無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在某油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

尼加提·阿尤甫 呂穎璇 袁驍 耿霖峰 劉鑫

【摘要】? ? 西部某油田地處邊疆偏遠(yuǎn)地區(qū)，油井多為無人區(qū)，幾乎無電信運(yùn)營商的光纜和無線基站信號覆蓋。給油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)帶來諸多不便，本文結(jié)合油田生產(chǎn)的實(shí)際需求，對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了對比分析，本著高“效費(fèi)比”的原則對該無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了討論與構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了TD-LTE 4G和無線網(wǎng)橋混合組網(wǎng)模式，為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了有力支持。

【關(guān)鍵詞】? ? 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)? ? TD-LTE 4G? ? 帶寬? ? 無線網(wǎng)橋? ? 物聯(lián)網(wǎng)

一、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是利用電磁波發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的非線纜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有較強(qiáng)的移動性和靈活性特征，它突破了有線模式束縛，實(shí)現(xiàn)了用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任何地方的數(shù)據(jù)傳輸和交互，它具有：

1.1安裝便攜

網(wǎng)絡(luò)布線施工工程在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中施工工期最長，對周邊環(huán)境影響較大，特別是在石油行業(yè)中，危險(xiǎn)區(qū)域較多，地下管線復(fù)雜，簡單的開挖動土，都要經(jīng)過極嚴(yán)格的審批，浪費(fèi)了大量人力和物力。而無線網(wǎng)絡(luò)一般只安裝一個或多個AP設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)。

1.2高移動性

由于擺脫了線纜束縛，只要有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，現(xiàn)場操作人員就可以進(jìn)行移動辦公。

1.3可擴(kuò)充性強(qiáng)

無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，打破有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的局限性，可根據(jù)現(xiàn)場的情況靈活配置，距離長增加中繼，用戶多增加AP，不用時還可以移動到其他區(qū)域，特別適合于我們油井場所。

無線通信技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，主要形成了TD-LTE 4G、McWill （Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環(huán)路）、無線網(wǎng)橋及無線WIFI等技術(shù)。

二、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對比

通過技術(shù)對比，無線網(wǎng)橋更適合點(diǎn)對點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸，WIFI覆蓋范圍只為100m，MCWill帶寬無法滿足多單井同時傳輸視頻的要求，LTE是由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，包含F(xiàn)DD和TDD兩種模式，用于成對頻譜和非成對頻譜。TDD即時分雙工（Time Division Duplexing），是移動通信技術(shù)使用的雙工技術(shù)之一，與FDD頻分雙工相對應(yīng)。TD-LTE是TDD版本的LTE的技術(shù)。TD-LTE技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：

2.1優(yōu)點(diǎn)

（1）頻譜利用率高;

（2）對功控要求低。

2.2缺點(diǎn)

（1）同步要求高 TD需要GPS同步，同步的準(zhǔn)確程度對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要;

（2）碼資源受限TD 碼數(shù)少于業(yè)務(wù)需求的量;

（3）干擾問題;

（4）較慢的移動速度。

由表1可知：TD-LTE網(wǎng)絡(luò)作為高帶寬、低時延、低成本、廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)平臺，可以很好的實(shí)現(xiàn)一線井場/站點(diǎn)的業(yè)務(wù)終端與上層數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)管理和自動控制的連接。采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的TD-LTE系統(tǒng)，可滿足油田的地形特殊、生產(chǎn)工作現(xiàn)場分散和重點(diǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)需求。

三、西部某作業(yè)區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1在油井比較密集的區(qū)域、計(jì)量間和處理站，我們采用TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。

TD-LTE 4G無線通信技術(shù)引用，可彌補(bǔ)光纖網(wǎng)絡(luò)的不足，沙漠腹地網(wǎng)絡(luò)布線較困難的問題可被解決。設(shè)計(jì)時充分考慮到移動沙丘對TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)的影響，地勢較為平坦處，選用30米鐵塔部署基站，沙丘起伏較大處，選用55米鐵塔部署基站。其主要設(shè)備和部署為：

（1）核心控制設(shè)備eCNS安裝在各個作業(yè)區(qū)機(jī)房，通過GE端口與eNodeB基帶單元BBU主控傳輸板LMPT連接。eCNS和匯聚層交換機(jī)采用負(fù)荷分擔(dān)或主備方式進(jìn)行連接，以增強(qiáng)可靠性。

（2）基站eNodeB通過FE/GE接口連接核心控制設(shè)備。RRU安裝在塔上，通過光纖接入BBU基帶處理板LBBP CPRI接口。

每個eNodeB規(guī)劃到網(wǎng)管設(shè)備、eCNS設(shè)備的路由，業(yè)務(wù)、網(wǎng)管及X2通訊的需求可被滿足。同時eCNS設(shè)備也需要規(guī)劃到所管理的各eNodeB局點(diǎn)路由?？紤]到安全，可為TD-LTE規(guī)劃獨(dú)立的VPN進(jìn)行邏輯隔離。eNodeB傳輸帶寬可根據(jù)實(shí)際需要配置。

