备通过E1/PRI相连。基站控制器通过双绞线以U接口与基站相连接，每个控制器最多可以控制32个独立基站。
③线路延伸器(RP)：专门针对矿山小灵通系统设计的ISDN线路延伸器，可以实现ISDN线路的延伸，最多级联三个，将基站拉得更远，实现对部分特殊区域的覆盖，如井下巷道、公路或隧道，使得矿山小灵通系统的无线覆盖更加灵活。
④无线射频基站(RFS):具有防爆防尘功能，通过双绞线电缆与基站控制器连接，由基站控制器直接馈电，无须本地供电，其有效传输距离可以达到5km。基站的无线接口有四个时分接入信道。它具有时分多址/时分双工(四信道TDMA-TDD),可提供一个控制信道和三个业务信道。
⑤终端设备(UE)：矿山小灵通系统既支持无线终端，也支持有线终端。
2)矿山大灵通技术
(1)矿山大灵通技术简介：现代数字通信已广泛釆用时分多址、频分多址和码分多址等多种通信手段来提高通信容量和质量，其中码分多址的扩频通信技术作为一种先进的无线通信技术手段，具有抗干扰性强、可靠性高、功耗低等特点，非常适合在环境恶劣、机电噪声大的煤矿井下使用。同步码分多址(SCDMA)技术俗称大灵通技术，具有信号 稳定、覆盖好、移动性好、话音清晰的特点，具备动态信道分配功能。SCDMA大灵通的交换系统、基站系统及其手机软硬件，中国均拥有完整的自主知识产权。
(2)矿山大灵通技术特点：掉线率低、移动性好、通话质量高；信号稳定，覆盖好,抗干扰能力强；绿色环保，大灵通手机辐射低；全IP架构，网络设备通过标准的IP接口即可与计算机网络互连；井上、井下均缺乏宽带数据传输能力。
(3)矿山大灵通网络结构：矿山大灵通提供地面、井下的语音与低速数据业务。矿山大灵通移动通信系统结构见图6.16。
图6.16 矿山大灵通移动通信系统结构图
①分布式基站(RFS)：用于地下煤井坑道的覆盖，提供语音及稳定可靠的低速数据业务。
②基站收发信机(BTS):用于地面的覆盖，提供语音业务。
③基站控制器：与分布式基站收发信机(DBT)和BTS连接，管理所有无线资源并连接调度中心的交换设备和网管设备。
此方案为IP架构，网络设备通过标准的IP接口即可与计算机网络互连，网络建设和维护成本低、成熟稳定。这样一张统一的SCDMA综合业务网络即可实现煤矿通信指挥调度、井上/井下安全监控、井下人员定位以及移动办公等各种业务。
3)矿山3G技术(TD-SCDMA)
(1)矿山3G技术简介：3G标准又称为国际移动电话2000(IMT2000),从技术角度来看，3G三大标准阵营——WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA技术已经成熟。我国在1995年开始TD-SCDMA技术的研究，目前拥有的关键技术有时分双工方式、智能天线、联合检测、上行同步、接力切换和软件无线电技术等。基于3G核心技术的矿山移动通信解决方案可以提供完善、先进的统一信息系统解决方案，包括具有井下、井上语音调度功能，煤矿与公网互通能力，图像数据传输能力，安全监测能力，移动数据接入
管理能力和生产、生活的统一通信平台与数据接入平台。
(2)矿山3G技术特点：集语音通信、数据传输、监控等于一体的网络信息平台，提供多种煤矿应用；提供高效的通信服务以及有效的数据业务，方便煤矿企业的管理和调度；网络釆用的TD核心技术代表了最先进的通信技术，具有很好的演进特性；釆用一定的自组网功能，具有较好的容灾性能和抗毁性；网络自成体系，具有很强的防干扰能力；网络提供了标准的接口，能与公网互通。
(3)矿山3G网络结构：基于第三代移动通信核心技术的矿山TD-SCDMA通信系统结构见图6.17o
图6.17 矿山3G移动通信系统结构图
①基站控制器(RPC):负责无线接入、无线资源分配和管理、无线测量、开机注册、位置更新和切换、语音和数据呼叫、话权管理、话务排队和分配、调度控制、信令处理、资源管理、媒体控制、安全保密、计费和网络管理等。
②语音网关(VGW):是3G信息系统到外部公共电话交换网或外部陆地移动网(PLMN)的协议和媒体网关，负责提供网间互连的标准物理接口和标准信令协议，完成媒体处理，提供计费信息。VGW可以作为一个模块在RPC中配置，也可以单独配置。
③数据网关(DGW):是3G信息网络连接外部Internet的互联网网关。DGW存储用于连接用户设备UE的路由信息，为外部Internet的PDU送到用户设备UE提供通道，同时提供计费信息。DGW可以作为一个模块在RPC中配置，也可以单独配置。
④终端（UE）：提供调度语音业务（单呼、组呼、广播）、电话互联业务、补充业务、短消息业务和数据业务；包括手持移动台、车载台和数据卡。
4）几种矿山无线移动通信技术的比较
矿山小灵通已经在有些煤矿得到应用，矿山大灵通和矿山3G尚在产品研发阶段，表6.9是几种无线移动通信技术的比较。通过以上分析比较，在目前的技术条件下釆用TD-SCDMA技术进行矿山移动通信有其适用性；但其硬件开发难度大，也存在一定政策风险。
表6.9几种无线移动通信技术比较
| 技术种类 | PHS | SCDMA | TD-SCDMA | WLAN | WiMAX |
| 工作频段/Hz | 1900M | 400M | 2010M | 2.4G | 2〜6G |
| 基站信号半径/m | <500 | 几百〜几千 | 几百〜几千 | 30 〜80 | 50k |
| 数据传输速率/（bit/s） | <64K | 144K | 384K 〜2M | 1 〜11M | 70M |
| 优点 | 基站和小灵通手机发 射功率低，价格低廉； 售后服务与技术支持完善 | 覆盖远，容量大，信号稳定，通话清晰， 移动性好，抗干扰能 力强，大灵通手机辐 射低，全IP架构；中 国拥有完整自主知识产权，技术成熟，易 于实现 | 覆盖远，容量大，技术先进，移动性好，支持语音、视频、数据等多 媒体通信，抗干扰能力强，具有一定容灾性和抗毁性，全IP架构，能与公网互通 | WiFi的AP设 备比较成熟，较高速数据 接入 | 高速数据 传输，远距 离穿透能 力强 |
| 缺点 | 基站覆盖半径小，基站信道少，信号绕射能力差，穿透损耗较大，传输距离短，语音为主，移动性能差 | 语音为主，缺乏宽带数据传输能力，需要开发防爆基站、直放站和手机 | 带宽不足，数据传输速度不高，防爆基站、多 媒体终端等开发成本高 | 数据为主，漫 游性差，终端 不便携，终端 选择余地少 |
话音支持 能力差，技 术和设备 不成熟 |
无线技术在煤矿安全生产中的应用领域将越来越广泛，如井下通信、传输、人员定位、无线传感器、无线局域网、现场工业设备遥控、应急通信、环境监测、安全生产指挥、移动办公、移动商务等领域。可以预计，无线移动技术在煤矿安全生产中有着广阔的发展前景，必将承担越来越多的作用。
