方案介绍

关键词：露天矿山4G专网，4G LTE专网无线通信

适用矿山、隧道、石油、港口、武警、人防、应急、交通等固定架设情况下的专网无线覆盖应用场景。

为了提高生产效率和精细化管理水平，现代露天矿山对数据通信系统的要求日益增高，传统的无线通信系统已不能满足露天矿的生产需要，基于4G LTE专网无线通信技术在露天矿山中具有广泛的应用前景。

4G LTE公网已经广泛应用于我们的日常生活中，但是在露天矿山的无线应用中存在很多弊端。例如无线信号覆盖效果受运营商基站覆盖限制，还需长期支付流量费用，实现视频语音等通讯费用更高等问题。由于4G公网的局限性，结合露天矿山对无线网络的实际需求。近些年，满足于企业内部无线通信的小型专网需求不断加强，随着LTE技术的发展及国家政策的鼓励（工信部无【2015】59号文件），一大批针对这种小型专网需求设计的厂家和行业应运而生。

4G无线宽带系统是第四代移动通信技术，具备上行50M、下行100M的传输速率，因此一次投资便具备了后续扩展能力，为露天矿的技术进步奠定了基础。 

1.概述

1.1.系统概述

LTE （Long Term Evolution,长期演进）是由3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。LTE作为先进的第四代通信技术，系统着眼于提高峰值数据速率、小区边缘速率、频谱利用率，同时降低运营和建网成本方面进行进一步改进，为使用户能够获得"Always Online"的体验，并降低控制和用户平面的时延。LTE系统引入了能够更有效对抗宽带系统多径干扰的OFDM和能够进一步提高频谱效率的MIMO等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率。

4G LTE专网无线宽带通信系统是以TD-LTE为核心，将TD-LTE的高速率、大带宽与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合，集语音、数据、视频为一体的新一代宽带多媒体专网系统。系统具备传统LTE系统高带宽通信性能、高可靠性和高实时性数据传输的能力，还具备语音、视频、数据等多媒体调度的能力，能够提供宽带无线传输业务，支持与各 垂直行业信息应用平台应用无缝对接，一张网络同时支持宽带数据传输和集群调度，满足行业专网语音、数据和视频通信的综合调度需求。

与一般运营商部署的4G-LTE系统相比，除了使用频段不同之外，4G-LTE专网无线宽带通信系统在以下方面具有优势：

●  设备形态小型一体化：EPC、BBU、RRU等三部分集成至一个设备，系统部署快速、方便、灵活。

●  支持专业通信应用模式:具备集群调度，视频指挥，单基站大覆盖等特点，以适应行业应用中的特殊需求。

●  依据行业和客户需求支持灵活的二次开发和深度定制，支持软件的远程升级模式。

●  系统能够提供多种设备应用形态，包括一体化外挂式、一体化便携式、背负式等，满足固定部署、车载部署、便携移动部署等多种应用场合的需要。

●  系统具备高可靠性、高性价比。

1.2.需求分析

露天矿山具有作业范围广、大型移动设备较多、设备配置及生产过程复杂、自动化程度要求高、各环节衔接密切等突出特点，因此，露天矿山的实时通讯及高效调度是保证安全生产的前提。其中无线通信具有先天的优势，而赖以支撑的通信网络平台及其所能实现的业务功能是核心内容。传统的以单工、GPRS、Wi-Fi、3G技术为支撑，以语音为主要业务内容的通信平台存在系统不稳定、带宽低、功能单一、面临淘汰的问题，无法满足目前需求。所以提出在露天矿山建设4G无线宽带通信平台，此4G平台基于TDD-LTE华络技术，具有语音调度、无线视频接入、无线数据传输、设备遥测遥控的能力，一个平台就满足露天矿各业务的需求。

4G-LTE专网无线宽带通信系统不仅仅具备语音调度、通话、对讲的能力，而且能够将现有自动化系统通过TCP/IP通信制式接入无线网络。如某矿疏干水集控系统，目前利用电台及GPRS无线回传数据存在不稳定、无法集控的现象，那么4G专网即能解决覆盖和稳定性的问题也能解决成本的问题。另外4G网络可以承载后续系统的接入，如卡调系统、边坡监测、火情预警、车辆防撞系统、电量监控、油量监控、视频监控等，完全可以做到一个4G-LTE专网平台多系统承载。

