基于WIFI技术的井下无线调度通信系统的实现方案

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西安科技大学 硕士学位论文 基于WIFI技术的井下无线调度通信系统的实现方案 姓名：候振 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：李白萍 20090423
论文题目：基于ⅥＦＩ技术的井下无线调度通信系统的实现方案
专 业：电子与通信工程
硕士生：侯振 指导教师：李白萍 刘春龙
摘要
煤炭是我国重要的能源之一，煤炭安全生产事关重大。随着国家对煤炭企业安全生 产的不断重视和煤矿生产信息化、自动化技术的进步，工业以太网技术已经应用于井下
生产，新型的无线技术越来越多地服务于煤矿井下，开发建设煤矿井下无线调度通信系
统已成为实现煤炭安全生产调度和保障生产人员安全的迫切需要。
本文根据煤矿对井下无线调度通信系统的需求，提出了将ＷｉＦｉ无线技术与ＶｏＩＰ技
术结合以实现井下无线调度通信系统的方案。在分析８０２．１１ｂ协议的结构、ＷｉＦｉ和ＶｏＩＰ
技术的原理的基础上，确定ＳＩＰ作为实现ＶｏＩＰ的标准，并对ＩＰ电话调度系统的结构进 行了详细地分析。根据系统的需求和目标建立了井下无线调度通信系统模型，并对模型 进行了分层分析。针对赵楼煤矿工业以太网的现状，设计了基于ＷｉＦｉ的井下无线调度 通信系统，提出了ＦＩＴＡＰ的井下ＡＰ组网方案；在对ＩＰＰＢｘ系统的组成和调度系统的 架构进行分析的基础上，提出了ＩＰ调度系统的实现方案。最后对、矾Ｆｉ井下无线调度通 信系统方案实施效果进行了检验，对井下ＷｉＦｉ无线网络、ＶｏＩＰ的通话功能、ＩＰＰＢｘ系
统的调度功能均进行了测试，测试结果符合方案的设计目标，功能符合系统的要求。
关键词：ＷｉＦｉ技术；ＶｏＩＰ技术；井下无线调度通信系统
研究类型：应用研究
Ｓｕｂｊｅｃｔ
：
ｌｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ
Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
ＷＩＦＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ科
ＳｐｅｃｉａＩ锣：
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（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ） （Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ） （Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）
Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：
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Ｃｏａｌ ｉｓ ｉｓ
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姿料技大学
学位论文独创性说明
本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究Ｔ作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文『｛ｌ加以标注和致谢的地方外，论文?ｌ，不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使ＪｆＪ过的材料。

与我。‘同－Ｔ作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文ｔｌ｜做了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者舭像中吼ｃ，夕．石，旷
１绪论
１绪论
１．１选题的背景及研究意义
由于煤炭矿井生产环境的特殊性，井下作业对生产管理有非常高的实时性要求，作 为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员应能够与生产调度室及时取
得联系，将生产一线的各种情况上报，实现统一指挥统一调度。虽然煤炭企业对生产安
全都非常重视，但事故的发生是不确定性的，事故发生后必须依据当时情况，采取果断
的措施进行处理，对井下人员进行紧急抢救但井上。对井下人员的监控由于受各种条件
的限制还很不完善，对于井下人员的情况不能及时反映，导致事故发生时，不能及时、 准确的得到井下人员的信息，无法做出正确的决策，以致会造成抢险不及时，有可能贻 误对生命的抢救。 近年来我国煤矿事故攀升趋势严重，国家煤矿安监局发出紧急通知，要求必须安装
井下通讯系统，然而井下的有线通信远远不能适应井下大量流动作业人员及其管理上的 需要，一套完善、可靠的井下无线通信系统对于煤矿提高效率和实现安全生产至关重要。 煤矿井下无线通信系统，可以实现生产管理人员、一线工作人员及调度人员之间的
实时联系，并可以对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，随时清楚掌握每个人员在 井下的位置及活动轨迹。如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员 位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。
同时，也可利用系统的日常安全管理功能，对矿井人员进行安全管理。 作为国有现代化的各大型煤炭企业，兖矿集团对煤矿生产安全及生产调度一直是非 常的重视，投入了大量人力物力开发建设。实现下井作业人员与调度管理员的实时通讯， 使井上人员及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，开发建设煤矿井下无线调度通信 系统已成为兖矿集团实现煤炭安全生产调度和保障生产人员安全的迫切需要。
１．２国内外研究现状
由于煤矿井下的特殊性，制约了井下无线通信系统的发展，我国井下无线通信系统 一直主要靠引进吸收国外的相关技术，但随着近年来地面无线技术的快速发展以及我国 科技研发的不断投入，新型的无线技术越来越多的服务于煤矿井下。目前可用于煤矿井 下的无线系统主要有：漏泄通信技术、透地通信技术、井下小灵通技术、ＷｉＦｉ技术。
１．２．１漏泄通信技术

漏泄通信不同于一般的无线通信，漏泄通信技术是通过在巷道中架设一条特制的同
西安科技大学工程硕士学位论文
轴电缆（漏泄电缆）代替基站的普通天线，每隔一段距离在电缆上开一个槽孔，利用泄漏 出的电磁场实现移动台与移动台之间以及移动台和固定台之间的远距离通信。它是实现 井下巷道内无线传输的一种较理想方式。漏泄通信系统具有受巷道形状、截面、粗糙程 度、分支、拐弯、倾斜、围岩构造与介质、支护等影响较小，信道较稳定，电磁干扰较 小等特点。因此，漏泄通信在我国和美国等国家得到了较为广泛的应用。 漏泄通信系统采用超高频进行无线通信，具有信道稳定、电磁干扰较小等优点。但 也存在以下缺点： （１）系统可靠性较差，抗故障能力差。任意中继器和电缆故障将会造成该中继器以下 的部分瘫痪；并且，随着中继器的增加，噪音易累加，信号易失真。 （２）各个通道指定用于固定的设备，信道利用率不高。当井下各种监测监控系统和通 信系统都要接入漏泄系统传输时，会出现某些信道长期空闲不用而总的信道数又不够使 用的状况。 （３）维护和管理的成本高。移动台接收距离通常限制在距漏泄电缆３０ｍ的范围内， 并且耦合技术复杂，漏泄电缆架设要求高。
１．２．２透地通信技术
透地通信是以大地为电磁波传播媒介、无线电波穿透大地的无线电通信方式。目前 实用的透地通信系统有澳大利亚开发的ＰＥＤ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ
Ｅｍｅｒ－ｇｅｎｃｙ Ｄｅｖｉｃｅ）井下无线通信
与急救系统。该系统由位于地面的信息输入设备、大功率发射机、天线和工作人员携带 （也可固定放置或机载）的传呼机组成。主要应用于井下急救，即在紧急情况发生、其它 通信方式完全中断时，通过ＰＥＤ发射系统，使其超低频信号穿透岩层到达井下任何位置， 从而可以迅速有效地与井下人员进行通信。 由于ＰＥＤ系统的信息输入装置、发射机和发射天线均置于地面，当井下发生灾变 时，不会影响系统正常工作，系统可靠性高。但在实际使用过程中，也存在以下缺点： （１）信道容量小。为避免较大的传输衰减，透地通信的工作频率一般选择为数百至数 千赫兹的特低频。因此，不能用于语音等需要较大信道容量的通信，只能用于传呼、简 单遥控等。 （２）电磁干扰大。煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中，特别是采掘运输设备的功 率较大，负载不稳定，造成井下电磁干扰严重，特别是５０Ｈｚ工频干扰对特低频透地通 信干扰严重。 （３）应用范围受限制。透地通信系统需要

