海上油氣田SDH光纖通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

謝金洪，李小鵬，高建梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海上油氣田SDH光纖通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

謝金洪，李小鵬，高建梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

隨著油田生產(chǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃砸蟮奶岣?，同步?shù)字體系(SDH)光纖通信網(wǎng)在海上油氣田得到了廣泛應(yīng)用。從構(gòu)網(wǎng)形式與自愈環(huán)、幀結(jié)構(gòu)與速率兩方面介紹了SDH這種新型光纖通信網(wǎng)技術(shù)，并以CFD11項(xiàng)目為實(shí)例從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光纖設(shè)計(jì)和光端設(shè)備設(shè)計(jì)三方面闡述了設(shè)計(jì)過程。實(shí)踐證明SDH是一種符合海上油氣田應(yīng)用要求的光纖通信網(wǎng)技術(shù)。

海上油氣田；通信；同步數(shù)字體系；準(zhǔn)同步數(shù)字體系；CFD11油氣田

0 引 言

光纖通信網(wǎng)應(yīng)用于油田群內(nèi)部平臺(tái)與平臺(tái)、平臺(tái)與浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)之間的綜合數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)使用準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)技術(shù)為傳送體系。近年來油田生產(chǎn)的信息化、自動(dòng)化程度不斷提高，要求光纖通信網(wǎng)具有更快的速率和更高的可靠性。在CFD11油氣田開發(fā)項(xiàng)目中，業(yè)務(wù)傳輸對(duì)光纖通信網(wǎng)提出了新要求：一方面對(duì)速率的要求比以往項(xiàng)目都高，綜合速率達(dá)320 Mb/s，傳輸業(yè)務(wù)有視頻數(shù)據(jù)、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)、中控?cái)?shù)據(jù)和電話數(shù)據(jù)；另一方面對(duì)可靠性的要求也比以往高，使用環(huán)形構(gòu)網(wǎng)達(dá)到鏈路冗余，當(dāng)一支路損壞后，自動(dòng)倒換到另一支路工作。傳統(tǒng)的PDH傳送體系是一種逐級(jí)復(fù)接的電傳送體系，其最高傳輸速率為E4 140 Mb/s，無法滿足速率要求。同時(shí)在組成環(huán)網(wǎng)時(shí)，設(shè)備需從2 Mb/s到140 Mb/s逐級(jí)復(fù)接，構(gòu)網(wǎng)復(fù)雜，設(shè)備可靠性難以保證。而同步數(shù)字體系(SDH)具有52 Mb/s～40 Gb/s的高速率幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)擁有分插復(fù)用器(ADM)，能方便地組成自愈環(huán)。本文介紹了海上油氣田SDH光纖通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)，研究SDH技術(shù)在海上油氣田的應(yīng)用方式，并通過實(shí)踐檢驗(yàn)應(yīng)用效果。

1 SDH技術(shù)原理

SDH是由一些網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成的，在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分叉和交叉連接的傳送網(wǎng)絡(luò)[1]?？梢赃@么形容：SDH相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的“軟件”，光纖傳輸網(wǎng)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的“硬件”。如圖 1所示，SDH、PDH和幀中繼都是傳送網(wǎng)技術(shù)，建立于光纖、微波等傳輸網(wǎng)之上。

圖1 傳送網(wǎng)與傳輸網(wǎng)示意圖Fig.1 Logical transmitting network and physical transmitting network

同步數(shù)字體系的研究最先開始于美國(guó)貝爾通信研究所。1986年國(guó)際電信協(xié)會(huì)(ITU-T)在前期研究的基礎(chǔ)上開展這方面的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，提出了SDH的概念。1988年ITU-T通過了第一批標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)速率、幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用方式等基本內(nèi)容做出了規(guī)定[2]。截至1995年已通過了SDH的16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在構(gòu)網(wǎng)形式、光接口、設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)管理等方面予以規(guī)范，至此其內(nèi)容和基本結(jié)構(gòu)已定。隨后，在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，形成了完整的光纖數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)電信從1994年開始在干線上應(yīng)用SDH光纖通信網(wǎng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于省級(jí)干線網(wǎng)、省內(nèi)干線網(wǎng)、市內(nèi)中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)。近年來SDH光纖通信網(wǎng)在專網(wǎng)建設(shè)中也得到了廣泛引用。具體到國(guó)內(nèi)海上油氣田，SDH光纖通信網(wǎng)首先應(yīng)用于CFD11項(xiàng)目，即將在LD、LF13-2、NB35-2項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

1.1 構(gòu)網(wǎng)與自愈環(huán)

ITU-T出于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、組網(wǎng)應(yīng)用和規(guī)范設(shè)備的需要，將SDH設(shè)備分為四種：終端復(fù)用器(TM)、再生中繼器(REG)、分插復(fù)用器和數(shù)字交叉連接器(DXC)，如圖2所示。由這些設(shè)備可構(gòu)成線形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)四種網(wǎng)絡(luò)。

