摘要：文章针对煤炭行业信息化的发展需求和特点，结合TD-SCDMA和Femtocell的技术特点，对基于Femtocell的矿用无线通信系统和基于TD-SCDMA的煤炭专网系统进行分析，说明了各自的特点，并对其在矿井中的适用性做了对比。对比结果表明：基于Femtocell的矿用无线通信系统在技术和实现上具有很多不足，而大唐移动提出的基于TD-SCDMA的煤炭专网系统从规划到实施具有较高的可行性，完全符合煤矿特殊作业环境对通信的需求，是广大煤矿企业首选的矿井无线通信解决方案。
1 引言
随着移动通信技术迅猛发展，3G已经在中国大规模建网并投入商用，可以说公众移动通信网络的飞速发展为广大人民的生活与工作带来了全新的体验与极大的便利。但是相比公网而言，行业领域的移动专网水平已经不能满足现有行业应用的发展需要，因此尽快在行业应用中引入先进的通信技术，特别是拥有我国自主知识产权的技术显得日益迫切。
近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飚升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。众所周知，我国是一个煤炭大国，已探明煤炭存储量居世界第三，煤炭开采量居世界第一，但是，我国同时也是矿难大国，矿难死亡人数高居各类行业安全事故之首，国家安全生产监督管理总局公布，2010年全国煤矿事故发生1403起，死亡2433人，严峻的安全生产形势已经迫使煤炭企业开始在国家政策的强力支持下寻求煤矿安全生产信息化的解决方案和产品，国家也通过各种政策强制煤炭生产必须走工业化、信息化结合的道路。
2基于Femtocell的矿用无线通信系统
2.1 Femtocell
Femtocell又可称为毫微微小区、家庭基站，是近年来根据3G发展和移动宽带化趋势推出的低功率、超小型化移动基站。它具有1个载波，发射功率为10~100 mW，覆盖半径为50~200 m，支持4~6个活动用户（最多可支持16个用户），允许的最大用户运动速度为10 km/h。
在地面应用中，Femtocell使用IP协议，通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的联通，可为用户提供语音及数据通信服务。Femtocell的大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点，是蜂窝网络解决室内覆盖问题的一个重要手段。
目前，Femtocell有适用于CDMA、GSM、UMTS的各种标准和支持2G、2.5G、3G的产品，其制式、频段与运营商现有基站相同，手机等移动终端可以与地面移动通信网络通用。
2.2 系统结构
最初Femtocell是被设计为应用在家庭环境中的消费电子产品，随着对Femtocell技术研究的深入，人们发现Femtocell的潜力不仅仅是只在家中使用。由于它的大小与ADSL调制解调器相似，发射功率小，具有安装方便、自动配置、即插即用等特点，人们开始考虑将它应用在煤炭、石油等行业领域，并提出了基于Femtocell的矿用无线通信系统。基于Femtocell的矿用CDMA无线通信系统结构如图1所示：
图1 基于Femtocell的矿用WCDMA无线通信系统结构
基于Femtocell的矿用WCDMA无线通信系统采用现有的IP传输，Femtocell通过工业以太网与地面主系统相连，井下通信的网络架构可采用标准的Femto网络架构实现井下、井上通信的结合，传输使用矿区已经部署的井下工业以太环网。Femtocell包含了Node B（即移动基站，一般由控制子系统、传输子系统、射频子系统、中频/基带子系统、天馈子系统等部分组成）和RNC的功能，它通过Uu接口与UE通信；同时通过Iuh接口经矿区宽带承载网与Femtocell网关相连，然后通过Iu接口连接到核心网络（核心网包括移动交换中心MSC和用户归属位置寄存器HLR等,其主要作用是整个呼叫信令控制和承载建立)，核心网络采用的是现网核心网。
2.3系统分析
无线干扰问题
与传统基站相比，Femtocell具有1个载波，发射功率为10~100 mW，覆盖半径也相应较小，一般为50~200m，最多可支持4~6个活动用户，因此，在井下Femtocell的部署数量不是一个小数目，尤其是在井下人员较多的大中型煤矿。需要注意的是，无线频谱是有限的，当使用Femtocell的数量比较多之后，网络管理的复杂度会随着增加，Femtocell之间的信号干扰就有可能变大，如何降低相互之间的无线干扰是需要继续探讨的问题。
同步问题
同步问题也是基于Femtocell的矿用无线通信系统不可忽略和避免的问题，尤其是在国内环境下，Femtocell同步是一个挑战，目前Femtocell和网络的同步主要是用GPS同步，在很多场景下没有办法获得足够多的GPS信号。在国内，矿井的平均深度超过300米，最大井深超过1000米，在矿井中，几乎不可能获得GPS信号，基于此，必须要寻求不依赖于GPS的替代方式，Femtocell才能够真正实现用户安装即插即用。
