何作峰 宋吉福 董政權(quán) 李迎星 周華

我國(guó)石油工業(yè)的“十一五”、“十二五”規(guī)劃都明確提出了建設(shè)數(shù)字化油田、智能油田的目標(biāo)。“建立以計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多信息融合技術(shù)，油藏地質(zhì)數(shù)字模型為基礎(chǔ)的”數(shù)字化油田。數(shù)字化油田建設(shè)的核心就是信息化建設(shè)，通過為油田建設(shè)一個(gè)“集管理、調(diào)度、監(jiān)控、監(jiān)視等功能為一體的信息化系統(tǒng)”，使得油氣田作業(yè)及運(yùn)行操作更加安全、有序、有效。

現(xiàn)青海油田通過示范工程一期和二期工程，已初步完成數(shù)字化油田的構(gòu)建，成功建成基于TD-LTE技術(shù)的油田專網(wǎng)，基本滿足了青海油田的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需要。

在系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用期間，隨著油田數(shù)字化理念的不斷深入，各種數(shù)字化無(wú)線業(yè)務(wù)在油田開始逐步推廣應(yīng)用。為滿足各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線傳輸帶寬的更高要求，亟需研究利用TD-LTE新技術(shù)對(duì)專網(wǎng)容量進(jìn)行提升，為進(jìn)一步推動(dòng)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)掃清技術(shù)障礙。

一、TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)介紹

1. TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

智能天線技術(shù)（SA）

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

2. TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)

TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)作為當(dāng)前無(wú)線通信發(fā)展的主流技術(shù)之一，采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）、智能天線、波束賦形、多輸入多輸出（MIMO）等先進(jìn)技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。下行、上行傳輸速率分別可達(dá)100、50Mbps。

（2）采用扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大降低了傳輸時(shí)延，業(yè)務(wù)面?zhèn)鬏敃r(shí)延小于5ms。

（3）實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)縫漫游。

（4）高度智能化的網(wǎng)絡(luò)。

（5）良好的覆蓋性能。

（6）基于IP的網(wǎng)絡(luò)。

（7）實(shí)現(xiàn)不同QoS的業(yè)務(wù)。

二、油田TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)新需求和產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)

1. TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)容量提升需求

隨著油田數(shù)字化理念的不斷深入，各種數(shù)字化無(wú)線業(yè)務(wù)在油田開始應(yīng)用，如對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、無(wú)線多媒體集群對(duì)講業(yè)務(wù)、企業(yè)移動(dòng)辦公業(yè)務(wù)、油井巡檢業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程診斷協(xié)助業(yè)務(wù)，等等。這些業(yè)務(wù)大多需要占用較高的傳輸帶寬，尤其是需要占用很高的上行傳輸帶寬。為滿足各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線傳輸容量的更高要求，需研究利用TD-LTE新技術(shù)對(duì)專網(wǎng)容量進(jìn)行提升。

2. TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)容量提升方案

TD-LTE有4個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，公網(wǎng)應(yīng)用以上下時(shí)隙配比1：3為主。而油田的業(yè)務(wù)以上行業(yè)務(wù)為主，因此需要進(jìn)一步引入3GPP合作組織的新特性以提升上行業(yè)務(wù)帶寬。提升手段包括配置上下行時(shí)隙配比支持3：1或2：2、啟用上行MU-MIMO特性。

當(dāng)上下行時(shí)隙配比為2：2時(shí)，開啟上行MU-MIMO特性對(duì)上行傳輸帶寬提升效果明顯；當(dāng)上下行時(shí)隙配比為3：1時(shí)，上行MU-MIMO對(duì)上行傳輸帶寬提升效果較差。因此，可以采用以下兩種方案提升上行業(yè)務(wù)帶寬：