1.3.系统分析

4G-LTE专网无线宽带通信系统是基于运营商TD- LTE技术的一种创新型通信系统。在运营商网络技术基础上做了大量的优化和创新，融合了行业特定，具有高吞吐量、高可靠性和实时性数据传输性能。宽带专网系统在保证上行能力、信令优化、时延、Qos保障、终端定制等方面与运营商网络比较具有明显的优势。

运营商网络由于具有广域覆盖的特点且初期投资成本低，是业务初期、短期应用的较好技术选择。但运营商网络也有很大的不足：

●  带宽不足，实时性差

运营商网络主要服务于大众通信业务，需求更多集中于网页、视频信息浏览， 其业务特点以下行下载业务为主，其上下行带宽分配差异很大，对于垂直行业面向于应急处理、公共管理的，以满足视频监控、视频上传、图片上传需求为主的业务，没有足够的带宽支撑。另外，运营商网络受社会大众通信业务量变化影响较大，通信高峰时时延大。

4G-LTE专网无线宽带通信系统采用更贴近垂直行业业务特点的资源配置方式，将无线时隙配比更偏向于下行，可大大增强上行传输能力，更好的满足行业业务需求。同时专网系统针对调度指挥业务快速建立和寻呼的需求，釆用了不同于运营商网络的寻呼机制，使得专网集群语音业务与公网相比，在群组建立时延和语音时延等方面均有非常大的优势。同时专网增加了运营商网络所不具备的融合通信指挥调度功能的组呼功能，实现一呼百应。以上大大增加了指挥调度、应急事件处理的效率和响应速度。

●  安全性不高

运营商网络毕竟是公用网络，频率、技术体制、架构都是开放的，长期应用存在很大的安全隐患。应用运营商网络短期没有发生问题，不代表长期没有安全隐患；

4G-LTE专网无线宽带通信系统为垂直行业专属网络，提供与公众通信网络以及互联网相隔离的独立无线通信系统。同时4G-LTE专网无线宽带通信系统在传统TD-LTE网络无线安全加密体制的基础上，可扩展端到端加密技术，系统通过发端专用加解密芯片进行加密，收端专用加解密芯片进行解密的加密通信方式，加密数据对无线网络及有线传输网络透明，进一步保护行业的敏感数据。

●  长期的使用费用较大

运营商网络短时间看投资少、使用费用低。但长期看、综合来看运营商网络的性价比不高。因为，长期看信息化的趋势不可逆转，信息化带来的海量终端和海量数据要求信息化网络能够适应未来的发展需求，届时没有自己独立的无线通信网络是无法适应的，而海量数据带来的使用费用将呈现显著增长。

●  网络性能、终端可管理性差

由于运营商网络无法管理到通信终端，所以终端的实时状态无法知道。另外运营商网络也不可能为某项特定应用去完善和优化网络，比如某地信号接入质量差，我们无法推动运营商做…些优化处理。而对于一些偏远地区的垂直行业没有公网信号覆盖，运营商网络不可能为行业特定应用进行网络覆盖的投资。

4G-LTE专网无线宽带通信系统是行业自建网络，建网过程中会根据行业所处地区特点进行针对性规划和网络优化，同时会根据行业业务特点合理安排网络容量以及后期的增容扩容。终端方面专网系统提供的手持终端、数据传输终端、车载终端等多元化的终端类型，支持IP67以上的防护等级。同时终端可以针对行业客户特殊需求做定制或二次开发，最大化满足行业客户对终端可管可控的需求。

