康德明
摘 要:WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到煤礦井下是一種新的解決礦井無線通訊方案,其主要是發(fā)展一種低成本的無線網(wǎng)絡(luò),在煤礦有較好的發(fā)展前景。本文根據(jù)煤礦對井下無線調(diào)度系統(tǒng)的需求,提出將WiFi無線技術(shù)與VOIP技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的方案。
關(guān)鍵詞:WiFi技術(shù);VOIP技術(shù);IP電話
井下通信系統(tǒng)是煤礦安全防護(hù)及生產(chǎn)調(diào)度必不可少的設(shè)施,目前我國井下主要通信為有線方式。由于井下環(huán)境差,巷道分布多,干擾信號源多,對井下無線通信造成極大的阻礙,但隨著技術(shù)發(fā)展,近年泄露技術(shù)、小靈通技術(shù)、無線對講技術(shù)及WiFi技術(shù)相繼用于煤礦井下。尤其是WiFi技術(shù)和VOIP技術(shù)的相結(jié)合具有很多優(yōu)勢,正大規(guī)模的應(yīng)用于井下的各個方面。
1 WiFi技術(shù)分析
1.1 WiFi技術(shù)簡介
WiFi(Wireless Fidlity)又稱為802.11b標(biāo)準(zhǔn),使用2.4Ghz直接序列擴(kuò)頻,最大傳輸速率為54bit/s,并可根據(jù)信號強(qiáng)弱把傳輸速率調(diào)整為5.5bit/s、2bit/s及1bit/s,在2.4Ghz及5ghz頻段上免許可,具有成本低、終端便攜、寬帶等特點(diǎn),組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間可以實現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網(wǎng),站點(diǎn)可以實現(xiàn)集線器的所有功能??偟膩碚f,WiFi技術(shù)屬于短距離無線技術(shù),覆蓋范圍可達(dá)幾百米,使用的是2.4GHz附近的頻段。WiFi有著“無線版本以太網(wǎng)”的美稱,世界上至少有80%以上的局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù),其幾乎可以視為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在無線領(lǐng)域的延伸。由于WiFi協(xié)議本身限制其設(shè)備的功率,使無線設(shè)備可以設(shè)計成符合煤礦安全要求的本質(zhì)安全型設(shè)備,增加在井下的使用范圍,并且可以改變井下無線通訊長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀,使無線通訊方式在井下得到更多的運(yùn)用。
1.2 WiFi與相關(guān)技術(shù)的比較
目前國內(nèi)外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、3G(大靈通)通信系統(tǒng)等。
與WiFi技術(shù)相比,漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導(dǎo)致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題,通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。而感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。面臨同樣問題的是透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大、重量重、信道容量小、地面設(shè)備功率大、地面天線布置困難、單向通信(地面向井下)等問題。
PHS(小靈通)通信系統(tǒng)與3G(大靈通)通信系統(tǒng)都存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題,通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷??紤]到礦井下的特殊性和經(jīng)濟(jì)性,還是選用WiFi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。
1.3 WiFi網(wǎng)絡(luò)基本工作原理
WiFi的典型配置一般包括一個或多個接入點(diǎn)Access Point(AP)及一個或多個客戶端。每個接入點(diǎn)(AP)每隔一定時間將服務(wù)單元標(biāo)識SSID(Service Set Identifier)經(jīng)由beacons(信號臺)封包廣播一次?;谌鏢SID這樣的設(shè)置,客戶端可以決定是否聯(lián)結(jié)到某個接入點(diǎn)(AP)。若同一個SSID的兩個接入點(diǎn)(AP)都在客戶端的接收范圍內(nèi),客戶端可以更具信號的強(qiáng)度選擇與那個接入點(diǎn)的SSID聯(lián)結(jié)。
1.4 WiFi網(wǎng)絡(luò)的操作模式
IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義兩種基本操作模式:infrastructure模式和ad hoc自組網(wǎng)絡(luò)模式。
(1)Infrastructure模式,屬于有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)。組成結(jié)構(gòu)至少包括一個與無線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接入點(diǎn)AP,模式也可以通過門橋提供與有線網(wǎng)絡(luò)即因特網(wǎng)入口相連接的可能性。這種配置(一個ap及若干站點(diǎn)的組合)可以構(gòu)成一個基本服務(wù)集合BSS。在通一個BSS覆蓋范圍內(nèi),所有的站點(diǎn)都使用相同的無線頻率。
(2)ad hoc自組網(wǎng)絡(luò)模式。由一組客戶終端組成,作為獨(dú)立的基本服務(wù)單元BSS即IBSS(Independent Basic Service Set)。該模式不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施(如接入點(diǎn)AP或到分配系統(tǒng)的連接)的支持就可以實現(xiàn)其覆蓋范圍內(nèi)的站點(diǎn)之間的通信。每個站點(diǎn)不需要通過接入點(diǎn)AP就都可以與相同IBSS下的任何其他站點(diǎn)建立通信。
2 VOIP技術(shù)分析
2.1 VOIP的基本原理與實現(xiàn)方式
(1)VOIP的基本原理