圖2 SDH設(shè)備和構(gòu)網(wǎng)形式Fig.2 SDH equipment and network structure

自愈環(huán)是指采用分插復(fù)用器組成，具有鏈路自愈保護(hù)功能的環(huán)形網(wǎng)，如圖3所示。其原理為采用兩根光纖作為鏈路，其中一根為主用光纖S1，一根為保護(hù)光纖P1。發(fā)送端C同時(shí)將數(shù)據(jù)分別沿兩個(gè)方向傳輸，接收端A選取其中的一路作為有效數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)中一光纖斷裂或損壞時(shí)，接收端將自動(dòng)倒換接收保護(hù)光纖的信號(hào)，使業(yè)務(wù)維持正常，無數(shù)據(jù)丟失。

圖3 自愈環(huán)原理圖Fig.3 Schematic diagram of self-healing ring network

1.2 幀結(jié)構(gòu)與速率

SDH傳輸基本單位為幀，由二進(jìn)制數(shù)據(jù)構(gòu)成。如圖4所示，ITU-T對(duì)SDH幀結(jié)構(gòu)采用了一種矩形塊的方式來描述。對(duì)于不同速率的幀，N級(jí)同步傳輸模塊(STM-N)由9行、270×N列字節(jié)組成。整個(gè)幀結(jié)構(gòu)可以分為3個(gè)區(qū)域：開銷區(qū)、指針區(qū)和信息凈荷區(qū)[3]。

圖4 SDH數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of SDH data frame

SDH具有規(guī)范化的數(shù)據(jù)傳輸速率，以不同幀結(jié)構(gòu)STM-N進(jìn)行傳輸。目前已經(jīng)規(guī)范的N值為0、4、16、64、256。STM-N傳輸速率均為155 Mb/s的N倍，表1列出了SDH規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)速率值[4]。

表1 SDH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)速率Table 1 Standard data transmission speed for SDH network

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

CFD11項(xiàng)目一期工程主要設(shè)施包括一座井口平臺(tái)WHPA、一座集輸平臺(tái)WGPA、一艘FPSO及單點(diǎn)系泊(SPM)系統(tǒng)，如圖5所示。FPSO與WGPA之間距離為2.54 km，預(yù)設(shè)兩根復(fù)合電纜；WGPA和WHPA之間距離為7.85 km，預(yù)設(shè)一根復(fù)合電纜。光端傳輸設(shè)備布置于報(bào)房和中控室內(nèi)，各點(diǎn)間傳輸路由略長(zhǎng)于平臺(tái)間距。FPSO-WGPA、WGPA-WHPA、WHPA-FPSO三路由長(zhǎng)度分別為3.24 km、8.25 km和11.49 km。整個(gè)SDH光纖通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)包括三部分：SDH系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光纖設(shè)計(jì)和光端設(shè)備設(shè)計(jì)。

圖5 CFD11項(xiàng)目構(gòu)網(wǎng)環(huán)境Fig.5 SDH network application environment of CFD11 project

2.1 SDH系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CFD11項(xiàng)目SDH系統(tǒng)使用自愈環(huán)構(gòu)網(wǎng)，物理形式為線形網(wǎng)，邏輯形式為環(huán)形網(wǎng)。圖6為光纖通信網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。FPSO、WGPA和WHPA三點(diǎn)均使用ADM光端設(shè)備。SDH系統(tǒng)分別連接閉路電視(CCTV)系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、中控系統(tǒng)和局域網(wǎng)系統(tǒng)，為其提供綜合數(shù)據(jù)傳輸。CCTV系統(tǒng)以FPSO為監(jiān)視方，對(duì)WGPA和WHPA生產(chǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)視，在FPSO上設(shè)置兩路監(jiān)視信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連，WGPA和WHPA各設(shè)一路監(jiān)視信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連，每路監(jiān)視信號(hào)包括一路控制信號(hào)和一路視頻信號(hào)。電話系統(tǒng)以FPSO為主程控交換，WGPA和WHPA為子程控交換，F(xiàn)PSO上設(shè)置兩路語(yǔ)音傳輸信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連，WGPA和WHPA各設(shè)一路語(yǔ)音傳輸信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連。中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸為FPSO、 WGPA和WHPA三點(diǎn)互傳控制數(shù)據(jù)，三點(diǎn)各設(shè)兩路冗余信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連。局域網(wǎng)系統(tǒng)以FPSO、WGPA和WHPA形成一個(gè)局域網(wǎng)，經(jīng)WGPA衛(wèi)星系統(tǒng)接入廣域網(wǎng)，三點(diǎn)各設(shè)一路信號(hào)與SDH系統(tǒng)相連。

