楊金麗　臧明霞　白　琳

中海油研究總院,　北京　100028

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4 G TD-LTE技術(shù)在海上油氣田中的應(yīng)用研究

楊金麗臧明霞白琳

中海油研究總院,北京100028

摘要：中國某海上氣田新建的無人駐守井口平臺(tái)與中心平臺(tái)之間無海底光纜敷設(shè),平臺(tái)之間需傳輸DCS生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷、語音、視頻等信號(hào)。為建立安全、可靠的通信鏈路,采用4 G TD-LTE無線傳輸技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。4 G TD-LTE技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于陸地油田組網(wǎng)系統(tǒng),技術(shù)和設(shè)備相對(duì)成熟,但在國內(nèi)海上油氣田尚未推廣使用。通過比對(duì)單獨(dú)敷設(shè)光纜和數(shù)字微波技術(shù)組網(wǎng),4 G TD-LTE技術(shù)具有較好的價(jià)格優(yōu)勢與組網(wǎng)靈活性。經(jīng)該海域某已建油田內(nèi)部4G組網(wǎng)鏈路測試,得出4 G TD-LTE技術(shù)能夠在海上建立穩(wěn)定可靠的傳輸鏈路,滿足油氣田生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：海上平臺(tái)；無線傳輸；4 G TD-LTE；數(shù)據(jù)傳輸；鏈路測試

0前言

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是海上智能油氣田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分[1]?；诎踩a(chǎn)的需求,需將分布式控制系統(tǒng)(DCS)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷、語音、視頻等信號(hào)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行钠脚_(tái)或陸地生產(chǎn)調(diào)度指揮中心進(jìn)行集中管控、綜合處理與分析,從而達(dá)到生產(chǎn)操作自動(dòng)化、生產(chǎn)運(yùn)行可視化和管理決策系統(tǒng)化的目的,提升生產(chǎn)指揮決策支持能力[2]。

海上油氣田特殊的物理環(huán)境要求通信鏈路能夠?qū)购Ｑ髳毫犹鞖?(如臺(tái)風(fēng)、雨、霧等)引起的干擾[3]；同時(shí)各個(gè)海上平臺(tái)分布比較分散,相距幾公里到數(shù)十公里不等,要求該通信傳輸網(wǎng)的組網(wǎng)模式必須靈活、系統(tǒng)擴(kuò)充性強(qiáng),且設(shè)備安裝方便簡單,能夠快速接入[4]。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中,井口平臺(tái)與中心平臺(tái)之間可借助電力組網(wǎng)敷設(shè)海底復(fù)合光纜組建光通信網(wǎng),但是由于受到油氣價(jià)格、開發(fā)成本等客觀條件的限制,在海上油氣田沒有敷設(shè)海底光纜的條件下,無線傳輸網(wǎng)絡(luò)為油氣田智能一體化管理提供了基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和前提條件,同時(shí)無線傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)簡單,部署靈活,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到面的覆蓋,降低生產(chǎn)成本[5]。

1項(xiàng)目概況及通信需求

中國某海上氣田新建工程設(shè)施有1座生產(chǎn)平臺(tái)(PRP)(與已建中心平臺(tái)A(CEPA)棧橋相連),1座中心平臺(tái)B(CEPB),1座有人井口平臺(tái)D(WHPD),4座無人井口平臺(tái)WHPA、WHPB、WHPC、WHPE。平臺(tái)相對(duì)位置見圖1。

三個(gè)無人井口平臺(tái)WHPA、WHPB、WHPC需要將儀控關(guān)斷信號(hào)、視頻監(jiān)視信號(hào)以及少量的語音、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)絇RP平臺(tái),由PRP平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。PRP與CEPB之間敷設(shè)有海底復(fù)合光纜,兩平臺(tái)直接通過光纜進(jìn)行通信聯(lián)系。CEPB與WHPD之間通過海底復(fù)合光纜進(jìn)行日常通信及關(guān)鍵數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；WHPE平臺(tái)需要將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)紺EPB平臺(tái),并由CEPB對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。帶寬需求約為上行帶寬10 M,下行帶寬5 M。

