TD-SCDMA与Femtocell用于矿井通信的对比分析

　　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。