2.1.1 傳輸速率

依據(jù)各系統(tǒng)傳輸業(yè)務(wù)的需要，分別統(tǒng)計(jì)FPSO、WGPA、WHPA傳輸速率要求，如表2所示。各節(jié)點(diǎn)所要求的速率基本一致，其中FPSO稍高，為320 Mb/s。系統(tǒng)選用STM-4 622 Mb/s作為其傳輸速率，滿足現(xiàn)有速率的要求，同時(shí)預(yù)留足夠的業(yè)務(wù)擴(kuò)展空間。

表2 FPSO、WGPA和WHPA傳輸速率要求Table 2 Data transmission speed requirement of FPSO/WGPA/WHPA network Mb/s

2.1.2 工作波長(zhǎng)

SDH系統(tǒng)可采用1 310 nm和1 550 nm波長(zhǎng)傳播，1 310 nm波長(zhǎng)適用于40 km以內(nèi)傳輸，1 550 nm波長(zhǎng)適用于超長(zhǎng)距離和波分復(fù)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳輸距離2～12 km以內(nèi)，屬于短距離傳輸，采用1 310 nm工作波長(zhǎng)完全能滿足需求。

2.1.3 鏈路計(jì)算

鏈路計(jì)算用于判斷整個(gè)鏈路的損耗和色散是否滿足SDH標(biāo)準(zhǔn)光接口要求。鏈路的色散過大將導(dǎo)致傳輸?shù)恼`碼率過高，損耗過大或過小則影響光功率接收。ITU-T G.957“SDH相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的接口”對(duì)不同光接口的損耗和色散做了相應(yīng)規(guī)定。根據(jù)系統(tǒng)工作波長(zhǎng)、傳輸距離和速率選擇光接口S-4.1，其對(duì)鏈路損耗的范圍為0～12 dB，最大色散為46 ps/nm。分別計(jì)算了FPSO-WGPA、WGPA-WHPA、WHPA-FPSO三條鏈路的損耗和色散。計(jì)算中，鏈路損耗等于光纖的總損耗加上光纖熔接損耗，鏈路色散就是光纖的總色散。單位長(zhǎng)度光纖損耗和色散按G.652光纖取值，分別為0.3～0.4 dB/km和3.5 ps/(nm·km)，光纖熔接損耗按0.1 dB估計(jì)。

圖6 CFD11項(xiàng)目光纖通信網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.6 Fiber optic telecommunication system diagram of CFD11 project

計(jì)算公式為

A=L·AL+N·AC，

(1)

P=L·PL，

(2)

式中：A為鏈路的損耗，dB；P為鏈路的色散，ps/nm；L為鏈路的總長(zhǎng)度，km；AL為光纖損耗，dB/km；N為光纖熔接次數(shù)；AC為光纖熔接損耗，dB；PL為光纖色散，ps/(nm·km)。

具體的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于FPSO-WGPA鏈路，A為1.3～1.7 dB，P為12 ps/nm；對(duì)于WGPA-WHPA鏈路，A為2.8～3.7 dB，P為29 ps/nm；對(duì)于WHPA-FPSO鏈路，A為4.1～5.3 dB，P為41 ps/nm。計(jì)算結(jié)果表明，三條鏈路的損耗和色散均滿足光接口要求。

2.2 光纖設(shè)計(jì)

光纖鏈路上使用兩種光纖，一種為海底光纖，復(fù)合于復(fù)合電纜之中；另一種為海上光纖，鋪設(shè)于平臺(tái)和FPSO上。在導(dǎo)光特性上對(duì)兩種光纖的要求是一致的，均應(yīng)滿足SDH系統(tǒng)的要求。在物理特性上，海底光纖應(yīng)符合海底復(fù)合電纜環(huán)境要求，海上光纖應(yīng)符合平臺(tái)和FPSO的環(huán)境要求。

2.2.1 導(dǎo)光特性

ITU-T規(guī)定SDH系統(tǒng)可使用G.652、G.653、G.654、G.655四種光纖，每種光纖對(duì)應(yīng)一種傳輸特性。G.652光纖是現(xiàn)在使用最廣泛的光纖，是1 310 nm性能最佳光纖，工藝成熟，成本相對(duì)較低，適用于40 km以內(nèi)[4]。根據(jù)CFD11項(xiàng)目的要求，選用G.652光纖完全能滿足，其主要參數(shù)如表3所示。其中光纖的模場(chǎng)直徑為光束在光纖中的傳輸直徑，要求與光端機(jī)發(fā)射光束直徑相匹配；光纖色散為光束多路徑傳輸而引起的波形畸變，用于限制數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率；光纖損耗限制光纖不因光功率過大或過小導(dǎo)致光端機(jī)無法接收。

