余麗 何長清

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田信息技術(shù)公司

隨著大慶油田近幾年井、站數(shù)字化工程的建設(shè)實施，部分周邊井場分布密集、數(shù)量較大的油水站場已逐漸配套建設(shè)了全景紅外成像預(yù)警雷達設(shè)備[1]。單套預(yù)警雷達設(shè)備的建成可滿足周邊3～5 km半徑范圍內(nèi)井場及站場的全監(jiān)控覆蓋，以采油八廠為例，單套雷達設(shè)備覆蓋井場數(shù)量約為320 座[2]。在氣田建設(shè)方面，大慶油田采氣分公司橫跨面積約5 600 km2，截至2019年底，共投產(chǎn)氣井219口，建成站場38座，平均每座站場下設(shè)氣井約6座。對此分布密集性低的數(shù)字化井場建設(shè)，從優(yōu)化建設(shè)投資的角度考慮，應(yīng)選擇單井安裝高清視頻監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)電子巡井。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟對比，井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回傳優(yōu)先選用無線傳輸方式。

1 井場常用無線通信技術(shù)及存在問題

目前國內(nèi)油氣田常用的無線傳輸模式有公網(wǎng)4G、專網(wǎng)4G、WLAN 無線網(wǎng)橋和PtMP（點對多點）微波等多種方式。

1.1 公網(wǎng)4G

井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)4G 無線網(wǎng)絡(luò)上傳時，井場設(shè)置終端DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）設(shè)備將井場RTU（遠程終端單元）、視頻監(jiān)控等IP 數(shù)據(jù)接入，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳[3]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，運營商采用VPDN（虛擬專用撥號網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，其利用隧道協(xié)議技術(shù)在撥號網(wǎng)絡(luò)中為油田企業(yè)用戶構(gòu)建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，將井場數(shù)據(jù)接入運營商VPDN平臺，經(jīng)過認證后，通過運營商與油田企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)專線電路，實現(xiàn)DTU 終端與企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)安全性方面，數(shù)據(jù)通過油田企業(yè)端設(shè)置的AAA（驗證、授權(quán)和記賬）服務(wù)器實現(xiàn)二次認證，并在運營商與企業(yè)之間建立L2TP（二層隧道協(xié)議），提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

存在問題：設(shè)計前需確認井場是否在公網(wǎng)4G基站覆蓋范圍內(nèi)；4G 基站覆蓋的終端設(shè)備上行帶寬能否滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸需求；運行期需產(chǎn)生流量費用。

1.2 專網(wǎng)4G

專網(wǎng)4G 是面向企業(yè)用戶提供的e-LTE 技術(shù)的無線專網(wǎng)設(shè)備，系統(tǒng)支持多種公共無線頻率（1.4 GHz/1.8 GHz/800 MHz/400 MHz）組網(wǎng)[4]。中心設(shè)備容量150 Mbit/s （上 行50 Mbit/s，下 行100 Mbit/s）。系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)由井場CPE（無線前置設(shè)備）、專網(wǎng)4G基站及核心網(wǎng)設(shè)備組成?；镜奈恢每梢愿鶕?jù)油田企業(yè)井場分布及CPE上行數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求，選擇適合的建站位置以最大化地有效覆蓋CPE設(shè)備。在數(shù)據(jù)安全方面設(shè)備提供雙向無線鑒權(quán)，該功能可以防止未經(jīng)授權(quán)的終端用戶使用網(wǎng)絡(luò)。用戶也可以使用鑒權(quán)功能防止接入到未知網(wǎng)絡(luò)，提高企業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

存在問題：相對于利用運營商4G 傳輸?shù)姆桨?，需額外配套建設(shè)和使用專網(wǎng)4G 基站、核心網(wǎng)設(shè)備；井場主要數(shù)據(jù)為上行業(yè)務(wù)，當(dāng)井場有大量高清視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求時，業(yè)務(wù)量將超過基站上行數(shù)據(jù)帶寬。

1.3 WLAN無線網(wǎng)橋

采用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問）技術(shù)的WLAN無線網(wǎng)橋系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)由中心設(shè)備、遠端設(shè)備組成，支持數(shù)據(jù)的點對點或點對多點傳輸。系統(tǒng)工作頻段在2.4～5.8 GHz 的公共免費頻段，一般僅支持數(shù)據(jù)間的LOS（可視）無線傳輸[5]。中心設(shè)備可外接120°或90°扇區(qū)天線，設(shè)備帶寬容量可達54～300 Mbit/s（1～4 個扇區(qū)），遠端站設(shè)備容量為10 Mbit/s 左右[6]。遠端站布署在井場通過IP 網(wǎng)絡(luò)接口接入井場數(shù)據(jù)，中心站可布署在有光纖傳輸系統(tǒng)接入的站場。在數(shù)據(jù)安全方面采用WEP（有線等效保密）及WPA/WPA2（WPA 與WPA2 兩種加密算法混合體）等方式。