PRP平臺(tái)與WHPA平臺(tái)之間相距約20 km,CEPB 與WHPE平臺(tái)之間相距約18 km,同時(shí)該氣田所處海域受臺(tái)風(fēng)影響大,因此必須建立穩(wěn)定可靠的傳輸鏈路,滿足油田對(duì)無人井口平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、語音等信號(hào)可靠傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖1　中國某海上氣田各平臺(tái)相對(duì)位置

2通信鏈路方案比選

2.1光纖方案

在不考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下,要實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的鏈路傳輸,海底光纜通信是首選[6]。本項(xiàng)目需要在PRP平臺(tái)與無人井平臺(tái)WHPB、WHPC之間,WHPA與WHPB之間,CEPB與WHPE之間鋪設(shè)海底光纜。

該方案需單獨(dú)鋪設(shè)4根海底光纜,總長度約為44.5 km。該方案滿足無人平臺(tái)設(shè)計(jì)要求,具有高可靠性、低維護(hù)、設(shè)計(jì)壽命長的優(yōu)點(diǎn)[7],但是投資費(fèi)用極高,除材料費(fèi)以外還需施工費(fèi)、租用船舶費(fèi)、人工費(fèi)等，且維護(hù)費(fèi)用很高。

2.2微波技術(shù)方案

為提高系統(tǒng)的可靠性,采用5.8 G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波產(chǎn)品,分別建立PRP—WHPA、PRP—WHPB、PRP—WHPC、WHPA—WHPB、CEPB—WHPE五條獨(dú)立的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波傳輸電路。

本方案優(yōu)點(diǎn)是傳輸容量較大,初始投資低(總費(fèi)用在百萬左右,包括安裝、施工、維護(hù)費(fèi)用)；缺點(diǎn)是由于工作于公共頻率,可用頻點(diǎn)有限,在采用多條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路組網(wǎng)時(shí),易產(chǎn)生頻率的干擾和帶寬容量的限制；且高頻易受海面反射干擾,傳輸鏈路的不穩(wěn)定性會(huì)影響關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量[8]；該氣田所處海域臺(tái)風(fēng)頻繁,對(duì)傳統(tǒng)微波鏈路影響較大,微波天線易受風(fēng)浪影響,產(chǎn)生抖動(dòng)或方向偏移,會(huì)發(fā)生鏈路中斷的現(xiàn)象。

2.34 G TD-LTE無線組網(wǎng)方案

根據(jù)目前項(xiàng)目特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)投資狀況,最有效的解決辦法是找到能適應(yīng)海上環(huán)境,并能保證在臺(tái)風(fēng)模式下天線能夠?qū)挂欢ǚ纫苿?dòng)的無線傳輸技術(shù)[9]。4 G 分時(shí)長期演進(jìn)(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)技術(shù),是移動(dòng)通信寬帶化的無線接入系統(tǒng),具有扇區(qū)型覆蓋、支持移動(dòng)性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10],擬用在該項(xiàng)目中。

根據(jù)生產(chǎn)和作業(yè)的要求,本項(xiàng)目需要在新建PRP平臺(tái)與WHPA、WHPB、WHPC之間,CEPB與WHPE之間建立無線傳輸鏈路。

需要在PRP、CEPB 平臺(tái)建設(shè)兩臺(tái)基站,在無人井口平臺(tái)WHPA、WHPB、WHPC、WHPE分別設(shè)置CPE終端,并采用一用一備的熱備份方案。通過TD-LTE 無線信號(hào)覆蓋周圍新建和已建的海上平臺(tái)和平臺(tái)間的海面。LTE 核心網(wǎng)和網(wǎng)管設(shè)備安裝在PRP 平臺(tái)。CEPB 平臺(tái)區(qū)域數(shù)據(jù)由海底光纜傳回PRP平臺(tái)。各井口平臺(tái)數(shù)據(jù)回傳到PRP 平臺(tái)的LTE 核心網(wǎng),再由核心網(wǎng)設(shè)備傳送到上層工業(yè)控制、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)平臺(tái)。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋見圖2,PRP 平臺(tái)基站采用兩扇區(qū)配置,CEPB 平臺(tái)采用一扇區(qū)配置。