（1）配置上下時(shí)隙配比為3：1，不啟動(dòng)MU-MIMO特性；

（2）配置上下時(shí)隙配比為2：2，同時(shí)啟用MUMIMO特性。

可以根據(jù)油田的實(shí)際情況，靈活采用上述兩種方案，提升上行業(yè)務(wù)帶寬。

因公網(wǎng)用戶一般下行業(yè)務(wù)遠(yuǎn)多于上行業(yè)務(wù)，對(duì)下行帶寬的需求也遠(yuǎn)高于對(duì)上行帶寬的需求，因此公網(wǎng)產(chǎn)品一般不會(huì)采用配置0的時(shí)隙配比方式，也無(wú)需啟用上行MUMIMO特性。也正是因?yàn)樵撛颍瑢?duì)這兩個(gè)特性的研究、測(cè)試、應(yīng)用都不夠充分。

為滿足油田需要，我們?cè)诔浞盅芯?GPP的相關(guān)特性和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研制了適用于行業(yè)用戶的新型的核心網(wǎng)、基站及終端產(chǎn)品，在這些行業(yè)專網(wǎng)產(chǎn)品上完整地實(shí)現(xiàn)了上行MU-MIMO特性和支持時(shí)隙配比配置0（3U：1D）的配置方式，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和外場(chǎng)測(cè)試，新研制產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)上行帶寬性能提高達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

三、油田TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1. TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)上行MU-MIMO特性關(guān)鍵技術(shù)

（1）上行MU-MIMO的基本原理

上行多用戶MIMO是指利用空間不相關(guān)特性使多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源位置上傳輸各自的數(shù)據(jù)流。來自不同終端發(fā)送的數(shù)據(jù)流占用相同的時(shí)頻資源，從基站看，就如同接收從同一個(gè)“虛擬終端”的多個(gè)數(shù)據(jù)流一樣，從而構(gòu)成了一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，如下圖所示。采用多用戶MIMO可以有效提升小區(qū)的平均吞吐量。

（2）上行MU-MIMO實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

上行MU-MIMO的實(shí)現(xiàn)主要包括MU-MIMO的配對(duì)算法，主要根據(jù)兩個(gè)用戶的信噪比、接收功率和信道相關(guān)性三個(gè)因素來判斷用戶是否可以進(jìn)行配對(duì)，具體如下：

根據(jù)待配對(duì)用戶的等效信噪比，判斷用戶信噪比因素是否滿足配對(duì)條件；

根據(jù)待配對(duì)用戶的接收功率，判斷接收功率是否滿足配對(duì)條件；

根據(jù)待配對(duì)用戶的波達(dá)角DOA，判斷信道相關(guān)性滿足配對(duì)條件。

只有當(dāng)待配對(duì)用戶的接收信噪比、接收功率和信道相關(guān)性三個(gè)因素都滿足配對(duì)條件時(shí)，不同用戶才能配對(duì)成功。

2.TD-LTE 上下行時(shí)隙配置關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)可以更靈活地配置具體的上下行資源比例。時(shí)隙配置如下圖：

與LTE-FDD相比，TD-LTE可靈活配置時(shí)隙比例的特性，對(duì)于行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一般來說，公網(wǎng)系統(tǒng)用戶對(duì)于下行傳輸帶寬的需求大大高于上行傳輸帶寬，其對(duì)下行和上行傳輸帶寬比例一般為4：1到7：1。對(duì)于行業(yè)用戶則非常不同，如對(duì)于油田應(yīng)用，以生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、智能巡檢等多項(xiàng)業(yè)務(wù)均以上行業(yè)務(wù)為主，而語(yǔ)音、視頻通話等業(yè)務(wù)上下行帶寬需求則基本為1：1，因此總體來說，行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ι闲袀鬏攷挼男枨筮h(yuǎn)高于下行傳輸帶寬。利用TD-LTE時(shí)隙配比可配置的特性，公網(wǎng)采用配置2（1U：3D），而專網(wǎng)則可采用配置0（3U：1D）或配置1（2U：2D）。

四、測(cè)試和驗(yàn)證

1. 測(cè)試目的和項(xiàng)目

采用支持3U1D時(shí)隙配比特性和MU-MIMO特性的TD-LTE 1.8G核心網(wǎng)、基站、終端設(shè)備，測(cè)試青海油田采油一廠油砂山無(wú)線通信系統(tǒng)在不同子幀配比情況下的上行傳輸容量，及開啟上行MU-MIMO功能對(duì)上行傳輸容量的提升效果，為后期勘察及建設(shè)提供可靠性參考。

