基于信道編碼技術(shù)的智能油田數(shù)據(jù)傳輸方案研究

孫旭華，卜宏博，付旭，王靜怡

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，加之ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中逐漸呈現(xiàn)出來(lái)，國(guó)際上大部分石油機(jī)構(gòu)都對(duì)ZigBee技術(shù)在油田中的應(yīng)用做了大量研究，如何能將現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)很好的應(yīng)用到油田系統(tǒng)中，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)油田物聯(lián)網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2013年，Savazzi等[1]研究了油氣工業(yè)主要采用無(wú)線傳感器技術(shù)來(lái)探測(cè)和開(kāi)采油氣。曹等[2]將ZigBee技術(shù)與WiFi技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了油田數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，但由于實(shí)際中油田地理環(huán)境惡劣，中繼轉(zhuǎn)換器很容易受到惡略因素的影響而逐個(gè)死亡，但文中并未對(duì)中繼轉(zhuǎn)換器的性能提升及其抗干擾、抗噪聲等方面進(jìn)行進(jìn)一步探討。2016年，宋等[3]研究了ZigBee技術(shù)在油田聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，但是由于聯(lián)合站實(shí)際應(yīng)用中大型設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸和控制指令發(fā)送的不穩(wěn)定，文中沒(méi)有給出相應(yīng)的安全措施。2017年，Akkas等[4]研究了如何在油氣井中流采用最佳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道條件、完整性、泄露、腐蝕和破壞等情況。Khan等[5]總結(jié)了目前使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行油氣監(jiān)控的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，沒(méi)有涉及到具體的技術(shù)和方案。

現(xiàn)有的大部分成果都是采用GPRS、藍(lán)牙和WiFi等技術(shù)研究了油田現(xiàn)場(chǎng)短距離設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，但是在油田開(kāi)發(fā)初期或者在沒(méi)有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如何能實(shí)現(xiàn)短距離的數(shù)據(jù)無(wú)線可靠傳輸，目前還沒(méi)有看到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文采用無(wú)線通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)——信道編碼技術(shù)的理論來(lái)研究這一問(wèn)題。文中擬采用ZigBee技術(shù)，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)滯后的數(shù)字油田監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難、容易遭受外界干擾、信號(hào)傳輸出錯(cuò)率高等問(wèn)題給出一個(gè)基于信道編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方案。

1 基于短距離傳輸策略的單井通信模型

針對(duì)一個(gè)ZigBee采集設(shè)備[6]，一個(gè)井口控制單元和一個(gè)信息監(jiān)控中心構(gòu)成的單井通信模型中如圖1所示。ZigBee采集設(shè)備與信息監(jiān)控中心之間的信息傳輸由兩個(gè)階段完成。首先，采集端ZigBee設(shè)備采集到表征溫度、油壓、套壓、載荷、電力參數(shù)等的油井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；其次，井口控制單元根據(jù)采集端ZigBee設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，采用不同的信道編碼技術(shù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)，信息監(jiān)控中心則根據(jù)不同的編碼方式對(duì)收到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行譯碼，得到井口控制單元的估計(jì)信息。

2 基于短距離傳輸策略的數(shù)據(jù)傳輸方案

已有大量文獻(xiàn)采用現(xiàn)有WiFi和藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行短距離油田通信，但是對(duì)于環(huán)境較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)短距離智能設(shè)備間的可靠通信，尚未看到有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。油田現(xiàn)場(chǎng)的短距離通信如圖1所示（如井口控制單元1與信息監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸），本文擬采用信道編碼技術(shù)的理論給出數(shù)據(jù)傳輸方案。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸總思路