2. 4G-LTE专网无线宽带通信系统

2.1设计原则

依据无线通信技术的实际应用与发展要求，4G-LTE专网无线宽带通信系统设计本着建设功能完整、技术成熟先进的网络系统的前提下，主要遵循以下设计原则：

●  系统规划基本原则

1）整体规划，全域覆盖

兼顾整个露天矿现有以及今后一定时期的办公区、剥采区、排土场、破碎站、煤场、机修厂、疏干区及其他附属区域统一规划和设计，布置一张网络平台，实现全区域无线覆盖；

2) 全面设计，全项承载

兼顾整个露天矿现有以及今后一定时期的调度、剥、采、运、排、机修、监测等各生产及附属环节，均可以建立无线宽带接入，具备多种系统接入能力，实现全业务承载

3) 远近结合，全时布局

系统按着长远需要统一布局，依据各时期业务需要梯次配置，分期实施；如目前可以优先解决疏干水集控通信需求，测试达到技术指标后，可以将其他系统逐渐加入4G网络。

●  4G无线通信系统性能配置原则

1) 系统具有强大兼容、扩展及升级能力。

2) 采用华络通信TDD-LTE系统核心技术，以确保系统技术当前最先进。

3) 系统通信方面必须兼具语音、视频、数据三大业务功能。

4、同时具有全矿各环节、各时期的装备无线接入的能力和容量。

●  技术先进性和实用性

考虑到实际应用的需求和未来的发展趋势，釆用第四代(4G) TD-LTE技术建设LTE专网无线宽带通信系统；技术具备平滑演进能力，系统建设满足未来3〜5年发展需要。系统的接口协议、传输协议等应遵循国家和公共安全行业标准。

●  开放性和标准性

无线通信网须支持标准通信协议和数据格式，系统釆用的体系架构以及通信协议要符合国家安全标准要求。要依据国际标准、国家标准和部标标准，为用户建立一个开放、完善的系统。

●  高可靠性

采用成熟、稳定、通用的技术和设备，关键部分采取备份、冗余措施，系统软件具备备份和维护保障能力，合理设计网络冗余拓扑结构，制订可靠的网络备份策略，保证网络具有故障自愈的能力，能够保证系统长期稳定运行，有较强的容错和系统恢复能力。

●  安全性

网络承载核心数据，对信息的安全以及网络的安全要求较高。需要制订统一的网络安全策略、VLAN策略和过滤机制，整体考虑网络平台的安全性；对系统釆取必要的安全保护措施，包括釆用安全设备、安全制度、安全技术、安全策略、安全人员、安全方针、安全岗位、安全流程。保护系统数据的物理安全、数据安全和运行安全，防止非法接入、非法访问、病毒感染和黑客攻击，防雷击、过载、断电、电磁干扰和人为破坏等。

●  易操作性和可维护性

整个无线网络的设备应贯彻面向最终用户的原则，建立良好的用户界面，注重人性化设计，易于管理，易于维护，操作简单，便于进行系统配置，在设备、安全性、数据流量、性能等方面得到很好的监视和控制，并可以进行远程管理和故障诊断，以发挥无线通信专网的最大效益。

●  可扩展性和可升级性

随着业务的增长和应用水平的提高，网络中的数据和信息流将按指数增长, 需要网络有很好的可扩展性，并能随着技术的发展不断升级；同时系统采用模块 化设计，系统规模和功能易于扩充，系统配套软件及硬件具有升级能力。

●  互连互通性

4G-LTE专网无线宽带通信系统的建设是一个渐进的过程，无线宽带通信网络与己有窄带集群通信网络还需要共存较长的时间，要求无线宽带通信系统各子系统之间，以及数字系统与模拟无线系统、有线电话、现有调度中心平台、PGIS平台等其他各业务系统之间，均能有效地进行通信和数据共享，实现不同系统之间的兼容和互操作，以充分利用现有资源、保护现有投资。

2.2.系统架构

4G-LTE专网无线宽带通信系统采用4G TD-LTE无线通信技术，将TD-LTE的大带宽、高速率、低时延的技术优势与实际应用业务的技术特点进行有机融合,为行业客户全力提供一套集IP语音、高清视频、宽带数据等多媒体业务为一体的专网无线宽带系统。主要包括终端、传输层和业务层3部分，如下图所示：

1) 终端层主要实现各种多媒体业务的釆集和交互，并通过网络层实现业务承载和传输。终端设备按功能和形态可分为手持终端、CPE数据终端、视频 终端、上网卡和通信模块等。

2) 传输层以LTE无线接入网络为中心，实现数据的接入、承载传输和交换，通过有线传输网络即可实现与卫星、公共网络等的互联互通。传输层从架设方式上可分为固定架设系统和应急指挥系统。

3) 业务层主要实现网络设备的管理和业务数据的汇集、处理、存储、转发 和加密，通过可视化调度台、业务服务器等对多媒体业务进行调度管理。

2.3.系统组成

4G-LTE专网无线宽带通信系统由无线LTE接入系统、多媒体集群系统、各类终端设备等3部分组成，如下图所示：

本系统以无线LTE接入系统和多媒体集群系统为中心，提供从终端、系统设备、业务平台到应用软件的端到端解决方案，集合适配工作频段的一系列专用终端及定制化业务应用软件，实现可靠、专业、及时、高效的语音、宽带数据传输、高清视频回传分发及可视化指挥调度等丰富的多媒体业务。