2. 系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容

在測(cè)試區(qū)域分別選取無(wú)線信號(hào)非常好、一般和較差三類典型地點(diǎn)（分別簡(jiǎn)稱為好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)），分別設(shè)置子幀配比為2U：2D和3U：1D進(jìn)行測(cè)試，在2U：2D配置下又分為關(guān)閉和開啟上行MIMO，測(cè)試方式為FTP下載觀察其穩(wěn)定的峰值速率。

3. 測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)上述好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)在各個(gè)子幀配比及是否開啟上行MIMO情況下的峰值速率測(cè)試，可得出以下結(jié)論：

（1）子幀配比配置為2U：2D模式，開啟上行MIMO后，好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)的上行峰值速率比關(guān)閉上行MIMO后峰值速率分別提升了56.2%、25.8%和65%，達(dá)到預(yù)期效果，下行峰值速率變化不大；

（2）子幀配比配置調(diào)整為為3U：1D模式，好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)的上行峰值速率相比2U：2D模式分別提升了94.2%、118.6%和35.3%，下行峰值速率在好點(diǎn)和中點(diǎn)分別下降41.7%、31.3%，在差點(diǎn)則上升34%。均不開啟上行MIMO。

結(jié)論：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果與理論分析基本吻合，經(jīng)測(cè)試：

a. 在子幀配比為2U：2D模式下開啟上行MIMO可有效提升小區(qū)上行傳輸吞吐，且對(duì)下行傳輸吞吐基本沒有影響。

b. 將子幀配比調(diào)整為3U：1D可有效提升小區(qū)上行傳輸吞吐，但對(duì)下行傳輸吞吐有一定的影響。考慮到油田業(yè)務(wù)主要為上行業(yè)務(wù)，下行傳輸速率一定程度的降低對(duì)油田應(yīng)用影響不大。

c. 在子幀配比為2U：2D模式下開啟上行MIMO或?qū)⒆訋浔扰渲脼?U：1D均可有效提升小區(qū)上行傳輸吞吐。

五、總結(jié)與展望

根據(jù)油田信息化建設(shè)的現(xiàn)狀和長(zhǎng)期目標(biāo)，建設(shè)和推廣基于TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)字化油田產(chǎn)品，對(duì)油田的安全和高效生產(chǎn)具有十分重要的意義。

在青海油田部分采油廠啟用MU-MIMO的新特性，在部分采油廠將時(shí)隙配比配置為3上行：1下行，為各個(gè)作業(yè)區(qū)提供了更高的傳輸帶寬，為進(jìn)一步豐富油田的數(shù)字化應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

在青海油田數(shù)字化油田建設(shè)過程中，對(duì)TD-LTE技術(shù)的新內(nèi)容和新特性進(jìn)行了深入的研究，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和新特性部署，使青海油田無(wú)線專網(wǎng)的關(guān)鍵性能和指標(biāo)有了很大的提高，為青海油田成功構(gòu)建了一個(gè)技術(shù)領(lǐng)先、功能專業(yè)、性能優(yōu)良、高度集成、面向行業(yè)應(yīng)用的TD-LTE無(wú)線寬帶生產(chǎn)管理系統(tǒng)，對(duì)于其它的石油企業(yè)，必將產(chǎn)生很大的示范作用。

本項(xiàng)目所研制開發(fā)的系統(tǒng)在油田成功部署和推廣應(yīng)用之后，我們還將面向煉化、海油、煤炭、核電、風(fēng)電等行業(yè)應(yīng)用，深入了解這些領(lǐng)域的發(fā)展需求，使得成熟先進(jìn)的通信、互聯(lián)網(wǎng)及其它信息技術(shù)能夠盡早成功應(yīng)用到涉及國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略行業(yè)領(lǐng)域，為這些行業(yè)的數(shù)字化和智能化建設(shè)提供更強(qiáng)、更高、更先進(jìn)的技術(shù)保障。