在地面架设长达数千米的天线，限制了该方 法的应用。 （４）单向通信。由于透地通信工作频率较低，因此，要求天线发射尺寸较大，不宜架 设在井下。特别是较大的发射功率，使发射机和发射天线难以制成本质安全型防爆电气
２
１绪论
设备，这就进一步限制了在井下的使用。因此，透地通信只适用于地面发送、井下接收
的单向通信。
１．２．３井下小灵通技术
井下小灵通技术是最近几年开始应用于井下的，与其它井下的无线通信技术有完全
不同的设计理念。井下小灵通技术是基于井下无线通信应用研究的基础上，一改传统思 路，把目前在全国各大中小城市中应广泛应用的公众通信系统ＰＨＳ（亦称小灵通）按“煤 安标办”标准做了安全技术处理、移植、延伸到煤矿井下，从而作为井下无线通信网络 服务平台，系统能够同时服务于地面、井下的个人无线通信系统或生产调度系统。像杭 州北辰的ＫＴ２３、中兴通讯的ＫＴ２９、大唐电信的ＫＴｌ０１都是基于小灵通技术的矿用无
线通信系统，其特点： （１）改变传统单工、模拟通话，实现双工、数字通话。 （２）防爆区域内调度系统和办公生活区通信系统的一体化无缝连接。
（３）手机通话质量可靠、语音清晰、待机、通话时间长、机身小巧、携带方便。 （４）支持图像传输，使远端无人职守区情况一览无余。
（５）对人员具有跟踪、识别、定位等功能。
小灵通技术发展时间长，系统成熟可靠，造价低，近年来许多矿井都采用了此类的
矿用无线通信方案。然而今年２月工信部门发文，明确要求所有１９００—１９２０ＭＨｚ频段无 线接入系统应在２０１１年底前完成清频退网工作，所使用的频段也将被收回用于３Ｇ使用， 该技术的后续发展不容乐观。
１．２．４
ＷｉＦｉ技术
ＷｉＦｉ，全称Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔ）ｒ，实际上ＷｉＦｉ是无线局域网联盟（ｗＬＡＮＡ）的一个 商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。 但是后来人们逐渐习惯用ＷＩＦＩ来称呼８０２．１１ｂ协议。ＩＥＥＥ８０２．１１规定的发射功率不可 超过１００毫瓦，实际发射功率约６０～７０毫瓦，使这类设备可以设计成符合煤矿安全要求
的本质安全型设备。 其整个系统以ＷｉＦｉ无线网络和ＴＣＰ／ＩＰ协议为基本架构，以矿井工业以太环网为整
个系统的主干传输平台，形成有线主干与无线终端相结合的方式，覆盖矿井部分或全部
巷道及地面相关区域，最

终实现煤矿宽带无线通讯。 系统工作原理简单来说就是位于地面的管理主机通过交换机为进入到无线信号覆 盖区域的每一台手持机分配一个ＩＰ地址，并自动为其在管理软件中注册，将数据存入 数据库。注册后的手持机即可正常通话。呼叫时节点收到手持机发出的无线信号，并将 其调制打包后通过矿用网络交换机送到地面管理主机，经软件处理后又经矿用网络交换
３
西安科技大学工程硕士学位论文
机送到覆盖被呼叫手持机所在区域的节点，呼叫目标手持机接收信号后经过振铃提示并 调制成语音给与持机者，完成一次通话。 ＷｉＦｉ系统基于局域网技术，组网方便，易于维护，使用的频段为公用频段（ＩＳＭ频 段），无须在无委会备案，不用缴纳费用，便于地面无线网络的覆盖使用，能避免将来 出现不必要的麻烦；ＷｉＦｉ技术先进，符合发展趋势，可利用井下工业环网，不用单独建 网，通话信道较小灵通更多，系统功率可根据环境自动调整，更能保证通话质量，系统
建成后带宽可满足将来无线视频等井下其它应用，扩展能力强。
１．３课题研究的内容及论文结构
本课题研究的内容是以兖矿集团赵楼矿需求为背景，为井下设计建设一套无线调度 通信系统。针对当前赵楼矿工业信息化的建设情况，对ＷｉＦｉ无线技术及ＶｏＩＰ技术进行 了研究分析，采用将ＷｉＦｉ无线技术与ＶｏＩＰ技术有效结合的方式，提出了基于ｗＩＦＩ技 术的井下无线调度通信系统的实现方案，并对方案进行具体的应用分析、设计和研究。 论文主要分为六章，各章内容安排如下： 第一章主要介绍选题的背景知识、研究现状、课题研究的主要内容。 第二章主要分析了ＷｉＦｉ无线技术及ｖｏＩＰ技术的原理，以及ＩＰ调度系统的结构。 第三章根据系统的需求和目标建立了井下无线调度通信系统模型，并对模型分层进 行了分析。 第四章在赵楼煤矿的工业以太网现状的基础上，进行了井下ＷｉＦｉ无线系统的设计， 在对ＩＰ电话调度系统进行分析后，提出了ＩＰＰＢＸ调度系统的设计和实现方案。 第五章分别对井下的ｗｉＦｉ无线系统、ＩＰ电话系统及其调度管理功能进行实际的应
用测试。
第六章对本文的工作内容进行归纳，总结了研究工作的收获与不足之处，提出了未
来的研究方向。
４
２
ＷｉＦｉ无线技术及ｖｏＴＰ技术分析
２
ＷｉＦｉ无线技术及ＶｏＩＰ技术分析
２．１
ＷｉＦｉ无线技术分析
ＷｉＦｉ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｌｉ够）又称为８０２．１１ｂ标准，使