切换问题
目前Femtocell还无法实现网络优选，在手机进入Femtocell区域时无法切换进去，出来时又无法切换到宏网络。Femtocell用在矿井中，连续大面积覆盖的情况下需要用多个Femtocell进行覆盖，这时候需要考虑手机从Femtocell到Femtocell之间的切换。由于Femtocell的容量很有限，尤其是在大中型煤矿企业这样的大面积连续覆盖场景下，所需要的Femtocell的数量不是一个小数目，而且一个Femtocell的覆盖半径只有50~200m，在通话或做其他业务时，很容易从一个Femtocell的覆盖区域进入另一个Femtocell的覆盖区域，这种Femtocell之间的频繁切换也会带来通话质量以及稳定性等方面的问题。
Femtocell网络架构的安全问题
使用过WIFI的用户都有这样的体验，如果不设置任何密码，WIFI连接很容易被其他人盗用。当一个用户在家里通过WIFI路由器上网，楼上的邻居也可以毫无阻碍的使用这个WIFI连接上网。和WIFI一样，Femtocell也存在信号泄露的问题，因此Femtocell必须保证未授权的用户无法使用Femtocell的信号进行业务。拥有Femtocell的用户等于拥有了一个可以连接到运营商核心网的设备，这在过去是不可能的，Femtocell网络架构必须保证用户无法利用Femtocell作为攻击运营商核心网的工具。
Femtocell终端尚未得到工信部认可和销售许可发放
Femtocell在中国实现大规模商用还存在着众多很严重的问题，因为Femtocell终端尚未得到工信部认可和销售许可发放，从国外引进Femtocell就只能是以实验为名进口，但这样一次最多就能购买500台，而且即使测试成功也没办法卖给消费者，这也是运营商布局Femtocell所面临的重要问题。
Femtocell的3GPP标准架构的确定滞后于各个厂商的产品实现。也就是说各个厂商的产品在标准规范出现之前就已经趋于成熟了，因此，其中的很多接口是基于私有的协议。目前正式商用Femtocell的运营商也没有部署基于标准的Iuh接口，政府相关部门也没有指定行业标准的测试规范，测试验证工作也不够深入。因此，基于Femtocell网络架构的标准化工作还有待进一步提升。
Femtocell产业链薄弱，限制应用市场发展
从目前市场上来看，除了运营商提及的少数的几个服务，以及设备供应商提供的一些基站产品外，很少能看到如WIFI产业链中那么全面的产品，而过于单一的产品线也将导致用户对Femtocell技术的热情有所降低。更重要的是，由于产品的缺乏，直接导致了应用市场的停滞不前，运营商的业务难以得到更好的推广，更别提商业模式能有所创新了。
3 基于TD-SCDMA的煤炭专网解决方案
煤炭等国家敏感行业对通信的安全性、保密性、可靠性决定了具有自主知识产权的TD-SCDMA在煤炭行业应用时得天独厚的生命力！TD-SCDMA技术应用于煤炭行业，一方面可以煤炭行业的建设及发展保驾护航，也可进一步增强TD-SCDMA产业的实力，促进TD-SCDMA产业链上各个环节领域的发展，还可进一步提升TD-SCDMA的技术价值，为今后TDD系统的发展，TD-SCDMA向国外的拓展奠定更加坚实的基础！是对党中央提出的“通过技术创新发展经济”的具体践行。
3.1 方案总体架构
凭借TD-SCDMA领域的核心优势，大唐移动积极探索TD在各行业领域的应用，率先开发出适用于煤炭、油田、核电、风电、人防、特通等多个行业信息化应用的小型化TD-SCDMA企业专网系统——TDeN（TD-SCDMA Enterprise Network，TD-SCDMA企业专网），该系统可充分满足行业用户的生产与生活需要，深度推进工业化与信息化的相互融合，TDeN具有综合性业务通信网、组网灵活，业务扩展能力强、多点互联和自由漫游能力、适应多种企业运行环境并具有良好的兼容性以及高可靠性和高安全性的特点。该方案的总体结构如图2所示：
图2 TD-SCDMA专网拓扑图
3.2 方案特性
系统主设备说明
TDR100：综合接入控制设备，主要完成用户业务的接入与综合处理；TDR100采用小型化的设计原则，将基站控制器、基带处理部分、分组业务核心网功能进行整合，更适用于企业用户的需要，减少了设备的建网成本。
TDS100：交换调度机，主要集成了TD-SCDMA公网中核心网CS域的MSC server的功能，同时具有交换和调度的功能，最大支持5000用户。
TDU100：井下本安型基站，主要完成井下网络的覆盖。TDU100使用本安型电路设计，具备防爆、低功耗、低热量、高可靠性的特性。
TDU200：井上室内型基站，用于井上室内网络覆盖，提供稳定、高速的数据业务；最大拉远距离40km，具备高效率、结构紧凑的特性。