圖2　4 G TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋圖

本方案的投資費(fèi)用適中,終端天線允許在30度角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),滿足臺(tái)風(fēng)模式下一定程度的天線偏移。4 G TD-LTE技術(shù)可靠性與適應(yīng)性相對(duì)較高,非常適合油田組網(wǎng)。雖然前期投入相對(duì)較多,但后期新平臺(tái)的接入只需增加投資費(fèi)用較低的CPE終端設(shè)備,無需對(duì)基站和核心網(wǎng)進(jìn)行改造,即可實(shí)現(xiàn)快速入網(wǎng),既經(jīng)濟(jì)又高效,而且未來可以擴(kuò)展油氣田的智能化管理業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如將4G工業(yè)級(jí)手持終端應(yīng)用于現(xiàn)場在線實(shí)時(shí)巡檢、數(shù)據(jù)視頻實(shí)時(shí)回傳、人員動(dòng)態(tài)管理、物流動(dòng)態(tài)管理等工作[11]。

2.4技術(shù)方案比選

無人井口平臺(tái)與中心平臺(tái)之間鏈路傳輸采用海底光纜、數(shù)字微波、4 G TD-LTE三種技術(shù)方案在技術(shù)上均可行,但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。海底光纜、數(shù)字微波、4 G TD-LTE三種技術(shù)方案在系統(tǒng)性能、經(jīng)濟(jì)投資等方面的比較見表1。

表1海底光纜、數(shù)字微波、LTE系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)投資比較

技術(shù)參數(shù)海底光纜數(shù)字微波4GTD-LTE穩(wěn)定性高中較高可靠性高低較高靈活性中低高傳輸速率>1Gbps20Mbps20Mbps傳輸距離/km-5030經(jīng)濟(jì)投資/萬元約5000約100約180

從表1綜合來看,4 G TD-LTE傳輸方案在可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)投資方面相對(duì)較優(yōu),各項(xiàng)參數(shù)能夠滿足中心平臺(tái)對(duì)無人井口平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制功能,能夠適應(yīng)海上惡劣環(huán)境。通過綜合比選,工程方案最終推薦采用4 G TD-LTE無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)鏈路傳輸。

34 G TD-LTE 系統(tǒng)特性

3.1支持移動(dòng)性應(yīng)用

4 G TD-LTE技術(shù)優(yōu)勢即為支持移動(dòng)性應(yīng)用,在移動(dòng)條件下具有穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸能力,理論支持的移動(dòng)速度為350 km/h[12]。其核心技術(shù)是正交頻分復(fù)用和雙流波束賦形(增強(qiáng)覆蓋抑制干擾),在波束覆蓋范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)干擾抑制,可以對(duì)抗移動(dòng)所帶來的傳播環(huán)境快速變化,實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸[13]。此外,4 G TD-LTE采用自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ)、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(HARQ)等多種服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制技術(shù)。數(shù)據(jù)無法到達(dá)接收端或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)ARQ和HARQ重傳機(jī)制,保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。

3.2降低海面衰落影響

4 G TD-LTE采用正交頻分復(fù)用技術(shù),利用其正交性可有效降低碼間干擾,并通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道,減小多徑效應(yīng)帶來的衰落深度,使信號(hào)更加穩(wěn)定[14]。除此之外,通過多入多出(MIMO)、波束賦形等技術(shù)的引入,大大增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度,有效降低海面衰落對(duì)信號(hào)的影響[15]。

3.3網(wǎng)絡(luò)扁平化

扁平化IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)少,設(shè)計(jì)組網(wǎng)簡單,端到端最小傳輸時(shí)延<50 ms,支持油田SCADA等重要業(yè)務(wù),支持語音良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)[16]；LTE支持全I(xiàn)P組網(wǎng),高效靈活；LTE核心網(wǎng)和基站的小型化和高集成度,非常適合行業(yè)用戶[17]；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,易規(guī)劃、易部署、易維護(hù)。

4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)測試

4 G TD-LTE 通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要部分組成：核心網(wǎng)EPC、eNodeB無線基站、CPE終端設(shè)備(或移動(dòng)用戶終端UE)[18]。TD-LTE設(shè)備采用全I(xiàn)P組網(wǎng),核心網(wǎng)可以根據(jù)油田企業(yè)用戶定制成小型化和高集成,基站由基帶單元BBU+射頻單元RRU組成。系統(tǒng)頻率采用1 785 MHz～1 805 MHz頻段[19]。