用２．４ＧＨｚ直接序列扩频，最大传输速
率为５４ｂｉｔ／ｓ，并可根据信号强弱调整传输速率，在２．４ＧＨｚ频段上免许可，具有成本低、
终端便携、宽带等特点。ｗｉＦｉ技术在地面的短距离无线通讯中已有多年的应用，相对其 他无线宽带技术来说比较成熟可靠。
２．１．１晰Ｆｉ网络的基本内容
（１）ＷｉＦｉ协议的基本内容
８０２．１１协议是ＩＥＥＥ ８０２工作组定义的第一个被国际认可的无线局域网协议。跟传 统的有线局域网相比，基于ＷｉＦｉ协议的无线局域网具有可移动性，动态拓扑结构和易
搭建的特点。因此用户可以根据需求和环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络。
从无线局域网协议出台到今天的十年发展中，该组织相继对协议进行了完善８０２．１ｌｂ高 速协议的提出，用来对８０２．１１协议进行补充，在８０２．１１的１Ｍｂｐｓ和２Ｍｂｐｓ速率下，８０２．１１ｂ
又增加了５．５Ｍｂｐｓ和１１Ｍｂｐｓ两个新的网络吞吐速率，后来又演进到８０２．１ｌｇ的５４Ｍｂｐｓ， 直至今天８０２．１１ｎ的１０８Ｍｂｐｓ。
８０２．１１协议的规定了ＷｉＦｉ的基本网络结构包括物理层、介质访问接入控制层（ＭＡＣ
层）及逻辑链路控制层（ＬＬＣ层）。其三层结构可如图２．１所示。
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图２．１ ８０２．１ｌ协议的三层结构
物理层；由图可以看到，８０２．１１ｂ定义了工作在２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ频段上总数据传输 率设计为１１Ｍｂｐｓ的物理层；８０２．１ｌａ定义了一个工作在５ＧＨｚ的ＩＳＭ频段上总数据传输
率设计为５４Ｍｂｐｓ的物理层；最近的８０２．１１９定义了工作在２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ频段上总数据
５
西安科技大学工程硕士学位论文 传输率设计

为５４Ｍｂｐｓ的物理层。
ＭＡＣ层；ＷｉＦｉ标准为所有物理层定义了一个公共的ＭＡＣ层，这使得有添加新物
理层的需求时，不再需要对ＭＡＣ层进行改动。其职能与８０２．３协议的ＭＡＣ层非常相
似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网
络可用性的调节。 逻辑链路控制层（ＬＬＣ）；其使用的是与８０２．２完全相同的ＬＬＣ层和４８位ＭＡＣ地址， 这使得无线和有线之间的桥接非常方便。但ＭＡＣ地址只对无线局域网唯一确定。 （２）ＷｉＦｉ网络的组成部分
ＩＥＥＥ
８０２．１１体系由若干部分组成，这些元素通过相互作用来提供无线局域网服务，
并向上层支持站点的移动性．这些基本的组成部分有： 站点（Ｓｔａｔｉｏｎ）；这是网络最基本的组成部分，可以是一台ＰＣ机，也可以是如ＰＤＡ
等手持无线设备。 基本服务单元ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ
Ｓｅｒｖｉｃｅ
Ｓｅｔ）；８０２．１１标准规定的无线局域网的最小构件。
一个基本服务单元ＢＳＳ包括一个基站和若干个站点，所有的站点在本ＢＳＳ内都可以直 接通信，但在和本ＢＳＳ以外的站点通信时都必须通过本ＢＳＳ的基站。最简单的服务集 可以只由两个站点组成，每个站点都可以动态的联结到基本服务单元中。
分配系统ＤＳ（Ｄｉｓｔ曲ｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）；用于连接不同的基本服务单元。分配系统通过必
要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点，使移动终端设备得到支持，并在多个ＢＳＳ 间实现无缝整合。Ｊ下是分配系统ＤＳ，使扩展服务单元ＥｓＳ对上层的表现就像一个基本
服务单元ＢＳＳ一样。
接入点ＡＰ似ｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）；基本服务单元里面的基站就叫做接入点ＡＰ，但其作用和
网桥相似。ＡＰ既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。
扩展服各单元ＥＳＳ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
Ｓｅｒｖｉｃｅ
Ｓｅｔ）；由分配系统和基本服务单元组合而成。一
个基本服务单元可以是孤立的，也可以通过接入点ＡＰ连接到主干分配系统ＤＳ，然后 再接入到另一个基本服务单元ＢＳＳ，这样就构成了一个扩展服务单元ＥＳＳ．
门桥（Ｐｏｎａｌ）；８０２．１１定义的新名词，作用就相当于网桥，用于将无线局域网和有线
局域网或者其他网络联系起来。所有来自非８０２．１１局域网的数据都要通过门桥才能进入
ＩＥＥＥ
８０２．１ｌ的网络结构。门桥可以使这两种类型的网络实现逻辑