1) 无线LTE接入系统主要实现无线宽带网络覆盖，釆用一体化/分布式TD -LTE基站构建，实现数据的接入、承载、传输和交换，通过有线传输网 络即可实现与卫星、公共网络等的互联互通。TD-LTE制式的各型终端设备通过无线方式接入无线LTE接入系统，eNodeB通过专用传输网络或公网传输线路连接至核心网络并最终连接至各部门的应用服务平台。

2) 终端设备通过无线LTE网络与无线LTE接入系统建立连接，实现业务数据承载和传输；终端实现各种多媒体集群业务的采集和交互，并通过网络层实现业务承载和传输。终端设备按功能和形态可分为手持终端、数据终端、视频终端、上网卡和通信模块等。终端上传数据经加密处理后接入基站进而上传到核心网络，核心网络对数据进行鉴权和解密，再转发给各业务平台。

3) 多媒体集群系统主要实现用户的管理和业务数据的汇集、处理、存储、转发和加密，提供基于语音、视频、文本、图片、GIS等多媒体指挥业务的传输和通信调度。系统同时通过可视化调度台、服务客户端等对业务进行调度管理。

2.3.1.无线LTE接入系统

LTE无线接入系统包括基站设备和核心网设备，实现用户终端无线接入、用户注册、空中接口控制、移动性控制、用户资源分配和业务数据的交换。

KT579LTE-BS一体化室外基站是LTE系统的无线接入设备主要由两个部分组成基带控制单元BBU和射频模块单元RRU。无线基站主要完成无线接入功能包括管理空中接口、 接入控制、移动性控制、用户资源分配等无线资源管理功能。通过灵活配置不同 数量的基带控制单元和射频模块单元，一个BBU可以与多个RRU相连接，可满足不同场景、不同容量的应用需求。

核心网提供的主要功能包括用户签约信息管理、用户鉴权加密管理、业务承载和路由转发，用户寻呼和移动性管理、用户IP地址分配和QoS管控等。主要由MME、SGW、PGW等网元模块组成，各网元模块可以分别部署于不同设备中，也可以集成在同一设备。

2.3.2.多媒体集群系统

多媒体集群系统由KTJ102DS融合通信服务器、HL-VGS视频接入服务器、视频接入网关和触摸屏调度台组成。主要功能包括系统全网支持IMS协议和SIP协议；实现有线、无线、视频、广播融合调度，支持对Volte/Sip无线手机的强插、强拆、组呼、群呼、监听、录音，音视频通话、短信未读、语音未接提醒等功能。

2.4.系统功能

系统包含语音、视频、数据三大业务，实现（包含但不限于）如下功能：

1) 一张网

通过4G无线网络实现一张网全覆盖，实现三网合一，将视频、数据、语音在一个平台得以实现。提供语音集群调度、视频调度、设备数据采集、设备远程集控、大型设备仿真监视、无线视频监控等综合业务。

2) 一个平台

通过4G手机以及卡调系统等现有设备实现集群调度业务以及视频监控和分发功能，领导在办公室便可以用手机实时查询全矿现有摄像仪监控画面以及现场4G手机拍摄画面。

系统全网支持IMS协议和SIP协议；实现有线、无线、视频、广播融合调度，支持对Volte/Sip无线手机的强插、强拆、组呼、群呼、监听、录音，音视频通话、短信未读、语音未接提醒等功能。

3) 语音视频通讯

通过4G手机及无线摄像仪，实现系统无线覆盖范围内（办公区、生产区、附属区等）的语音、视频、短信、彩信等多种业务的通讯，同时通过网关实现与公网（固定电话、移动电话）间的互联互通

4) 视频监控

通过布设于各种设备、站点、场景的固定以及移动摄像仪及手持终端摄像及其回传，实现终端覆盖范围内的即时视频监控。同时通过设备上的摄像头以及设备显示台实现设备操作人员对设备及其周边场景的即时监控。

5) 数据传输

a、监测监控系统、卡调系统、边坡监测系统等各种业务系统数据的快速接入4G网络与无线传输；

b、各种监控、通信系统数据的4G无线传输（无线高速公路）。

5) 与自动控制系统的融合

通过对设备及过程自动控制的数据及指令的无线传输，实现自动控制与无线通信平台的有机融合；

6) 其他第三方业务系统的接入承载。

可以承载后续系统的接入，如卡调系统、边坡监测、火情预警、车辆防撞系统、电量监控、油量监控、视频监控等，完全可以做到一个4G平台多系统承载。

该系统可以适应采矿生产过程中情况的变化，在露天矿设备数量一定的情况下，实现对卡车、液压挖掘机等设备的位置及工作状态的实时跟踪、判断、显示，优化调度卡车运行，及时掌握矿山的生产运行情况，达到优化管理矿山生产过程、提高产量，提高管理水平，节省费用、达到较高经济效益的目的。

