楊金麗，徐正海，朱春麗

(中海油研究總院，北京 100028)

海上油氣田跨海微波通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊金麗，徐正海，朱春麗

(中海油研究總院，北京 100028)

為解決海上油氣田群海陸之間通信聯(lián)網(wǎng)的傳輸容量瓶頸問題，采用跨海微波通信方式傳輸信號。通過現(xiàn)場勘察和鏈路指標計算選擇合適的陸地基站，建立跨海傳輸鏈路設計模型，并進行鏈路測試，可實現(xiàn)跨海微波大容量數(shù)據(jù)傳輸。 針對影響信號傳輸質(zhì)量的海面強反射和多徑衰落等干擾因子，提出相應的抑制措施，有效解決了跨海微波通信鏈路中斷問題。

跨海微波通信 海上平臺 鏈路測試 信號干擾

點對點的微波通信技術(shù)從20世紀90年代開始在海洋石油行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應用[1]。目前，渤海、東海、南海東部、南海南部4個海域的海上油氣田內(nèi)部已建立了比較完善的微波通信網(wǎng)，特別是渤海油田基本實現(xiàn)了全油田微波網(wǎng)覆蓋[2]。微波建站非常靈活且建站成本很低，同時海上沒有任何高大建筑物遮擋，為微波應用提供了良好的條件。但是微波傳輸距離有一定局限，海上點對點視距傳輸?shù)臉O限距離為50 km[3]。

跨海微波骨干鏈路建設也基本成熟，用于彌補海洋石油平臺衛(wèi)星帶寬較窄、海底光纜敷設費用昂貴的現(xiàn)狀?？绾Ｎ⒉ㄦ溌方ㄔO，需要進行路由計算，并在陸地尋找合適的登陸點將天線架設于高山或高塔上來提高傳輸距離。同時，海面強反射和多徑衰落對信號傳輸質(zhì)量有很大影響，需要采用相應的技術(shù)來抑制對微波傳輸?shù)挠绊?，以提高傳輸距離和傳輸質(zhì)量[4]。

1 通信需求

中國某海上油氣田建有1座立管平臺(RUP)，8座井口平臺(WHPA， WHPB， WHPC， WHPD， WHPE， WHPF， WHPG， WHPH)，1座浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)，油田群需要將儀控關(guān)斷信號、視頻監(jiān)視信號、語音以及辦公數(shù)據(jù)傳輸至陸地基地。根據(jù)數(shù)據(jù)流量估算，帶寬需求為20 M。

目前，油田群在WHPB平臺設置了1套衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為油田群與陸地基地之間提供4 M帶寬鏈路，用于語音和儀控數(shù)據(jù)傳輸。但隨著“數(shù)字油田”、“智能海油”的提出，4 M帶寬遠不能滿足油田群日益增長的業(yè)務需求，急需大容量通信鏈路解決油田群數(shù)據(jù)通信問題。

衛(wèi)星系統(tǒng)所租用寬帶每增加1 M帶寬，年租費相應增加約40萬元。光纖通信能夠提供可靠、大帶寬鏈路，但單獨敷設海底光纜費用巨大，施工難度非常大[5]。衛(wèi)星和光纖通信目前無法快速解決油田群海陸間的通信瓶頸。為此，從經(jīng)濟性及帶寬需要，采用跨海微波技術(shù)進行骨干鏈路建設。

2 系統(tǒng)模型及鏈路測試

2.1 微波路徑選擇

經(jīng)測算，該油田群中離陸地最近的為井口平臺WHPF，距離陸地約86 km。由于該距離已經(jīng)超出點對點微波視距傳輸?shù)臉O限，因而需要在陸地尋找合適的登陸點盡可能地將天線掛高，以增加傳輸距離和保證傳輸信號的可靠性。