上的综合。
图２．２显示了ＩＥＥＥ ８０２．１１无线局域网所有组成元素及服务的完整结构图。
６
２、ⅣｉＦｉ无线技术及ｖｏＩＰ技术分析
图２．２完整的ＩＥＥＥ ８０２．１１无线局域网结构图 ２．１．２
ＷｉＦｉ网络的基本工作原理
ＷｉＦｉ的典型设置通常包括一个或多个接入点ＡＰ及一个或多个客户端。每个接入点 ＡＰ每隔ｌｏｏｍｓ将服务单元标识ＳＳＩＤ（Ｓｅｒｖｉｃｅ
Ｓｅｔ
Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）即网络名称（Ｎ娟Ⅳｏｒｋ
Ｎ锄ｅ）经
由ｂｅａｃｏｎｓ封包广播一次。Ｂｅａｃｏｎｓ封包的传输速率为ｌＭｂｐｓ，并且该封包的长度非常 短，因此这个广播动作对，ｗｉＦｉ网络的性能影响并不大。又因为，ｉＦｉ规定的最低传输 速率为１Ｍｂｐｓ，所以足以确保所有接收到这个ＳＳＩＤ广播封包的ＷｉＦｉ客户端都能至少在
１Ｍｂｐｓ的速率下进行通信。基于如ＳＳＩＤ这样的设置，客户端可以决定是否联结到某个
接入点ＡＰ。若同一个ＳｓＩＤ的两个接入点ＡＰ都在客户端的接收范围内，客户端可以根
据信号的强度选择与哪个接入点的ＳＳＩＤ联结。对于ＷｉＦｉ网络的信道频率，除了８０２．１ｌａ
使用的是５ＧＨｚ频率，ＷｉＦｉ的频谱都分布在２．４ＧＨｚ左右，因为该频率段是对全世界各 国都开放的无需许可的，尽管确切的频率分配，如最大允许功率，在各地有着细微差别。 但按频率划分的信道数量是在全世界做了统一规范的，因此所授权的频率段可通过信道
数量进行区分。
２．１．３
ＷｉＦｉ网络的操作模式
ＩＥＥＥ８０２．１１标准定义Ｔ两种基本操作模式：Ｉ曲邪ｎｕＣｔｕｒｅ模式和Ａｄ ｈｏｃ自组网络
模式。
（１）Ｉｎ觚ｔｒｕｃ眦模式。属于有固定基础设施的无线局域网。组成结构至少包括一个
与无线网络连接的无线接入点ＡＰ，以及一系列无线的终端站点。该模式主要为在覆盖
范围内的各个站点提供服务。这些客户终端可通过接入点ＡＰ实现之间的相互通
信．Ｉｎ觚ｔｒｕｃｔｕｒｅ模式也可以通过门桥提供与有线网络即因特网入口相连接的可能性。这
种配置（一个ＡＰ及若干站点的组合）可以构成一个基本服务集合ＢＳＳ。在同一个ＢＳＳ覆 盖范围内，所有站点都使用相同的无线频率。一个扩展服务集合ＥＳＳ是由两个或多个
７
西安科技大学工程硕士学位论文
ＢＳｓ构成的一个单一子网。由于很多无线的使用者需要访问有线网上的设备或服务，如 文件

服务器、打印机、互联网链接，他们都会采用这种Ｉｎ行ａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模式。图２．３所示
为Ｉｎ觚ｔｍｃｔⅢ?ｅ模式的结构。
图２．３ ｌｎｆｉ镪ｔｍｃｔｕ陀模式的结构图 （２）Ａｄ
ｈｏｃ自组网络模式．由一组客户终端组成，作为独立的基本服务单元ＢＳＳ即
Ｂａｕｓｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ
ＩＢＳＳ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ
Ｓｅｔ）。该模式不需要任何基础设施（如接入点ＡＰ或到分
配系统的连接）的支持就可以实现其覆盖范围内的站点之间的通信。每个站点不需通过 接入点ＡＰ就都可以与相同ＩＢＳＳ下的任何其他站点建立通信。图２．４所示为Ａｄ ｈｏｃ模
式的结构。
Ｍ蚋络‘ｈ＆弦妇ＩＢＳ田
图２．４Ａｄｈｏｃ模式的结构图 ２．１．４
ＷｉＦｉ技术的优缺点
（１）ＷｉＦｉ网络的主要特点 ＷｉＦｉ网络所以得到广泛的应用，主要由于其具备以下几个主要特点： 具有可移动性。无线局域网摆脱了以往上网一定要依靠电缆线的限制，这一方面使
用户端在使用服务时更加舒适和方便，同时也降低了网络配置的成本和灵活的可扩展
性。在一些有线网不能运行的地方，如户外、年头已久无法布网的建筑等，都可以通过
８
２晰Ｆｉ无线技术及ＶｏＩＰ技术分析
无线局域网连接到因特网上。
组建简便。无线局域网的组建在硬件设备上的要求与有线网相比，更加简洁方便，
而且目前支持无线局域网的设备已经在市场上得到了广泛的普及，不同品牌的接入点
ＡＰ以及客户网络接口之间在基本的服务层面上都是可以实现互操作的。而全球统一的
ＷｉＦｉ标准使其与蜂窝载波技术不同，同一个，ＷｉＦｉ用户可以在世界各个国家使用无线 局域网服务。
完全开放的频率使用段。如前文所述，无线局域网使用的ＩＳＭ频段是全球开放的频
率使用段，使得用户端无需任何许可就可以自由使用该频段上的服务。
动态拓扑特性。用户端可在网络的覆盖范围内任意移动，随时加入或退出。但拓扑
结构的动态变化不会给客户端带来任何影响。
与以太网的兼容性。其相互兼容的网络结构和协议使有线和无线之间通过网桥即可 实现无线局域网与以太网的连接。
（２）ＷｉＦｉ与蓝牙技术的简单比较。 需要指出的是，ＷｉＦｉ网络的这些特性并不会使其替代有线局域网成为唯一的局域网 组网方案。事实上，它将作为一个有力的补充，完善局域网的服务，即为用户端提供可
移动性。而与其他无线局域网技术相比，如蓝