2.5.系统特点

●  性能卓越的无线移动通信网络，提供高速数据传输能力

4G-LTE专网无线宽带通信系统基于目前最先进的无线移动商用网络TD-LTE 技术，不但继承了所有TD-LTE的技术优势和业务优势，而且结合行业用户特点 对空口性能做了大量优化。在20MHz带宽配置时单小区峰值速率下行可以达到 100Mbps；上行可以达到50Mbps。

4G-LTE专网无线宽带通信系统支持上下行业务带宽的灵活配比，满足客户特定应用场景。根据大部分行业用户使用特点，可以把大部分时隙资源分配给上行业务，显著提升了上行传输速率。

4G-LTE专网无线宽带通信系统支持移动终端高速运动场景，采用基站，终端特有算法解决了高速移动场景下多普勒频移的影响，能在350KM/H高速移动时仍然可以保障数据下载和上传。

●  灵活的组网方式

支持多种无线频率1.4GHz/1.8GHz/2.4GHz /400MHz/600MHz组网，支持多种频宽5M/10M/20MHz组网，满足拥有不同频段资源的行业用户需求。

根据行业用户建网规模的差异化需求，提供三种建网模式：大型网络，中小型网络，单站系统。

●  专业语音集群，提供低延迟移动通话体验

采用了大量创新技术可以提供专业语音集群的所有功能，语音集群业务指标达到了业界领先水平：群组建立时延小于300ms,话权申请话权小于150ms。

●  视频调度，提升沟通效率

4G-LTE专网无线宽带通信系统基于无线移动网络提供了视频调度功能：调度台可以指定单兵背负终端、手持终端或固定摄像头回传视频；手持终端自己也可以主动向调度台发起视频回传；视频画面可以在调度台显示，也可转发至大屏显 示；调度台还可以选择回传视频向网内任意指定终端分发。

视频调度功能使联合工作团队在执行任务时实现远程面对面交流成为可能,让调度指挥员及相关人员实时了解现场情况，减少了沟通成本，提高了团队工作效率。

●  多业务并发，完美实现多媒体融合调度

4G-LTE专网无线宽带通信系统提供语音，视频，短信，彩信，数据接入，定位等多 种业务的并发功能，为多媒体调度奠定了网络基础。

多媒体调度是指调度指挥员可以通过网络同时进行语音集群，视频调度和图文指令传递，提供的多业务并发功能很好的实现了多媒体调度功能，带来了更多应用的融合，不仅改变了传统的工作模式，更重要的是可以为行业用户的生产系统带来沟通、运营模式的变革，显著提升生产效率。

●  专用宽带集群终端

手持终端和背负终端根据行业用户特点特殊设计，一个终端同时支持专业语音集群、视频调度、宽带数据接入、短信彩信和定位等功能。为满足行业用户在各种恶劣环境下可以正常使用的要求，终端整机防护等级达到IP65以上，冲击、振动、太阳辐射等多项指标满足高级别军用可靠性标准，胜任各种恶劣工作环境。

针对行业要求采用特殊的降噪设计，提供高清晰话音质量，在强背景噪声下表现依然卓越。

●  分级分业务QoS,满足不同业务传输质量要求

系统提供端到端的丰富QoS保障机制，为用户保证系统服务质量。的QoS机制可以根据用户业务所需要的最大速率、最小速率、传输时延、丢包率等一系列QoS指标，定义相应的QoS等级，通过先进的准入控制、无线资源管理、传输资源管理等算法，在保证系统整体性能和吞吐量的同时，保障不同业务不同用户的信号传输质量。

●  高安全性设计，提升系统保密性

提供双向无线鉴权，鉴权功能可以防止未经授权的用户使用网络，提高系统安全性。用户也可以使用鉴权功能防止接入到未知网络，避免可能的安全隐患。除了支持TD-LTE协议规定的鉴权和加密机制外，还支持应用层端到端加密，在终端内嵌客户自有加解密单元，方便进行特定行业加密算法应用开发，以保证安全可靠的保密通信业务。