單井通信模式中各ZigBee采集設(shè)備、井口控制單元和信息監(jiān)控中心之間的距離不遠(yuǎn)，另外實(shí)際中的油田井口需要原油各參數(shù)、圖像等數(shù)據(jù)的采集，這些信息的數(shù)據(jù)量較大，所以如何選擇合理的信道編碼是設(shè)計(jì)單井模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。由于油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)各種油田數(shù)據(jù)的要求不同，例如對(duì)于石油的含水量、壓力等參數(shù)的傳輸要高效、準(zhǔn)確，即必須盡可能地降低數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，而對(duì)于油田監(jiān)控設(shè)備的聲音、圖像等信息，即使有一些信息顯示不完全，也不會(huì)影響整體信息的讀取，但是這類信息需要較高的傳輸效率。針對(duì)油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳輸不同數(shù)據(jù)，擬采用不同信道編碼技術(shù)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.2 針對(duì)數(shù)據(jù)種類較少的傳輸方案

如果智能ZigBee采集設(shè)備采集到的需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類比較少時(shí)，每個(gè)井口控制單元采用信道編碼中的短碼-Polar碼對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過(guò)廣播形式發(fā)送給監(jiān)控中心，從而保證數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。井口控制單元和監(jiān)控中心采用的信道編碼——Polar碼[7]。Polar碼是極化碼，是第一種能夠被嚴(yán)格證明達(dá)到信道容量的信道編碼。2016年，Polar碼已經(jīng)被正式列入5G短碼的最終方案。其中的編譯碼原理如下：①基于高斯近似的構(gòu)造方法：主要的構(gòu)造思想是采用信道極化。這里將信道分類兩類：一類是趨于無(wú)噪的信道；另一類是近似全噪的信道。各井口控制單元通過(guò)采用高斯近似估計(jì)各自子信道輸出數(shù)據(jù)軟信息的均值，選擇均值最大的K個(gè)子信道傳輸有用信息比特，其余子信道用來(lái)傳輸固定信息比特（對(duì)應(yīng)性能較差的信道）。②連續(xù)抵消譯碼算法：監(jiān)控中心按照譯碼樹(shù)進(jìn)行順序譯碼。譯碼器需要在樹(shù)的每一層分別計(jì)算當(dāng)前譯碼比特是0和1的概率，然后選擇概率大的作為其硬判決值，該比特就是固定比特，直接將其判決為收發(fā)雙方約定的比特。

2.3 針對(duì)數(shù)據(jù)種類較多的傳輸方案

如果智能ZigBee采集設(shè)備采集到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類比較多時(shí)，每個(gè)井口控制單元油井采用信道編碼的長(zhǎng)碼-LDPC碼對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過(guò)廣播形式發(fā)送給監(jiān)控中心，從而保證數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。井口控制單元和監(jiān)控中心采用的信道編碼——LDPC碼[8]。LDPC碼是低密度奇偶校驗(yàn)碼，是一種非常逼近香農(nóng)限、性能優(yōu)越、實(shí)用的線性分組碼。2016年，LDPC碼已經(jīng)被正式列入5G長(zhǎng)碼的最終方案。如下：①LDPC碼的縮短算法：各井口控制單元采用基于高斯近似方法來(lái)設(shè)計(jì)縮短算法，該算法是通過(guò)減少碼字中信息位的長(zhǎng)度，從而降低碼率，并使實(shí)際參與傳輸?shù)拇a字長(zhǎng)度變短。之后設(shè)置等概的可靠度來(lái)實(shí)現(xiàn)刪余。②LDPC碼的譯碼算法：在縮短信息位置已知的前提下，監(jiān)控中心給這些縮短的位置以無(wú)限大的可靠度后，通過(guò)置信傳播（BP）迭代譯碼算法恢復(fù)的刪余比特，恢復(fù)母碼的原始長(zhǎng)度，依據(jù)母碼的校驗(yàn)矩陣可以實(shí)現(xiàn)一系列低碼率縮短速率兼容LDPC碼的譯碼。

3 總結(jié)

綜上所述，為了保障在相對(duì)落后的沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)的油田在低功耗下可靠運(yùn)行，本文給出了基于多種不同數(shù)據(jù)類型下的數(shù)據(jù)傳輸方案。根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型的多少，該方案采用不同的信道編碼技術(shù)，從而保證數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸，為進(jìn)一步研究基于無(wú)線通信技術(shù)的現(xiàn)代智能油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。