牙技术，两者采用了完全不同的协议和方
案，其不同主要体现在： 协议。蓝牙技术使用的是Ｌ２ＣＡＰ协议，ＷｉＦｉ使用的ＩＰ技术。 通信方式。蓝牙技术属于点对点通信，而ｗｉＦｉ属于点对多点的通信。 覆盖范围及流量限制。蓝牙的授盖范围通常为ｌｏｍ，流量为７２０Ｋｂｐｓ；相比之下， ＷｉＦｉ要强大得多，其覆盖范围为５００ｍ，８０２．１１ｂ的流量为１１Ｍｂｐｓ。
功率消耗。蓝牙的功率消耗要远小于ＷｉＦｉ的要求，因此对于一些便携式小功率消
耗的设备。 ＷｉＦｉ与蓝牙技术使用的都是２．４ＣＨｚ频率段．然而，虽然ＷｉＦｉ网络的特性使其受到
越来越广泛的关注和应用，其自身也存在着一些不足，最主要的就是安全问题。如果
ＷｉＦｉ网络想得到更大的发展，“安全”将是ＷｉＦｉ所要面临的挑战。还有功率消耗问题、 进一步统一频谱分配方式，以及扩大覆盖范围并保证通信质量等。 经上述分析可以看出，由于ＷｉＦｉ网络的特性以及其协议本身限制其设备的功率，
使得ＷｉＦｉ设备可以设计成符合煤矿安全要求的本质安全型设备，改变井下无线通讯长 久以来一直徘徊在窄频范围的现状，ＷｉＦｉ无线通讯方式在井下势必得到更多的运用。
９
西安科技大学工程硕士学位论文
２．２
ＶｏＩＰ技术分析
２．２．１
ＶｏＩＰ的基本原理与实现方式
（１）ＶｏＩＰ的基本原理
ＶｒｏＩＰ（Ｖ０ｉｃｅ
ｏｖｅｒ
ＩＰ）就是ＩＰ电话，是基于ＩＰ网络的语音传输技术。其基本原理是通
过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按ＩＰ等相关协议
进行打包，经过ＩＰ网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解 码解压缩处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由ＩＰ网络传送语音的目的。ＩＰ电
话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可接入因特网传送的ＩＰ数据包，同时也将 接收到的ＩＰ数据包转换成声音的模拟电信号。经过ＩＰ电话系统的转换及压缩处理，每
个普通电话传输速率约占用８．１１ｋｐｓ带宽，因此在与普通电信网使用同样的传输速率为 ６４ｋｐｓ的带宽时，ＩＰ电话数是原来的５．８倍。更广义地讲，ＶＯＩＰ技术还可以进行包括话
音、传真、数据甚至图像的传输。
当前的ＶｏＩＰ业务根据服务对象不同分为专用ＶｏＩＰ网和公用ＶｏＩＰ网。前者是大型
企业或地理位置相对分散的部门利用己有的ｉｎ仃ａｎｅｔ网建立的可以实现内部通

话的系
统；后者则是由ＩＴＳＰ网络电话服务提供商建立的面向公众的可提供商业性ＶｏＩＰ业务的
系统。按用户对话音质量及实时性要求的不同来分，包括实时ＶｏＩＰ和非实时的ＶｏＩＰ（如
语音邮件）。 （２）ＶｏＩＰ的实现方式
目前，ＶｏＩＰ终端的实现方式主要有３种：带扬声器的个人电脑ＰＣ、传统电话机、 ＩＰ电话机。每种终端连接不同的网络，并且都支持相互之间的通信。其中，ＩＰ电话机是
一种新的电话终端，具有以太网或非对称数字用户线路ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ
Ｄｉｇｉｔａｌ
Ｓｕｂｓｃ曲ｅｒ Ｌｉｎｅ）接口，只需将ＩＰ话机连接在家中的宽带网接口上，并通过话机键向服务
提供商进行注册，就可以像普通电话机一样进行通信。实际上，在ＶｏＩＰ通信中ｐｈｏｎｅ ｔｏ
ｐｈｏｎｅ通信方式仍然占据主导地位。例如，中国已经大规模开展的长途ＩＰ电话业务，就
是一种ｐｈｏｎｅ ｔｏ ｐｈｏｎｅ形式的ＩＰ电话业务。用户两端的电话机通过本地电路交换网络， 如ＰＳＴＮ，综合业务数码网络ＩＳＤＮ（Ｉｎｔｅ伊ａｔｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｄｉｇｈｌ Ｎｅｍｏｒｋ）、移动网或程控交
换机ＰＢＸ（ＰＩＩｉｖａｔｅ
Ｂ咖ｃｈ ＥＸｃｈａｎｇｅ）接入到ＩＰ网中，而ｖｏＩＰ提供一种像树干一样的功能，
将两端的电路交换网络连接起来以提供长途电话服务。为了达到传统的电路交换网络和
ＩＰ网的互通，必须在两种网络之间架设网关。当ＰＣ被当作ＶｏＩＰ用户终端使用时，能 够直接接入到ＩＰ网络而不需要网关的存在。但在这种情况下，用户ＰＣ上需要安装特殊 的客户端软件，例如微软的ＮｅｔＩｌｌｅｅｔｉｎｇ，Ｔｏｍ．Ｓｋｙｐｅ等。
ｌＯ
２
ＷＦｉ无线技术及ＶｏＩＰ技术分析
２．２．２
ＶｏＩＰ的关键技术分析
目前被广泛接受的ＶＯＩＰ控制信令体系包括国际电信联盟ＩＴｕ（Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｓｋ
ＵＩｌｉｏｎ）的Ｈ．３２３标准和国际互联网Ｉ程任务组ＩＥＴＦ（Ｉｍｅｍｅｔ
Ｆｏｒｃｅ）的会话初始化ＳＩＰ（ＳｅｓｓｉｏＩｌＩＩｌｉｔｉａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃ０１）协议。两者实现的信
令控制功能相同，但设计风格和实现方法不同。基于这两种不同标准引发了ＶｏＩＰ两大 发展方向。 （１）基于Ｈ．３２３标准的ＶｏＩＰ系统
Ｈ．３２３标准基本上是一种兼顾传统呼叫流