項(xiàng)目實(shí)施后，使用30米的鐵塔部署基站，信號覆蓋范圍為10km，現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)及視頻圖像傳輸?shù)男枨罂杀粷M足;使用55米鐵塔部署基站，覆蓋范圍達(dá)12KM，基本的傳輸需求可被滿足，但個別單井由于地勢較低，信號質(zhì)量較差。

3.2比較偏遠(yuǎn)的單井或TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)，我們采用了無線網(wǎng)橋作為有效補(bǔ)充。

無線網(wǎng)橋技術(shù)是目前流行的無線寬帶局域網(wǎng)技術(shù)，它具有帶寬高，傳輸速率快，支持短距離視距傳輸，不具備頻率復(fù)用，并具有大規(guī)模組網(wǎng)能力的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。 無線網(wǎng)橋一般采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式，也可以采用點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸方式進(jìn)行部署，點(diǎn)對多點(diǎn)方式由于受傳輸距離、覆蓋范圍所限，一般一個中心站網(wǎng)橋帶20個左右的用戶站網(wǎng)橋。

根據(jù)地理位置，目前安裝點(diǎn)對點(diǎn)無線網(wǎng)橋4對。聯(lián)合站是4條無線鏈路的匯聚點(diǎn)，為了避免4跳無線鏈路之間相互干擾，確保高帶寬無線鏈路穩(wěn)定，特別在聯(lián)合站安裝無線網(wǎng)橋同步系統(tǒng)1套。所有設(shè)備使用POE的供電方式，設(shè)備體積小，連接簡單，傳輸穩(wěn)定，基本滿足該作業(yè)區(qū)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的需求。

根據(jù)油田統(tǒng)一規(guī)劃，該作業(yè)區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)基本建成，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)油氣水井、計(jì)量間、處理站等場所生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控、生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測，優(yōu)化了生產(chǎn)管理方式與組織結(jié)構(gòu)，提高了工作效率。同時，配套開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)，多渠道、多場景使用實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)中控室、區(qū)域中心、油田協(xié)同中心、總部決策中心多層協(xié)同工作。

四、結(jié)束語

通過對無線網(wǎng)絡(luò)在油氣物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究，西部某作業(yè)區(qū)接入層實(shí)現(xiàn)了TD-LTE 4G和無線網(wǎng)橋混合組網(wǎng)模式，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)成本，同時也提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但無線網(wǎng)絡(luò)的安全性值得我們以后重視和研究。

項(xiàng)目實(shí)施后，選用30米鐵塔部署基站，信號覆蓋范圍可達(dá)到10km，單基站平均上行吞吐率75Mbit/s，下行吞吐率63 Mbit/s，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)及視頻圖像傳輸需求;選用55米鐵塔部署基站，覆蓋范圍達(dá)12KM，基本滿足傳輸需求，但個別單井由于地勢較低，信號質(zhì)量較差。

3.2比較偏遠(yuǎn)的單井或TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)，我們采用了無線網(wǎng)橋作為有效補(bǔ)充。

無線網(wǎng)橋技術(shù)是目前流行的無線寬帶局域網(wǎng)技術(shù)，它具有帶寬高，傳輸速率快，支持短距離視距傳輸，不具備頻率復(fù)用，并具有大規(guī)模組網(wǎng)能力的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。 無線網(wǎng)橋一般采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式，也可以采用點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸方式進(jìn)行部署，點(diǎn)對多點(diǎn)方式由于受傳輸距離、覆蓋范圍所限，一般一個中心站網(wǎng)橋帶20個左右的用戶站網(wǎng)橋。

根據(jù)地理位置，目前安裝點(diǎn)對點(diǎn)無線網(wǎng)橋4對。聯(lián)合站是4條無線鏈路的匯聚點(diǎn)，為了避免4跳無線鏈路之間相互干擾，確保高帶寬無線鏈路穩(wěn)定，特別在聯(lián)合站安裝無線網(wǎng)橋同步系統(tǒng)1套。所有設(shè)備使用POE的供電方式，設(shè)備體積小，連接簡單，傳輸穩(wěn)定，基本滿足該作業(yè)區(qū)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的需求。

根據(jù)油田統(tǒng)一規(guī)劃，該作業(yè)區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)基本建成，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)油氣水井、計(jì)量間、處理站等場所生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控、生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測，優(yōu)化了生產(chǎn)管理方式與組織結(jié)構(gòu)，提高了工作效率。同時，配套開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)，多渠道、多場景使用實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)中控室、區(qū)域中心、油田協(xié)同中心、總部決策中心多層協(xié)同工作。

四、結(jié)束語

通過對無線網(wǎng)絡(luò)在油氣物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究，西部某作業(yè)區(qū)接入層實(shí)現(xiàn)了TD-LTE 4G和無線網(wǎng)橋混合組網(wǎng)模式，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)成本，同時也提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但無線網(wǎng)絡(luò)的安全性值得我們以后重視和研究。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 何琳琳，4G移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù).移動通信， 2004.

[2] 劉偉，4G移動通信系統(tǒng)研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù).中國數(shù)據(jù)通信， 2004.