VOIP(Voice Over IP)其實就是IP電話,是基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音傳輸技術(shù)。其基本原理是通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理,然后把這些語音數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包,經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?,再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來,經(jīng)過解碼解壓縮處理后,恢復(fù)成原來的語音信號,從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。IP電話系統(tǒng)把普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包,同時也將接收到的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號。廣義的VOIP技術(shù)還可以進(jìn)行包括話音、傳真、數(shù)據(jù)甚至圖像的傳輸。
(2)VOIP的實現(xiàn)方式
目前,VOIP終端的實現(xiàn)方式主要有3種:帶揚(yáng)聲器的個人電腦PC、傳統(tǒng)電話機(jī)、IP電話機(jī)。每種終端連接不同的網(wǎng)絡(luò),并且都支持相互間的通信。其中,IP電話機(jī)是一種新的電話終端,具有以太網(wǎng)或非對稱數(shù)字用戶線路ADSL借口,只需將IP話機(jī)連接在家中的寬帶網(wǎng)接口上,并通過話機(jī)鍵向服務(wù)提供商進(jìn)行注冊,就可以像普通電話機(jī)一樣進(jìn)行通信。
3 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)原理與模型建立
3.1 井下無線通信系統(tǒng)工作原理
井下無線通信系統(tǒng)是基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議為基本構(gòu)架,以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個系統(tǒng)的主干傳輸平臺,形成有線主干與無線終端相結(jié)合的方式,覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域,最終實現(xiàn)煤礦寬帶無線通訊。
系統(tǒng)工作原理簡單來說就是位于地面的管理主機(jī)通過交換機(jī)為進(jìn)入到無線信號覆蓋區(qū)域的每一臺手持機(jī)分配一個IP地址,并自動為其在管理軟件中注冊,將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,注冊后的IP話機(jī)即可進(jìn)行正常通話。
3.2 基于WiFi的井下無線通信系統(tǒng)模型建立
在煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上,根據(jù)井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的需求與目標(biāo),建立以下基于WiFi技術(shù)的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)模型,如圖1.1:
基于WiFi的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)實際上就是用軟交換技術(shù)實現(xiàn)IP電話的控制系統(tǒng)即IPPBX;然后通過WiFi無線技術(shù)將承載話音的IP包傳輸?shù)骄?,實現(xiàn)井下的WiFi無線通信;并通過軟件編程實現(xiàn)對IP電話的調(diào)度功能。該模型可分為三層結(jié)構(gòu):(1)數(shù)據(jù)源:包括WiFi手機(jī),IP電話,廣播等多媒體終端。這些終端的信息經(jīng)過VOIP處理器編碼,打包;經(jīng)過模數(shù),數(shù)模轉(zhuǎn)換;及射頻發(fā)射和接收來實現(xiàn)與WiFi網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。(2)承載傳輸層:包括井下WiFi無線網(wǎng)絡(luò)、及各種協(xié)議接口。該層負(fù)責(zé)將承載了語音的IP包通過傳輸網(wǎng)送達(dá)目的地。(3)應(yīng)用處理層:包括IPPBX、調(diào)度臺、調(diào)度主機(jī)、媒體服務(wù)器等。該層負(fù)責(zé)呼叫控制、強(qiáng)拆、錄音等功能。
3.3 WiFi技術(shù)在礦井應(yīng)用中的主要優(yōu)勢
WiFi技術(shù)就是基于802.11標(biāo)準(zhǔn)建立的,它具有部署方便、成本低廉、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。
(1)無線電波的覆蓋范圍廣
WiFi的覆蓋半徑基本上能達(dá)到100米左右,而普通的藍(lán)牙技術(shù)基本上只能覆蓋15米左右半徑的區(qū)域。
(2)價格低廉
WiFi網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本相對于傳統(tǒng)的局域網(wǎng)布線成本要低,WiFi網(wǎng)絡(luò)只需要安裝一定數(shù)量的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(AP)就可以滿足制定區(qū)域信號的覆蓋,可以避免固定局域網(wǎng)繁瑣的布線工程。
(3)傳輸速率快,網(wǎng)絡(luò)可靠性高
WiFi最高帶寬為11Mbps,在信號較弱或有干擾的情況下,帶寬可以調(diào)整為5.5或2.1Mbps,帶寬的調(diào)整有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。
4 結(jié)束語
WiFi無線傳輸技術(shù)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),基于WiFi技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用層出不窮。本文緊跟通信技術(shù)前沿,分析了基于WiFi無線技術(shù)的井下無線通信系統(tǒng),可以有效地將井下數(shù)據(jù)信息傳遞到地面調(diào)度中心。憑借WiFi技術(shù)的無線節(jié)點(diǎn)可以移動、組網(wǎng)快速簡單、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)等特點(diǎn),該系統(tǒng)在礦井調(diào)度和應(yīng)急中有著很大的推廣應(yīng)用價值。
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