程和ＩＰ网特点发展而来的标准体制，代 表了ＶｏＩＰ的大潮流。基于Ｈ．３２３的ＶｏＩＰ系统结构其整个工作过程主要就是由Ｈ．３２３协
议套装来完成网络结构和功能。 Ｈ．３２３系统由网关、网守、多点控制器ＭｃＵ（Ｍｉｃｒｏ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ｕｎｉｔ）和终端组成。
网关的主要功能是实现从一种网络模式到另一种网络模式的转变。 Ｈ．３２３网守主要供大型ｖ０ＩＰ网络的中央呼叫控制使用，在点到点ＶｏＩＰ呼叫过程中
可以不用，但在稍具规模的ＶｏＩＰ网络中，如果没有网守，则在整个呼叫的建立、拆除、 寻址等过程中会消耗大量的网络资源。网守的功能就是对呼叫进行集中的寻址和管理， 将本来由网关做的工作接管过来，有效利用资源，减少消耗。
ＭＣＵ主要为３个或多个Ｈ．３２３终端提供支持，管理会议资源、终端之间的协商、 处理媒体流等。若仅基于Ｉｎｔｅｍｅｔ范围内提供ＩＰ电话服务，则网关和ＭＣＵ的功能可以 去掉． Ｈ．３２３终端可以是以下的任何一种： ?装在ＰＣ上的Ｈ－３２３客户端软件，比如ＮｅｔＳｐｅａｋ，Ｉｎｔｅｍｅｔ
Ｐｈｏｎｅ。
带Ｈ．３２３硬件卡的ＰＣ，比如ＶＣＯＮ，Ｉｎｔｅｌ Ｐｒｏｓｈａｒｅ／Ｔ＇ｅａｍｓｔａｔｉｏｎ。 ?无线Ｈ．３２３电话，比如Ｓｙｍｂｏｌ ?下一代的语音、视频电话等。 （２）基于ＳＩＰ协议的ＶｏＩＰ系统
ＴｅｃｌｌＩｌｏｌｏｇｙ。
ＶＯＩＰ技术的另一个发展方向是遵循ＩＥＴＦ倡导的ＳＩＰ协议，是专门针对ＶｏＩＰ设计
的协议。
ＳＩＰ是文本格式的客户．服务器协议：客户机发起请求，服务器进行响应。ＳＩＰ协议 采用ＳＩＰ规则资源定位语言描述，它不像Ｈ．３２３协议那样提供了所有的通信协议，而只 是提供了呼叫的建立与控制功能，它应用于ＩＰ电话，与Ｈ．３２３协议相比，具有简单、
灵活的特点，不像Ｈ．３２３协议那样复杂。提供了一种既可在终端设备或代理服务器之间， 也可向网关设备传输呼叫控制信息的方法，这是ＩＥＴＦ ＭＭｕＳＩＣ工作组的劳动结晶。同
样地，像许多现有的因特网协议一样，ＳＩＰ中也包含了常用的ＨＴＴＰ协议。ＳＩＰ是一种
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轻量级协议，因为该协议使用的是能被终端设备轻易生成并分析的简单文本命令。ＳＩＰ 只使用６个指令管理呼叫控制信息，ＳＩＰ协议的简单易行是极低成本应用系统选择该协 议的重要原因。ＳＩＰ并未对媒体传输机制加以定义，因此该协议

能用在媒体传输采用专 用设备的应用系统，这可提高效率并降低成本。ＳＩＰ也允许通过任意数据报协议传输呼 叫控制信息，使其在非ＴＣＰ／ＩＰ环境（如Ｎｏｖｅｌｌ或其他专有协议）中也能有效使用。 基于ＳＩＰ的ＶＯＩＰ系统主要的功能部件包括： ＵＡ（用户代理）。这是ＶＯＩＰ系统的终端，包括各种使用ＳＩＰ协议的软件或硬件，例 如一个ＩＰ电话机或装有客户端软件的ＰＣ机。每个ＵＡ又包括用户代理客户（ＵｓｅｒＡｇｅｍ Ｃｌｉｅｎｔ）和用户代理服务器（Ｕｓｅｒ Ａｇｅｎｔ Ｓｅｒｖｅｒ）。用户代理客户用于向用户代理服务器发出 ＳＩＰ请求并与之建立连接。用户代理服务器接收用户代理客户的请求，并给予应答，内 容包括接收、重定向或拒绝呼叫请求。 ＳＩＰ网络服务器。它包括注册服务器、代理服务器和重定向服务器，它们可共存于 一个设备，也可以分布在不同的物理实体中。注册服务器从用户当前的地址中接收更新 信息，同时还负责维护数据库中每个用户的当前位置列表。代理服务器负责接收用户代 理发来的请求，根据网络策略将请求发送给相应的服务器，并根据收到的应答对用户做 出响应。重定向服务器从服务器接收ＳＩＰ请求，并将其中的原地址映射成零个或多个新 地址，返回给客户。与其他服务器不同的是，它不接收呼叫，也不处理或转发请求。 会议服务器。负责提供多点通信支持。 （３）两种标准的比较 最初的Ｈ．３２３标准是为多媒体会议系统而提出的，并不是用于ＩＰ电话的。后来在 对标准的完善过程中，增加了构筑电信级ＩＰ电话网的特性，重点针对ＩＰ电话网的稳定 性、冗余性、可扩展性等方面做了补充。Ｈ．３２３标准的优点是吸取了许多电信网的组网、 互联和运营经验，能够与ＰＳＴＮ网以及其他数据业务和应用网互联互通．采用Ｈ．３２３技术 体制，ＶＯＩＰ运营商基本上可以继承传统运营商的管理和运维模式，方便组建全国性的
ＶＯＩＰ大网。
ＳＩＰ技术基本上是基于动态ＩＩｌｔｅｍｅｔ模式来建网的，网络不是一个多层次的网络， 而是一个扁平的单层次网络。在ＳＩＰ网上，靠动态数据库的方式来寻址，甚至可以没有 长途和短途之分。这种方式的优点是与Ｉｎｔｅｍｅｔ紧密结合，适合开发新的与互联网结合 的语音应用。 虽然两个协议能实现的信令功能基本相同，也都利用对Ｐ作为媒体传输的协议。但 两者的设计风格截然不同，与Ｈ．３２３相比ＳＩＰ具有一些突出的优点： 首先，ＳＩＰ是基于文本的协议，而Ｈ．３２３采用基于ＡＳＮ

