矿用以太网通讯的电缆传输可行性分析

概述

井下通讯系统是煤矿安全及生产调度必不可少的设施，近年泄露技术、小灵通技术、无线对讲技术及WIFI技术相继应用于煤矿井下。WIFI技术在地面的短距离无线通讯中已有多年的应用，相对于其他的无线宽带技术来说比较成熟可靠。

“泄露”技术及低频穿透技术因其通讯距离短（一般在30m以内）、必须单独组网等缺点，目前仅在机车调度方面有一定应用；小灵通及无线对讲机技术解决了通讯距离及防爆问题，但系统设备构成复杂、也必须单独布线，产品性价比没有太大优势；基于以太网的宽带无线通讯系统，覆盖范围直巷道一般可以达到数百米、可复用以太网、组网灵活、可扩展性强，越来越多地广泛运用于矿井通讯。

本文主要讨论以太网节点有线信号的远距离传输技术和系统组网方式及拓扑结构。

市场与背景

目前WIFI通讯系统大都是通过无线网络覆盖井下巷道，在井下建立有线与无线混合型的局域网。可以基于已有的工业环网接入，亦可单独组网。现今市场上大都以以光缆为骨干，电缆为延伸的传输模式为主。系统采用光纤网络在传输距离、可靠性有很大优势，但是也存在一些不可避免的缺陷：

光纤端设备需配备冗余盘、尾纤等配件；
施工、故障排查、系统维护难度大、工作量多、间接成本高；

为了避免光缆传输的缺陷，我们拟采用传统电缆传输的方式对系统进行改造。但是基于以太网TCP/IP的电缆传输有着100M的理论限制，实际距离可能在80M左右。这对于矿井复杂多变的地形基站覆盖的要求是相违背的，因此我们需要采用一种有线信号的远距离传输技术。

网络延伸技术的应用

网络延伸器，顾名思义，就是能够把网络传输距离有效延长的设备。比较有代表性的有传统的网络信号放大器与双绞线网络延伸器

1．网络信号放大器

采用LRE （ Long- Reacher Ethernet) 长线以太网驱动技术，符合 IEEE 802.3 标准，提供前导码的生成、对称和幅度补偿。对信号进行重定时，以使电缆引起的信号抖动不会在多个网段上积累。它侦测到不完整的数据包或冲突，并产生一个堵塞信号以加强这个侦测。最后，分离那些有问题的端口 (jabbering) 以使网络正常工作。该设备可以满足了用户各种环境下高可靠、高性能的网络传输。

2．VDSL2传输技术

DSL (Digital Subscriber Loop) 技术是利用现有的铜线资源 (电话线) 对终端客户提供高速低成本的网络接入服务，DSL技术家族中的VDSL2技术将传输带宽大幅度扩展，短距离提供超高速服务。

VDSL2在ADSL长距离环路传输、先进服务质量 (QoS) 如双延迟、交织与解交织和强占 (Pre-Emption) 等特性基础上，通过扩展频谱的方式使得在短距离环路上数据传送速率得到极大提高，300米内的双向速率和可达到200兆，充分满足最终用户对无干扰视频传输和电信级VoIP服务的质量要求。

图1. 功能示意图

功能上，单端口设备通过一个LAN口和一个长距离口分别完成与本地网络及远端设备的通讯，与普通交换机的用法非常相似。

方案讨论

1．电缆传输方案中主要存在的问题：

1. 目前延伸器维持百兆带宽的传输只能维持最远不到400米的距离，大于此距离1-2km以内的传输通道带宽大大降低；
2. 延伸设备的远传口需要成对使用，这旧要求远距离对接设备端都必须增加延伸器板，增加一个远传口将会增加设备3-5w的功率，对于本安设计的考虑是不小的问题；
3. 组网方案相对单一，与光纤网络相比的灵活性大大降低；
4. 接入无线视频、扩音广播、无线通讯等功能扩展融合后对带宽的要求大，数据远传是一种降低带宽换取距离的方法，在系统容量上会造成一定限制。

2．方案讨论

下图为矿用以太网通讯系统典型组网示意图，井下数据传输主要是解决数据接入点与工业以太网的连接，我们可以考虑如下方案。

图2. 矿用WIFI通讯典型组网形式

方案一：环网→网络传输中继→数据接入点→WIFI终端

此方案井下设备主要有隔爆兼本安电源、网络传输中继、数据接入基站、WIFI终端，电口远传完全依赖于传输中继，组网相对简单。

图3. 传输中继接口示意图

图4. 方案一组网布局示意图

此方案基站无远传功能，必须依赖延伸中继组网，延伸中继兼具网络交换功能，扩展电口数量，近距离挂接系统设备，基站、中继分别配置电源，网络中继功率在10W以内。

方案二：环网→远传交换机→远传基站→WIFI终端

此方案井下设备主要有隔爆兼本安电源、远传交换机、远传基站、WIFI终端，基站与交换机均扩展远传功能。此方案使系统组网灵活度更大，但是必须要求交换机至少有3个远传口，基站至少有1个远传口，与方案一的区别是电口远传可以在远传交换机与基站之间，相当于在其上的扩展。但是设备功率的增大将导致本安化设计难以实施。

图4. 方案二组网布局示意图