存在問題：中心設(shè)備與遠端設(shè)備應(yīng)達到可視的傳輸條件，如現(xiàn)場不滿足條件需升高兩側(cè)設(shè)備安裝高度；采用的CSMA/CA 機制，多個終端自由競爭搶占至中心設(shè)備信道[7]，無法保證傳輸穩(wěn)定和持續(xù)性，密集部署干擾大。通常設(shè)計時建議1套中心站接入的遠端站數(shù)量不超過6個，降低了設(shè)備的最終吞吐量。

1.4 PtMP無線微波

PtMP 無線微波工作在4.91～5.97 GHz 公共頻段，系統(tǒng)由AP 及RT 組成。采用TDMA（時分多址）技術(shù)，通過有序的時隙資源分配[8]確保最多64個RT都能與1個AP建立持續(xù)可靠的連接，支持數(shù)據(jù)的點對點、點對多點及中繼方式傳輸。AP 支持最大750 Mbit/s 吞吐能力，RT 支持最大250 Mbit/s數(shù)據(jù)吞吐能力，上下行帶寬靈活可調(diào)，可匹配大量高清視頻回傳、寬帶接入和企業(yè)專線等各種場景。系統(tǒng)設(shè)備可靈活布署于視通（LOS）和部分非視通（NLOS）場景。加密方式采用AES 128 bit，RT 接入采用基于MAC 地址（媒體存取控制位址）的白名單方式，防止未經(jīng)授權(quán)的終端接入系統(tǒng)。

存在問題：在部分非可視條件下仍不能滿足傳輸需求時，需升高中心及遠端兩側(cè)設(shè)備安裝高度，以滿足傳輸需求。

2 PtMP無線微波優(yōu)越性

設(shè)備相對于其他無線傳輸技術(shù)具有超大吞吐容量、超強抗擾、環(huán)境適應(yīng)、簡易運維和增強以太網(wǎng)的特點。目前系統(tǒng)設(shè)備已應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域及平安城市建設(shè)項目中。具體優(yōu)越性如下：

（1）Sub 6G的工作頻段在大部分地區(qū)屬于免申請頻段，多個使用者自由使用Sub 6G 的頻譜資源。因此設(shè)備采用TDD（時分雙工模式）模式，在同一個信道中分時段發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，各終端設(shè)備根據(jù)接入的先后順序加入到AP 的接入隊列后，在AP的接收時隙內(nèi)排序向AP發(fā)送信號。該方式可以有效節(jié)約頻譜資源，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使兩端無線設(shè)備建立持續(xù)可靠的連接。

（2）除了視距傳輸?shù)臈l件外，無線微波信號在傳輸過程中出現(xiàn)部分遮擋時，能經(jīng)過反射、透射和衍射后達到終端（一般引起NLOS 情形的障礙包括：建筑、樹木等） 也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的非視距（NLOS）傳輸。

（3）支持AM（調(diào)幅）信道質(zhì)量自動調(diào)整調(diào)制模式。當(dāng)天氣劣化或有其他信號干擾時，自動采用低調(diào)制模式，保障鏈路的高可靠性，而在天氣晴好也無干擾信號時，自動采用高調(diào)制模式，提高鏈路的傳輸可靠性。

（4）支持自動選頻，可以根據(jù)當(dāng)前各頻點的信號等情況選出最優(yōu)頻點。在Sub 6G 免費頻段，用戶無需申請，可按需使用，所以各個頻點沒有統(tǒng)一規(guī)劃，可能會存在同頻干擾。而采用自動選頻的方式設(shè)置設(shè)備工作的頻點，在解決規(guī)劃困難的同時，AP 通過掃描可用信道的情況選擇最優(yōu)可工作信道。

（5）支持AES空口加密，可以增強微波鏈路傳輸客戶數(shù)據(jù)的安全性。相對于有線傳輸鏈路，無線微波信號鏈路存在被第三方捕獲的可能。當(dāng)?shù)谌侥軌蚧谖⒉◣袷綄Σ东@的微波信號進行解析時，就有可能獲取數(shù)據(jù)信息[9]。油田企業(yè)客戶可以通過AES空口加密特性對微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)進行加密，在鏈路層進一步增強微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)的安全性。

（6）可快速布署，維護簡易，AP、RT 設(shè)備支持POE（基于局域網(wǎng)的供電），中心站AP支持通過WLAN模塊實現(xiàn)塔下手機APP管理、運維，支持遠程WEB網(wǎng)管。同時，終端RT設(shè)備支持免配置快速開局調(diào)試。

3 結(jié)束語

無線技術(shù)在數(shù)字化井場的應(yīng)用中不但可以避免井場光纖建設(shè)的高投資、高維護量、長建設(shè)周期的情況，當(dāng)井場停產(chǎn)后無線設(shè)備仍可利舊用于其他生產(chǎn)井場。而PtMP 無線微波技術(shù)在數(shù)字化井場建設(shè)工程中提供了井場至站場“最后幾公里”的可靠通信方案，其中心站AP 的大帶寬吞吐量及多遠端站的接入能力，可滿足分布密集型且有高清視頻實時傳輸需求的數(shù)字化井場建設(shè)。