．１和压缩编码规则的二进制 方法表示其消息，因此，ＳＩＰ对以文本形式表示的消息的词法和语法分析就比较简单。 其次，ＳＩＰ会话请求过程和媒体协商过程等是一起进行的，因此呼叫建立时间短，
１２
２砌砘无线技术厦ｖｂＩＰ技术分析 而在Ｈ．３２３中呼叫建立过程和进行媒体参数等协商的信令控制过程是分开进行的。 再次，Ｈ．３２３为实现补充业务定义了专门的协议，如Ｈ４５０ ｌ、｝Ｌ４５０２和｝Ｌ４５０ 补充业务或智能业务。 另外，Ｈ．３２３进行集中、层次式控制。尽管集中控制便于管理（如便于计费和带宽管 理等１，但是用于控制大型会议电话时，Ｈ ３２３中执行会议控制功能的多点控制单元很可 能成为瓶颈。而ｓｌＰ类似于其他的ｈｎｅｍｅｔ协议，设计上就是为分布式的呼叫模型服务 的，具有分布式的组播功能。 目前，许多固网运营商在其核心网络向ｖｏ口过渡的过程中也在内部采用了ｓ１Ｐ，ｓｌＰ 广泛应用于大量连接这些运营商的网关。ｓＩＰ本身已经从最初致力于Ｐ２Ｐ通信发展成为 了下一代网络（ＮＧＮ）综合协议体系的核心，这种ＮＧＮ是由电信传统派设想出来、并 由第三代伙伴计划（３ＧＰＰ）组织定义的。
３
等．而ｓ妒只要充分利用已定义的头域，必要时对头域进行简单扩展就能很方便地支持
２．３口电话调度系统的结构分析
随着ＩＰ电话的迅速发展以及电话调度系统内涵与功能的扩展要求，ＩＰ电话调度系 统逐渐成为人们进一步的研究目标。 ｓＩＰ是基于文本的传输协议，它已成为第三代移动通信的一个标准，较易实现：而 且ｓＩＰ协议具有可扩展的特性，可以方便的对其没有的功能进行扩充，故本文选用了ｓＩＰ 协议作为电话调度系统的会话协议，并以ｓ口协议元素来展开讨论。ＩＰ调度电话系统的
系统框图如图２ ５所示。
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图２ ５ＩＰ调度电话系统图
系统主要由ＩＰ话机（调度用户）、注册服务器、代理服务器（ｓＩＰ服务器）、调度主机、 调度台、媒体服务器等组成。其中注册服务器、代理服务器是逻辑功能主体，可分立实 现也可在同一物理实体上实现。 在ｍ调度电话系统中．注册服务器、代理服务器主要是做ｓＩＰ服务器：ＩＰ话机是
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完成调度用户终端的设备；调度主机完成通话调度及控制监听的功能；调度台是一个能 完成调度系统的人机界面；媒体服务器进行录音，回放，转发音频

流，混音等。
２．４本章小结
本章首先对８０２．１１ｂ协议的结构、ＷｉＦｉ的基本工作原理和操作模式进行了论述，分 析了ＷｉＦｉ的优缺点和井下应用的可行性；然后对ＶｏＩＰ技术的原理进行论述，分析了 Ｈ．３２３协议和ＳＩＰ协议，确定ＳＩＰ作为实现ＶｏＩＰ的标准，最后分析了ＩＰ电话调度系统
的结构。
１４
３井下无线调度通信系统模型建立及功能分析
３井下无线调度通信系统模型建立及功能分析
３．１需求与目标
煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭生产的安全事关重大。但是，随着社会对煤
炭需求量的增大，近来我国煤矿事故又有攀升趋势，安全生产形势仍然十分严峻。
现在许多煤矿仍使用着有线调度通信系统，调度电话在井下安装位置固定，且分布 数量有限，由于煤矿工作分布区域广，整个矿区又分为多个工作区，矿井生产环节多、 每个生产环节在地理位置上又是分散的，为了确保井下人员的人身安全，让地面指挥调 度中心能够实时了解到井下的工作情况进行生产调度，矿井内需要无线调度通信系统来
实现上述目标。 计算机和工业以太网技术的发展带动了煤矿的信息化建设，引发了煤矿井下通信系
统领域的技术革新。目前许多煤矿在井下建设了工业以太网，实现了井下生产的各项监 测数据、视频数据的数字化、ＩＰ化，同时也为井下实现ＷｉＦｉ无线通信，建设基于ＷｉＦｉ
的无线调度通信系统提供了基础。
煤炭生产主要在地下作业，不安全因素多，人员、设备流动性大，生产作业流程在 井下还具有多工种联合流水作业的特点。这种作业对之间的运输、安装、调试配合要求 很高，信息传输必须及时、准确。煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易嫩、易爆和腐 蚀性气体，无线传输衰耗大（例如，在地面通信距离可达数几千米的对讲机，在井下通
信距离仅有百米）等特点。
对于煤矿矿井这一特殊环境，井下无线通信系统不同于一般的地面无线通信系统，
它应有以下特殊的要求：
（１）无线通信煤矿井下是一个有限空间的特殊工作环境，井下无线电波传输实际是非 自由空间传输，传输衰减大大高于自由空间无线电波传输。因此，无线通信所采取的传
输技术应符合煤矿井下的工作环境。
（２）井下空间窄小、机电设备相对集中，因此，环境电磁干扰严重。要求通信设备应 具有较强的抗干扰能力。 （３）煤矿井下空气中含有甲烷等可燃性气体和煤尘，容易发生爆炸事故。要求电器设 备、无线通信设备，采用安全性能

好的本质安全型防爆功能。 （４）煤矿井下空间狭小，设备种类又多，要求移动通信系统的体积不能很大。 （５）根据矿井通信规则，矿井移动通信设备发射功率一般较小。本质安全型防爆电气
设备的最大输出功率为２５Ｗ左右。 （６）井下通信设备应有防尘、防水、防潮、防腐、耐机械冲击等防护性能。
１５
西安科技大学工程硕士学位论文 （７）井下电网电源的电压波动范围较大，一般在７５％～１１０％之间，要求移动通信设
备的电源电压波动适应能力强，备用电源应维持不小于２小时的正常工作。 （８）煤矿井下环境恶劣，设备故障率很高，人为破坏事件时有发生，矿井无线通信系
统应有较强的抗故障能力。当系统中某些设备发生故障时，其余非故障设备应该仍能继 续工作。
（９）随着井下无线通信系统的可靠性以及通信质量的提高、功能的完善、成本的降低，
井下无线系统可承接更多地业务，如可承担全部的生产调度及救灾通信等任务，这就要
求系统具有较大的信道容量。 ＷｉＦｉ井下无线调度通信系统的调度功能应能满足矿井生产调度的需要，且可以与煤 矿行政通信系统、程控生产调度通信系统联网、形成一个统一的、资源共享的通信平台。
３．２模型建立与分析
在煤矿井下工业以太网络建设的基础上，根据井下无线调度通信系统的需求与目 标，提出了基于ＷｉＦｉ技术的井下无线调度通信系统的模型，如图３．１所示。 ：……………。’‘…。……‘…。…一…‘……。……………‘‘：
ｌ匝巫蓝翌圃匹亘固亟圈ｌ ｛［亟亟噩玉翌圃
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图３．１ ｗｉＦｉ无线调度通信系统模型
ｉ匝圃匝固匝巫囹ｌ
邕【－据遂……………………………………………一ｊ
基于ＷｉＦｉ的井下无线调度通信系统实际上就是用软交换技术实现ＩＰ电话的控制系
统即ＩＰＰＢＸ；然后通过ｗｉＦｉ无线技术将承载话音的ＩＰ包传输到井下，实现井下的ＷｉＦｉ 无线通信；并通过软件编程实现对口电话的调度功能，该调度功能模块可以放在ＩＰＰＢＸ
系统中，也可以独立出来。 从图３．１可以看出，ＷｉＦｉ无线调度系统的模型分为三层结构： （１）数据源：包括ＷｉＦｉ手机