經(jīng)過現(xiàn)場實地考察及論證，最終選擇在距離WHPF平臺86.5 km的某陸地基站與WHPF平臺建立跨海微波鏈路。經(jīng)現(xiàn)場勘查，該基站所在的山體條件優(yōu)越，通信機房條件良好，有溫度控制裝置。基站與外部通信采用光纜，使用高架高壓電線供電，且擁有蓄電池組及發(fā)電裝置保障電力供給。WHPF平臺微波天線安裝于生活樓頂層，進行抱桿安裝。天線掛高為海拔50 m。該基站海拔340 m，鐵塔高度為30 m，天線掛高為370 m。微波全路徑86.5 km，路徑中最高障礙物高度為230 m。可以看出WHPF與該基站之間的傳輸路徑無遮擋，滿足微波點對點視距傳輸條件。

2.2 微波鏈路模型

WHPF與該基站分別架設微波天線，并安裝微波室外單元(ODU)和室內(nèi)單元(IDU)[6]。WHPF平臺微波系統(tǒng)通過路由器接入油田群內(nèi)部局域網(wǎng)。微波落地后，由該基站光纜接入當?shù)仉娦胚\營商，通過租用20 M的多業(yè)務傳送平臺(MSTP)專線接入中海油局域網(wǎng)，完成陸地與海上之間寬帶數(shù)據(jù)傳輸鏈路的建立。建立跨海微波鏈路，模型如圖1所示。

圖1 WHPF至某基站跨海微波鏈路模型示意

2.3 微波頻段及設備選擇

數(shù)字微波傳輸目前可選擇的頻率主要有專用頻率和公用頻率。專用頻段主要有7/8 GHz和13 GHz，根據(jù)各省市無線電頻率分配管理原則，微波鏈路建立之前需要向當?shù)責o線電委員會申請[7]，專用頻道目前在中海油主要應用于油田群內(nèi)部微波組網(wǎng)。目前公用頻率用于數(shù)字微波通信的頻段主要為5.8 GHz，是免申請無線執(zhí)照的頻段，因而部署更為方便[8]。該模型采用5.8 GHz進行微波組網(wǎng)，頻寬為40 MHz。微波各頻段信息見表1所列。

表1 微波各頻段主要參數(shù)

對于長距離跨海微波通信，天線口徑增大，可以有效提高接收電平和鏈路儲備量[9]。但是天線太大容易造成波束不易對準，同時海邊風力較大易引起天線擺動造成通信中斷，因而綜合考慮采用了1.8 m微波天線。從中海油數(shù)字微波設備供貨和使用現(xiàn)狀考慮，采用瑞嬴RADWIN2000系列設備，其中天線饋線由國內(nèi)產(chǎn)品配套，設備具有以太網(wǎng)口、光口，方便與局域網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)進行互聯(lián)。

2.4 微波鏈路儲備余量

微波鏈路即使?jié)M足視距傳輸?shù)臈l件，仍不能保證微波通信能夠建立。除滿足視距傳輸條件外，還需要保證所建成的微波鏈路擁有良好的鏈路儲備[10]。微波鏈路儲備余量需要計算WHPF與該基站間微波傳輸?shù)淖杂煽臻g損耗、系統(tǒng)增益、鏈路總增益和鏈路總損耗[11]。

1) 自由空間傳輸損耗Ls：

Ls=92.4+20lgf+20lgD

(1)

式中：f——發(fā)射頻率，GHz；D——傳輸距離，km。

2) 系統(tǒng)增益Gs：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中：Pt——設備射頻輸出功率絕對值，dBm；Pro——系統(tǒng)接收靈敏度，dBm。

3) 鏈路總增益Gl：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中：Gt——發(fā)射端的天線增益，dB；Gr——接收端的天線增益，dB。

4) 鏈路總損耗：

Lt=Ls+Lft+Lfr

(4)

式中：Lft——發(fā)射端ODU和天線之間的電纜損耗；Lfr——接收端ODU和天線之間的電纜損耗。

5) 鏈路儲備余量：

Margin=Gt+Lt

(5)

