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

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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與中心平臺之間無海底光纜敷設(shè),平臺之間需傳輸DCS生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷、語音、視頻等信號。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)備相對成熟,但在國內(nèi)海上油氣田尚未推廣使用。通過比對單獨敷設(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；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]。基于安全生產(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、視頻等信號通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行钠脚_或陸地生產(chǎn)調(diào)度指揮中心進行集中管控、綜合處理與分析,從而達到生產(chǎn)操作自動化、生產(chǎn)運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?(如臺風、雨、霧等)引起的干擾[3]；同時各個海上平臺分布比較分散,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)擴充性強,且設(shè)備安裝方便簡單,能夠快速接入[4]。在實際項目應(yīng)用中,井口平臺與中心平臺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,同時無線傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)簡單,部署靈活,可實現(xiàn)點到面的覆蓋,降低生產(chǎn)成本[5]。

1項目概況及通信需求

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

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

PRP平臺與WHPA平臺之間相距約20 km,CEPB 與WHPE平臺之間相距約18 km,同時該氣田所處海域受臺風影響大,因此必須建立穩(wěn)定可靠的傳輸鏈路,滿足油田對無人井口平臺實現(xiàn)遠程控制、視頻監(jiān)控、語音等信號可靠傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖1　中國某海上氣田各平臺相對位置

2通信鏈路方案比選

2.1光纖方案

在不考慮經(jīng)濟效益的情況下,要實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的鏈路傳輸,海底光纜通信是首選[6]。本項目需要在PRP平臺與無人井平臺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設(shè)計要求,具有高可靠性、低維護、設(shè)計壽命長的優(yōu)點[7],但是投資費用極高,除材料費以外還需施工費、租用船舶費、人工費等，且維護費用很高。

2.2微波技術(shù)方案

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

本方案優(yōu)點是傳輸容量較大,初始投資低(總費用在百萬左右,包括安裝、施工、維護費用)；缺點是由于工作于公共頻率,可用頻點有限,在采用多條點對點微波鏈路組網(wǎng)時,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)定性會影響關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量[8]；該氣田所處海域臺風頻繁,對傳統(tǒng)微波鏈路影響較大,微波天線易受風浪影響,產(chǎn)生抖動或方向偏移,會發(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)目前項目特點及經(jīng)濟投資狀況,最有效的解決辦法是找到能適應(yīng)海上環(huán)境,并能保證在臺風模式下天線能夠?qū)挂欢ǚ纫苿拥臒o線傳輸技術(shù)[9]。4 G 分時長期演進(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)技術(shù),是移動通信寬帶化的無線接入系統(tǒng),具有扇區(qū)型覆蓋、支持移動性、抗干擾能力強等特點[10],擬用在該項目中。

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

需要在PRP、CEPB 平臺建設(shè)兩臺基站,在無人井口平臺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 無線信號覆蓋周圍新建和已建的海上平臺和平臺間的海面。LTE 核心網(wǎng)和網(wǎng)管設(shè)備安裝在PRP 平臺。CEPB 平臺區(qū)域數(shù)據(jù)由海底光纜傳回PRP平臺。各井口平臺數(shù)據(jù)回傳到PRP 平臺的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。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋見圖2,PRP 平臺基站采用兩扇區(qū)配置,CEPB 平臺采用一扇區(qū)配置。

圖2　4 G TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋圖

本方案的投資費用適中,終端天線允許在30度角度內(nèi)轉(zhuǎn)動,滿足臺風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)性相對較高,非常適合油田組網(wǎng)。雖然前期投入相對較多,但后期新平臺的接入只需增加投資費用較低的CPE終端設(shè)備,無需對基站和核心網(wǎng)進行改造,即可實現(xiàn)快速入網(wǎng),既經(jīng)濟又高效,而且未來可以擴展油氣田的智能化管理業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如將4G工業(yè)級手持終端應(yīng)用于現(xiàn)場在線實時巡檢、數(shù)據(jù)視頻實時回傳、人員動態(tài)管理、物流動態(tài)管理等工作[11]。

2.4技術(shù)方案比選

無人井口平臺與中心平臺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。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)濟投資方面相對較優(yōu),各項參數(shù)能夠滿足中心平臺對無人井口平臺的遠程控制功能,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)實現(xiàn)鏈路傳輸。

34 G TD-LTE 系統(tǒng)特性

3.1支持移動性應(yīng)用

4 G TD-LTE技術(shù)優(yōu)勢即為支持移動性應(yīng)用,在移動條件下具有穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸能力,理論支持的移動速度為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(增強覆蓋抑制干擾),在波束覆蓋范圍內(nèi)可實現(xiàn)干擾抑制,可以對抗移動所帶來的傳播環(huán)境快速變化,實現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸[13]。此外,4 G TD-LTE采用自動請求重傳(ARQ)、混合自動請求重傳(HARQ)等多種服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制技術(shù)。數(shù)據(jù)無法到達接收端或出現(xiàn)錯誤時,系統(tǒng)會啟動ARQ和HARQ重傳機制,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,大大增強接收信號強度,有效降低海面衰落對信號的影響[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)點少,設(shè)計組網(wǎng)簡單,端到端最小傳輸時延<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[16]；LTE支持全IP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。

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(或移動用戶終端UE)[18]。TD-LTE設(shè)備采用全IP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]。

在該項目中,TD-LTE 核心網(wǎng)與網(wǎng)管安裝在PRP 平臺上,通過平臺內(nèi)的IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸,連接本平臺兩扇區(qū)基站,通過海底光纜連接CEPB 平臺的另一扇區(qū)基站。兩臺基站的TD-LTE 信號覆蓋周圍的海上平臺,各井口平臺上的控制信號、視頻和語音信號接入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。中心平臺安裝4 G TD-LTE基站采用兩個信號覆蓋扇區(qū),分別指向附近兩個井口平臺,單站覆蓋半徑35 km。兩個井口平臺分別安裝4 G TD-LTE無線終端1臺,語音和數(shù)據(jù)信號通過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,時隙配比使用IU∶3D。

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

圖4　上下行接收功率隨時間變化

圖5　上下行接收信噪比隨時間變化

圖6　上下行業(yè)務(wù)速率隨時間變化

測試結(jié)果：

1)上下行功率及信噪比的變化不會對業(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、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；大霧大雨天氣對系統(tǒng)各項性能指標有一定影響,但是對上行和下行傳輸帶寬無明顯影響。

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

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

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,無需對基站和核心網(wǎng)進行改造,在未來海上智能油氣田建造中,可采用多個4 G TD-LTE基站覆蓋盡可能多的海域,將周邊平臺、移動船舶等設(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)相互融合補充,達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，主要從事海上平臺通信系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)監(jiān)測等工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.018