、ＩＰ电话以及其它生产调度指挥的多媒体终端；这里的
数据源主要指可将话音等信息数字化经压缩打包为可在ＩＰ网络传输的设备。以ＷｉＦｉ手 机为例，主要由ＶｏＩＰ处理器，对信号进行编码、分组打包等处理；模数转换及电源控
１６
３井下无线调度通信系统模型建立及功能分析
制集成电路，对信号进行模数、数模转换及系统的电源控制；ＭＡＣ，媒体接入控制器； 射频发射和接收模块等几部分组成，该设备作为井下应用时还应具有ＭＡ认证才能作为 模型构建的数据源。
，
（２）承载传输层：包括井下ＷｉＦｉ无线网络、井下工业以太网以及各种数据协议接口； 井下工业以太网是ＷｉＦｉ井下应用的基础，是井下数据ＩＰ化的前提条件；承载传输层负
责将承载了话音的ＩＰ包通过传输网送到目的地；而ＷｉＦｉ井下无线网络是井下无线调度 通信系统的核心，是实现井下ＷｉＦｉ无线通信系统的网络基础，没有ＷｉＦｉ，井下无线通
信也就失去了ＶＯＩＰ研究的意义。Ｗ拒ｉ的井下系统设计包含了ＡＰ基站的设计、部署，
无线电信道的选择与切换等；承载传输层还应包括ＩＰ与传统电话网的各种接口，如： Ｅ１、ＩＳＤＮ等。
ｔ气
（３）应用处理层：包括ＩＰＰＢＸ（即ＳＩＰ服务器）、调度台、调度主机、媒体服务器等。
本层负责对呼叫进行接续等控制，并实现群呼、强插强拆、录音等电话调度功能。ＩＰＰＢＸ
是一个以高性能服务器为硬件载体，采用软件技术，使用标准的协议（ＳＩＰ等）开发的， 可以分为硬件层、软件模块层、维护管理层和控制接口层４部分。软件模块层又分为语 音信号处理，ＰＳＴＮ呼叫控制、ｍ呼叫管理、ＩＰ呼叫控制、ＩＰ数据传输等。其中，语音 信号处理包含了语音编码器、回波抵消和ＤＴＭＦ检测等。根据分层结构，网关应具有下
基本功能：号码查询、建立通信连接、信号调制、信号压缩、信号解压、路由寻址、信 令转换等。 通过对模型的分析可以得出基于ＷｉＦｉ技术的井下无线调度通信系统的设计主要内
容是承载传输层的井下ＷｉＦｉ无线系统以及应用处理层的ＩＰＰＢＸ调度系统。
３．３本章小结
本章根据系统的需求和目标建立了井下无线调度通信系统模型，并对模型进行了分
层分析。提出了基于ＷｉＦｉ技术的井下无线调度通信系统的设计思路。
１７
西安科技大学工程硕士学位论文
４基于ＷｉＦｉ技术的井下无线调度通信系统的实现方案
４．１赵楼煤矿工业以太网现状
工

业以太网，是指技术上与商用以太网（即ＩＥＥＥ８０２．３标准）兼容，但在产品设计时，
在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业现场的需要。简言之， 工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。由于工业以太网技术的提 高，困扰以太网进入控制领域的实时性、确定性、环网冗余、链路聚合、传输速度、信
息优先级等问题均得到了完善的解决，各大ＰＬＣ产品已提供工业以太网接口，工业以
太网已在自动化系统中得到了广泛的应用。 赵楼煤矿选用先进的工业以太网技术作为矿井生产骨干网络的技术方向，通过分析 比较当前的工业以太网产品和组网特点，最终选定赫斯曼的环形工业以太网技术建设了 基于千兆光纤工业以太环网的生产骨干网络。 德国赫思曼公司是全球最为知名的自动化网络专家，１９９０年，在全世界第一个推出 了环形冗余以太网（ＨＩＰＥＲ－砌ｎｇ）。赫思曼提供了完整而又全面的适用于工业环境和办 公环境的数据通信体系，产品范围从千兆以太网、快速以太网和以太网产品，网络安全
产品，无线网络产品，到现场总线系统，以及执行器和传感器所使用的ＡＳＩ连接器。根
据美国ＡＲＣ公司的调查报告，目前赫思曼公司的工业以太网产品的市场占有率达
３２．３％，遥遥领先于其它品牌。 网络采用赫斯曼独有的ＨｉＰＥＲ．砌ｎｇ冗余技术，确保链路出现单点故障时，网络能
够在很短的时间内自愈，使端到端的自愈时间小于了５０ｍｓ。
赫思曼公司的工业以太网产品系列主要包括：ＭＡＣＨ系列千兆骨干网络交换机（支 持三层路由），ＭＩＣＥ系列模块化交换机（千兆和百兆，支持三层路由），卡轨系列交换
机（千兆和百兆）等多种款型产品。根据赵楼矿井的实际情况，选用ＭＡＣＨ系列 ＭＡＣＨ４００２应用在调度指挥中心，作为工业以太环网业务集中节点，选用ＭＩＣＥ系列
ＭＳ４１ ２８和卡轨系列ＲＳ３０根据环网节点业务量的情况使用，综合构建赵楼煤矿生产工
业以太网。 赵楼煤矿生产工业以太网从整体上考虑了综合多业务的应用，可综合传输矿井各安
全、生产子系统监测监控数据、工业电视视频图像、调度数据等信息。赵楼煤矿生产骨
干网络通过防火墙与办公网（企业办公和Ｉｎｔｅｍｅｔ应用）连接，防火墙的中立区布置综
合ＷＥＢ应用等办公网络与生产网络进行数据访问的服务器。赵楼煤矿生产工业以太网，
如图４．１所示。
１８
４基于ｗｍ技术的井下无线调度