Margin數(shù)值越高，微波鏈路的可靠性越高。通過WHPF與該基站之間微波鏈路參數(shù)及微波設備參數(shù)，利用Excel編程計算得出： 鏈路儲備余量為29.794 dB，滿足WHPF與該基站之間跨海微波鏈路通信需求。

2.5 鏈路測試

微波鏈路的測試指標主要包括鏈路帶寬峰值、實際傳輸速率、全年可用性，并通過Ping雙方的地址測試傳輸鏈路的丟包率和系統(tǒng)延時。系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)見表2所列，圖2，圖3給出在40 MHz頻寬下WHPF平臺與該基站微波系統(tǒng)發(fā)射和接收信號強度隨時間的變化曲線。

表2 測試結(jié)果

圖2 海上發(fā)射和陸地接收信號強度對比

圖3 陸地發(fā)射和海上接收信號強度對比

測試結(jié)果：

1) 在30 d測試期間內(nèi)，經(jīng)歷大風、大雨及晴、多云等海況。從表2可以看出，在此期間內(nèi)實際測試傳輸速率平均值為8.300 Mbit/s左右，峰值達到29.594 Mbit/s，能夠滿足整個油田群20 M的通信需求。在各種天氣及海況下，通信鏈路能夠穩(wěn)定運行。

2) 截取測試期間30 h內(nèi)海陸信號發(fā)射和接收信號強度數(shù)據(jù)，由圖2和圖3可以看出海上和陸地的信號接收強度在-65～-70dBm內(nèi)變化，處于正常的信號強度接收范圍，傳輸穩(wěn)定。

3) 通過Ping包測試，系統(tǒng)延時在4～14 ms，丟包率為0，全年實際可用率達到99.845 8%，設備長時間運行穩(wěn)定可靠。

通過測試，該跨海微波鏈路可靠性和時效性良好，平均網(wǎng)絡延時為5 ms，遠低于衛(wèi)星鏈路490 ms的時延，顯著提高了海陸之間的通信效率。在多種氣候條件下，海上和陸地的信號接收強度均處于正常的信號強度接收范圍內(nèi)，整體測試效果良好。

3 抗衰落解決方案

3.1 海面反射抑制措施

抑制海面反射的最有效措施是采用空間分集技術(shù)[12]。在2個站點放置多副天線同時接收1個微波信號，將各個接收信號進行合成或選擇最優(yōu)，從而改善信號接收效果。空間分集技術(shù)能夠提高天線增益，增加不相關(guān)的冗余路徑，對海面強反射引起的信號衰落有很好的改善效果。

天線選擇上采用雙極化天線，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，可以有效降低呼損率，減小信號干擾，保證分集接收的效果。另外，可以通過適當增大天線口徑，提高天線方向性和天線增益以增加鏈路衰落儲備，從而減小信號干擾的影響。

3.2 多徑衰落抑制措施

影響跨海微波傳輸質(zhì)量的另一因素是多徑干擾[13]。抵抗海面多徑衰落通常采取加大收發(fā)兩端天線高度的落差、適當調(diào)整天線的仰角，以減小多徑衰落的影響。同時，采用自適應的多種調(diào)制方式和多波束時空編碼方式將信號多次發(fā)送并重新合并，消除不同相位信號之間的相互抵消作用，可以有效克服多徑衰落對信號的影響。

3.3 頻率干擾抑制措施

海上平臺無線儀表以及油田群內(nèi)部數(shù)字微波網(wǎng)的建立在不同程度上對跨海微波鏈路造成了信號頻率干擾[14]。目前主要措施是通過智能動態(tài)頻率選擇，增加頻譜分析功能，持續(xù)監(jiān)聽所有頻道，采用時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)結(jié)合的方式抑制信號干擾，動態(tài)選擇最可靠信道。

4 結(jié) 論

1) 通過實地勘測與鏈路計算，選擇合適的陸地基站和微波設備，建立遠距離跨海微波鏈路。測試表明： 跨海微波鏈路在傳輸帶寬、信號延時等方面優(yōu)于衛(wèi)星通信。同時采用有效的抗衰落措施，可以有效降低海面反射和多徑衰落等對信號的干擾，提高了信號傳輸質(zhì)量。