在該項(xiàng)目中,TD-LTE 核心網(wǎng)與網(wǎng)管安裝在PRP 平臺(tái)上,通過平臺(tái)內(nèi)的IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸,連接本平臺(tái)兩扇區(qū)基站,通過海底光纜連接CEPB 平臺(tái)的另一扇區(qū)基站。兩臺(tái)基站的TD-LTE 信號(hào)覆蓋周圍的海上平臺(tái),各井口平臺(tái)上的控制信號(hào)、視頻和語音信號(hào)接入CPE終端設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸終端DTU,通過TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳回PRP平臺(tái)控制中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　4 G TD-LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因海面無線環(huán)境比較單一,采用系統(tǒng)模擬得出:單扇區(qū)覆蓋半徑約30 km，單扇區(qū)平均速率約為上行22 Mbps、下行19 Mbps[20]。為實(shí)際測試4 G TD-LTE的系統(tǒng)性能,在中國某已建海上油田設(shè)置相關(guān)測試設(shè)備。中心平臺(tái)安裝4 G TD-LTE基站采用兩個(gè)信號(hào)覆蓋扇區(qū),分別指向附近兩個(gè)井口平臺(tái),單站覆蓋半徑35 km。兩個(gè)井口平臺(tái)分別安裝4 G TD-LTE無線終端1臺(tái),語音和數(shù)據(jù)信號(hào)通過IP網(wǎng)絡(luò)與無線終端連接。采用兩扇區(qū)每扇區(qū)20 M同頻組網(wǎng)方式,時(shí)隙配比使用IU∶3D。

測試的無線通信指標(biāo)包括上下行業(yè)務(wù)帶寬、信噪比、接收功率等,數(shù)字通信指標(biāo)包括吞吐量、丟包率、系統(tǒng)時(shí)延等。通過Ping雙方的地址測試傳輸鏈路的丟包率和系統(tǒng)延時(shí)。TM 3自適應(yīng)傳輸模式下,上下行接收功率、信噪比、吞吐量等指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線見圖4～6。

圖4　上下行接收功率隨時(shí)間變化

圖5　上下行接收信噪比隨時(shí)間變化

圖6　上下行業(yè)務(wù)速率隨時(shí)間變化

測試結(jié)果：

1)上下行功率及信噪比的變化不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)速率帶來明顯變化,測試期間上行速率穩(wěn)定在10～14 Mbps,下行速率穩(wěn)定在37 Mbps左右,滿足油田的各種業(yè)務(wù)需求。

2)測試期間的天氣經(jīng)歷大風(fēng)、大雨及多云狀況,此期間上下行速率均未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)；大霧大雨天氣對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)有一定影響,但是對(duì)上行和下行傳輸帶寬無明顯影響。

3)通過Ping包,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為23 ms左右,丟包率為0,設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

通過測試可知,4 G TD-LTE技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)明顯好于傳統(tǒng)微波通信技術(shù),能夠滿足項(xiàng)目通信需求。

5結(jié)論

1)綜合而言,4 G技術(shù)在可靠性、穩(wěn)定度以及帶寬等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)微波傳輸技術(shù),而且4 G的工作頻率使用專網(wǎng)頻率,更適合專網(wǎng)應(yīng)用,提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2)4 G TD-LTE技術(shù)比較適合油氣田群無線通信組網(wǎng),后期終端設(shè)備接入非常方便,無需對(duì)基站和核心網(wǎng)進(jìn)行改造,在未來海上智能油氣田建造中,可采用多個(gè)4 G TD-LTE基站覆蓋盡可能多的海域,將周邊平臺(tái)、移動(dòng)船舶等設(shè)施納入其覆蓋范圍,為海上油氣田信息化系統(tǒng)提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路,并與油田原有通信系統(tǒng)相互融合補(bǔ)充,達(dá)到降低投資及高效利用現(xiàn)有通信系統(tǒng)的目的。

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收稿日期：2015-11-23

作者簡介：楊金麗(1984-)，女，山東壽光人，工程師，碩士，主要從事海上平臺(tái)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)監(jiān)測等工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.018