基于无线通信的煤矿瓦斯监控系统设计

煤炭行业一直以来是我国税收收入的一个重要来源。然而由于煤矿地理位置普遍偏远、交通不便，管理难度较大。同时税务部门征税手段相对落后，对煤矿缺乏有效监管，造成了我国税收收入的流失。电子远程监控系统能够很好地解决以上问题。针对煤矿地理位置偏远的情况，无线通信方式是比较经济实用的远程通信系统解决方案，其中CDMA（Code Division MuIf.pIe Access）通信方式具有组网简单、覆盖范围广、抗干扰能力强、发射功率低、频谱利用率高等优点[1]，能够满足煤炭产量远程监控系统对通信的远距离、高可靠性、低功耗以及图象信息传输等特殊要求。

概述

1.基本概念与原理

宁夏很多煤矿地理位置偏僻，地形复杂，采用有线通讯网络建设投资大，网络布线困难，网络维护成本高；采用微波、数传电台等载波方式进行数据传输，网络的覆盖率低，传输距离有限，用户须自己建立网络，投资较大，还需要投入人力物力进行维护。最后由于快速的通信速度、安全可靠的通信质量和布网灵活的特性，宁夏煤炭安全监察局选择了联通CDMA 1X无线数据通信网络作为“煤炭安全监控系统”的数据传输网络。

CDMA 1X无线数据网络可满足宁夏煤炭安全监控系统对于无线网络的传输要求。CDMA 1X无线数据网络符合无线网IEEE 802.11标准，符合在全球范围内免许可证的有关规定，对于所有传输到的数据、协议能毫不保留地转发到上一级网络；支持TCP/IP传输协议，支持WVPN通讯方式，具体可支持L2TP、IPSec、VR等路由方式的VPDN（虚拟专用拨号网络）；传输丢包率小于1%，时延率平均为600毫秒，不大于井下安全生产监测监控系统的一个扫描周期的秒时（煤炭安全监控系统扫描周期为5秒），网络的覆盖率大于95%。

煤矿将从井下采集各种安全数据汇总到煤矿传输终端，通过CDMA 1X 无线网络传输至宁夏联通网络中心PDSN设备，再通过2M专线传输到宁夏煤炭安全监察局监控中心。为确保网络安全，在现有物理网络的基础上建立基于L2TP协议的VPDN逻辑虚拟专网，实现煤矿与宁夏煤炭安全监察局的安全通信。煤矿传输终端通过分配的专用VPDN账号以拨号方式拨入CDMA 1X网络，认证服务器（AAA）和煤炭安全监察局认证服务器（RADIus）共同完成无线拨入煤矿用户的认证和鉴权。煤矿用户通过认证和鉴权后在煤矿和煤炭安全监察局之间建立VPDN专用通讯通道。通过VPDN网络建立的虚拟专用通信通道，宁夏煤炭安全监察局监控中心可实时监控煤矿安全生产数据。

VPDN主要是采用第二层隧道协议（L2TP），采用L2TP基于以下几点原因。

其一，对于GRE（通用路由封装协议）及IPSec这些三层隧道协议，区分用户将比较困难；因为在三层（IP层），一般只能通过IP 地址来区分用户。对于VPN来说，用户的地址是可以重复的，这样，三层隧道协议不适合区分用户。

其二，L2TP 是二层（链路层）的隧道协议，是作为PPP 的扩展提出来的。PPP适合区分不同的用户，比如拨号用户、采取专线直连的对端路由器等等，因为PPP 可以得到对端的用户名和更多用户信息。对于拨号用户接入这种情况来说，需要区分不同的VPN 用户，使用L2TP进行VPDN组建是最理想的。

其三，采用L2TP隧道协议，只分配企业网内部IP地址，而PPTP等第二层的隧道协议，要求有正式的IP地址，在拨入拨号服务器时，由拨号服务器提供，再二次拨入企业网关时，由企业网关分配内部网地址。

其四，采用L2TP隧道协议的VPDN网络，通信运营商主要维护运营商和企业之间的二层隧道。不同企业之间的二层隧道是区分开来的，相互独立的二层隧道将保证各企业VPDN网的完全私有性和绝对安全性。

2.网络系统构成

VPDN服务主要由CDMA1x路由器、LAC和LNS（防火墙或者cisco接入路由器如C2600 Series）、AAA和内部服务器构成。

CDMA1x路由器： 连接在远程网络上的访问终端，是VPDN呼叫的发起者。

LAC: 是“第二层隧道协议（L2TP）访问集中器”，在CDMA1x分组网中是PDSN节点。它是L2TP隧道的其中一个端点，也是LNS的对端。LAC处于LNS和Client的中间，负责转发双方的数据包。从LAC发往LNS的数据包需要封装到L2TP隧道中，而从LAC到Client的连接则使用CDMA1x无线分组传输技术。

LNS: 是“第二层隧道协议网络服务器”。它是L2TP隧道的另一个端点，也是LAC的对端。它是PPP会话的逻辑终点，而PPP会话被LAC封装成隧道形式，是从Client端开始的。

AAA server：AAA是认证、授权和记帐的缩写。AAA服务器负责对Client的身份进行验证。

3.实现过程

远程无线CDMA1x路由器通过CDMA1x网络连入拜访地LAC。LAC服务器通过用户名或接入