TDU300：井上矿用基站，主要完成地面室外网络覆盖；TDU300利用光纤拉远的应用优势，充分考虑了用户在业务、容量、覆盖、传输、电源、安装、维护等方面的需求，采用一体化的设计，集成度高，并可实现远端独立覆盖，从而节省了站址资源。
系统性能
支持的CS话务量：80Erl；
支持的PS吞吐量：24M；
井下支持12载波，支持2000个语音用户；
井下可连接144个TDU100；
井下基站为本安型设计；
井下设备全部采用光缆连接，不涉及任何电信号，安全可靠，不会有打火的危险。
该系统支持12.2K实时语音业务，支持HSDPA/HSUPA，可通过调度台同时解决煤矿井上、井下的通信问题，达到纵向调度灵活可靠，矿区内外通信畅通无阻，不仅能满足日常安全生产的通信需要，而且能够保证在自然灾害和矿井事故发生时进行应急指挥通信。
该专网系统可大可小，根据不同的场景需求可灵活进行定制，适用于小型煤矿、大中型煤矿以及多矿等煤矿企业。
3.3 方案分析
基于TD-SCDMA的煤炭专网系统是大唐移动专门针对煤炭通信环境设计开发的移动专网通信系统，具有如下特色：
技术的先进性
TD采用的是时分双工的接入方式，是拥有我国自主知识产权的3G国际通信标准，是获得国际电信联盟（ITU）批准的主流标准。TD-SCDMA提供了先进、主流的通信技术，其高话质、高带宽数据能力、优良的无线特性，使得矿用通信与调度系统更加完善。
与公网技术同源
中国移动网络的充分验证和锤炼，确保系统性能充分稳定，达到电信运营级标准；同源技术，使得煤炭专网搭载中国移动公网，得到长期优化和发展；与公网同步，使得TD-SCDMA产品能够成为真正意义上的大众产品，成本大大降低，可为专网用户提供价廉物优的设备。
强大的产业联盟
从终端芯片到主设备，从仪器仪表到业务应用，TD拥有强大的产业联盟后盾；而大唐也是国资委直接管辖下的优势品牌，可确保客户的投资得到长期保障，专网后续的发展与技术演进可获得强力支持。
综合性业务通信网
TDeN支持丰富的业务类型：高质量的语音业务、多方通话、可视电话、点对点短信、短信群发、数字集群调度、视频监控、可与公网互连互通、有线和无线电话可统一调度以及其他数据业务。
组网灵活，业务拓展能力强
频谱利用率高，覆盖范围广，网络规划与维护简单；设备小型化，采用3G网络部署主流方案——光纤拉远分布式基站技术，专网系统可大可小，根据不同的场景需求可灵活进行定制，组网灵活；开放的系统平台提供免费的上层应用接口，便于业务扩展。
高可靠性和高安全性
井下设备无需电源的光纤信号传输方式，带宽高、距离远、造价低、更安全、网络建设更加灵活、便捷；依从国际一流通信标准，拥有高可靠性和安全性，井下设备（基站）完全符合煤炭行业的本质安全标准，进一步满足煤炭安全生产的特殊要求，专网产品采用热备份或负荷分担等冗余设计方式，确保达到电信级设备的要求。
4 对比分析
以下将从井下无线通信系统的几个关注点对两种系统方案进行对比分析：
电气防爆：基于TD-SCDMA的煤炭专网系统的井下设备（基站）完全符合煤炭行业的本质安全标准，满足煤炭安全生产的特殊要求；而基于Femtocell的矿用无线通信系统并不能保证井下设备的电气防爆性能，安全性还有待于进一步提升。
发射功率：两种方案井下设备的发射功率都较小，以达到本质安全防爆要求。
设备小型化：TDR100体积小、重量轻，可方便地安装在建筑物的室内墙体上、19寸标准机柜内，可直接安装于室内环境实现低成本快速部署；而Femtocell需要安装在井下，虽然能实现小型化，但安装数量较多。
抗干扰能力强：基于TD-SCDMA的煤炭专网系统中TDU100双向覆盖，覆盖距离500米，TDU之间的相互干扰较小，并且TD-SCDMA技术本身的抗干扰能力较强；而基于Femtocell的矿用无线通信系统中Femtocell覆盖半径较小，设备相对集中，电磁干扰严重，抗干扰能力较弱。
组网灵活，易于维护：基于TD-SCDMA的煤炭专网系统采用3G网络部署主流方案——光纤拉远分布式基站技术，专网系统可大可小，根据不同的场景需求可灵活进行定制，只需要一台PC机就能对专网设备进行操作维护，网络规划与维护简单；由于Femtocell是连接到现有核心网的，Femtocell的操作与维护系统与运营商现有设备的操作与维护系统必须是彼此独立的，从而避免Femtocell与现有设备产生耦合。
防护性能好、抗故障能力强：基于TD-SCDMA的煤炭专网产品采用热备份或负荷分担等冗余设计方式，具有较强的抗故障能力；而Femtocell不具备热备份等冗余设计方式，抗故障能力较弱。
5 结论
本文结合煤炭行业的应用需求和技术特点，结合TD-SCDMA和Femtocell的技术特点，对基于Femtocell的矿用无线通信系统和基于TD-SCDMA的煤炭专网系统进行分析，并从井下无线通信系统的几个关注点对其在矿井中的适用性做了对比。对比结果表明：基于TD-SCDMA的煤炭专网系统从规划到实施具有较高的可行性，是完善、先进、统一的综合信息系统解决方案，完全符合煤矿特殊作业环境对通信的需求，是广大煤矿企业首选的矿井无线通信解决方案。