2) 跨海微波通信鏈路作為衛(wèi)星和上岸光纜的備份和補充， 為海上油氣田提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸保障，解決了海陸超遠距離大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ牌款i。同時與衛(wèi)星網(wǎng)、油田群內(nèi)部數(shù)字微波網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)，推動了“數(shù)字油田”、“智能海油”的建設進程，確保了海陸通信安全暢通，為油田群安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了安全可靠的技術(shù)支撐。

[1] 夏斌.海上油氣田數(shù)字微波通信系統(tǒng)的設計考慮[J].石油工程建設，2009，35(05)： 8-10.

[2] 梁小蓮.簡述微波通信技術(shù)在南海西部海域油氣田的應用及發(fā)展[J].化工設計通訊，2016，42(03)： 20-21.

[3] 韓軼鐵，顧蕾.VSAT通信系統(tǒng)在海洋工程中的應用研究[J].中國海上油氣(工程)，2003， 15(03)： 28-31.

[4] 周仲謀，陳智凱.MIMO無線光通信分集接收系統(tǒng)的實驗研究[J].電子設計工程，2015，24(23)： 145-148.

[5] 謝金洪，李小鵬，高建梅.海上油氣田SDH光纖通信網(wǎng)的設計應用[J].海洋工程裝備與技術(shù)，2015，2(03)： 209-214.

[6] 房少軍.數(shù)字微波通信[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2008.

[7] 姚軍，李白萍.數(shù)字微波與衛(wèi)星通信[M].北京： 北京郵電大學出版社，2011.

[8] 唐賢遠，鄧興成. 數(shù)字微波通信系統(tǒng)[M].北京： 高等教育出版社，2011.

[9] 吳飛龍，楊力帆，陳微.跨海微波通信在電力通信聯(lián)網(wǎng)中應用的探討[J].電力與電工，2010， 30(01)： 18-22.

[10] 孫學康，張政.微波與衛(wèi)星通信[M].北京： 人民郵電出版社， 2007.

[11] 蔡永強.空間分集技術(shù)在跨海微波通信中的應用[J].電力建設，2006，27(11)： 29-30.

[12] 阮炎，郄學慶.數(shù)字微波通信電子反對抗研究[J].無線電通信技術(shù)，2006，32(04)： 39-41.

[13] 許雪梅.克服海面多徑衰落的有效措施[J].無線電工程，2005，33(02)： 53-61.

[14] 孫欽，陳可欽，張藝.無線傳輸在海上平臺的應用研究[J].自動化技術(shù)與應用，2008， 27 (11)： 63-64.

[15] 楊充,王艷麗,楊鵬,等.一種基于油田輸油管道的通信方法[J].化工自動化及儀表,2014,41(12): 1440-1441,1456.

Key Technology Study of Cross Sea Microwave Communication in Offshore Oil and Gas Field

Yang Jinli， Xu Zhenghai， Zhu Chunli

(CNOOC Research Institute， Beijing， 100028， China)

s: To solve “bottom-neck” transmission capacity problem of communication networks from offshore oil and gas field to onshore， cross sea microwave communication is applied to build a communication link for signal transmission. Appropriate land base station is selected through on-site investigation and microwave circuit parameters calculation.Design model of cross sea microwave transmission link is constructed. The link is tested. High-capacity data transmission can be realized by cross sea microwave communication.Relevant responses against interference factors of strong sea surface reflection and multi-path fading for transmission quality are proposed. Link break problem of cross sea microwave communication is effectively solved.

cross sea microwave communication; offshore platform; link test; signal interference

楊金麗(1984—)，女，2010年畢業(yè)于中國民航大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于中海油研究總院，主要研究方向為海上平臺通信系統(tǒng)設計、系統(tǒng)監(jiān)測等，任通信工程師。

TN927

B

1007-7324(2017)02-0038-04

稿件收到日期： 2016-10-18，修改稿收到日期： 2016-12-21。