表3 光纖導(dǎo)光特性Table 3 Transmission parameters of the optical fiber

2.2.2 海底光纖物理特性

海底光纖復(fù)合于海底復(fù)合電纜中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮海纜施工、熔接和工作環(huán)境，使其在極限環(huán)境下不被破壞，在惡劣環(huán)境下能正常工作。根據(jù)海纜規(guī)格和施工方式，規(guī)定海底光纖物理特性，如表4所示。海底光纖的最大外徑要求與海纜的結(jié)構(gòu)相匹配，不影響電纜和光纖的性能；最大抗拉性防止光纖在施工時(shí)由于敷設(shè)拉力過大而導(dǎo)致?lián)p壞；工作溫度要求光纖在電纜應(yīng)急時(shí)刻產(chǎn)生的溫度下能正常傳輸；生存溫度要求光纖能承受海底電纜發(fā)生短路時(shí)所產(chǎn)生的溫度。

表4 海底光纖物理特性Table 4 Physical parameters of the subsea optical fiber

2.2.3 海上光纖物理特性

海上光纜的物理參數(shù)應(yīng)滿足電纜總規(guī)格書中對(duì)室外電纜的總體要求，并且符合表5中的參數(shù)要求。

表5 海上光纖物理特性Table 5 Physical parameters of the platform optical fiber

2.3 光端設(shè)備設(shè)計(jì)

光纖系統(tǒng)選用速率等級(jí)為STM-4的ADM分插復(fù)用器，工作波長(zhǎng)為1 310 nm，傳輸距離為2～12 km。光端設(shè)備設(shè)計(jì)包括光接口和數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)。

2.3.1 光接口特性

光端設(shè)備的光接口是指光端機(jī)與光纖的接口。本系統(tǒng)所選用的光接口為S-4.1，參數(shù)選擇如表6所示。發(fā)射功率、靈敏度和過載點(diǎn)為光端機(jī)的功率特性，與光纖鏈路的功率損耗相匹配；均方根譜寬表示光束發(fā)射的能量集中程度，要求與光纖參數(shù)相匹配；消光比是類似于功率/噪聲比的一個(gè)參數(shù)，其值越大代表光傳輸效果越好。

2.3.2 數(shù)據(jù)接口

數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)需考慮光端設(shè)備業(yè)務(wù)接口的物理和電氣性能。以各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為依據(jù)，參照G.703“分級(jí)數(shù)字接口物理電氣特性”，對(duì)數(shù)據(jù)接口形式給出表7所示規(guī)定。

表6光接口特性
Table6Parametersoftheopticalports

表7 數(shù)據(jù)接口形式Table 7 Specification of the data ports

3 結(jié) 語(yǔ)

在CFD11項(xiàng)目中，SDH技術(shù)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海上油氣田的首次應(yīng)用。在項(xiàng)目施工階段，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員反饋信息證明SDH光纖通信網(wǎng)傳輸速率完全滿足要求，最高速率達(dá)622 Mb/s，同時(shí)具有快速的鏈路保護(hù)倒換，倒換時(shí)間小于3 ms。

SDH技術(shù)在CFD11項(xiàng)目的應(yīng)用表明：(1) SDH技術(shù)具有統(tǒng)一形式的幀結(jié)構(gòu)，提供了高速率的數(shù)據(jù)傳輸；(2) 利用分插復(fù)用器能靈活地組成自愈環(huán)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性；(3) 能提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻等綜合業(yè)務(wù)傳輸；(4) 提供標(biāo)準(zhǔn)的光接口，簡(jiǎn)化了光纖通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程；(5) SDH幀結(jié)構(gòu)中有大量開銷字節(jié)，提供了很強(qiáng)的運(yùn)行、管理、維護(hù)功能。

基于CFD11項(xiàng)目的成功運(yùn)用，SDH技術(shù)隨后在其他項(xiàng)目中得到了推廣，并逐步成為海上油氣田光纖通信網(wǎng)設(shè)計(jì)的首選方式。

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DesignandApplicationofSDHFiberOpticNetworkforOffshoreOilandGasField

XIE Jin-hong, LI Xiao-peng, GAO Jian-mei

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

As the growing needs of data transmission rate and reliability in oil field production, synchronous digital hierarchy (SDH) fiber optic network is applied to offshore oil fields. We introduce such a new fiber optic network technology from two aspects, i.e., network structure and self-healing ring network, and frame structure and transmission rate. The design method, optical fiber design and design of optical terminal equipment are analyzed using the CFD11 project as an example. Through the successful application in the project, we draw a conclusion that the SDH technology is completely applicable to offshore oil and gas fields.

offshore oil and gas field; communication; synchronous digital hierarchy; plesiochronous digital hierarchy; CFD11 oil and gas field

2015-04-21

謝金洪(1979—)，男，工程師，主要從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)。

TE54；TN915

A

2095-7297(2015)03-0209-06