多鏈路集群通訊技術在渤海油田的應用

王中雪，許建軍

(中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300452)

0 引言

長期以來，中海石油（中國）有限公司（簡稱中海油）渤海油田海上油氣生產一直面臨著通訊手段單一、衛星傳輸延時大、主干線路帶寬低、費用高等難題。十一五期間，渤海油田在生產平臺數量猛增、成功上產3 000萬噸，油田生產信息化和應急指揮系統朝著集成與協同方向迅速發展，為滿足油田日常生產和應急指揮對通訊鏈路的需求，充分利用衛星、微波、加速、帶寬管理等通訊網絡技術，建設起可靠、快捷、先進的通訊鏈路，有著十分重要的意義和作用。

1 海上油田通訊網絡應用現狀

中海油渤海油田現有油田 56個，采油平臺 110座，移動船舶（包括工程船、鉆井船、生活支持船等）50多艘，海上員工約4 000人，海陸間通訊涉及到生產和應急應用系統30余個。隨著新油田的不斷投產和管理手段的不斷優化，對海陸間通訊網絡的帶寬和穩定性需求迅速增加。考慮到海上惡劣的工作環境、遠離陸地和天氣條件惡劣等條件的制約，陸地上能夠采用的一些先進的通訊技術手段無法在海上應用。目前海上能夠采用的主要通訊手段包括：衛星傳輸、微波傳輸和海纜傳輸。普通微波傳輸因受天氣、公用頻段干擾和專線條件差等條件的制約，穩定性較差；衛星傳輸雖然相對穩定，但帶寬比較小，而且費用昂貴；海纜傳輸雖然能夠保證很好的帶寬，但鋪纜費用較高，一旦發生故障修復時間較長。

2 通訊網絡架構總體設計

2.1 設計思路

衛星、微波、海纜 3種技術手段均有自身的優勢，也都存在自身的固有問題，在沒有更好的技術可取代它們的情況下，應充分考慮衛星、微波、海纜的技術特點，系統性地對通信系統進行整體性規劃，充分體現這3種技術的互補優勢。3種通訊技術手段優缺點分析如圖1所示。

圖1 3種通訊技術手段優缺點分析

2.2 實現目標

根據核心生產應用和應急指揮中心建設規劃要求，海上通訊帶寬年增長率應保持在20%～30%，鉆井平臺通信帶寬目標為 20 Mb/s，生產平臺通信帶寬目標為40 Mb/s。

2.3 架構設計

基于渤海油田特點和區域開發概念，將通訊網絡劃分為骨干層、匯聚層和接入層。

通過對國內外幾種先進通信網絡技術應用的認真研究，在試點建設應用取得良好效果的基礎上，確定了適合渤海灣地理特征和實際生產需要的海陸之間的主要通訊模式：骨干層以微波通訊為主、衛星通訊為輔、綜合應用網絡加速和帶寬管理等手段；匯聚層以光纖通訊為主、微波通訊為輔。

3 關鍵技術應用分析

3.1 鏈路集群負載均衡技術

負載均衡建立在現有海上通訊網絡結構之上，提供了一種廉價有效的方法擴展網絡帶寬和增加吞吐量，加強網絡數據處理能力。它能讓多條鏈路共同承擔一些大數據量數據傳輸任務，從而以較低的成本，消除網絡瓶頸，提高網絡的靈活性和可靠性。它主要完成以下任務：解決網絡阻塞問題，選擇最優的鏈路提供服務；為用戶提供更好的訪問質量；避免網絡關鍵部位出現單點失效。通過鏈路集群技術應用，能夠實現多種傳輸鏈路互為保護，多傳輸鏈路的統一接入，多業務應用的統一承載[1-2]。

3.2 多入多出和正交頻分復用技術相結合的微波系統

多入多出（MIMO）技術是指在發射端和接受端分別使用多個發射天線和接收天線，從而提高數據速率，減少誤比特率，改善無線信號傳遞質量。正交頻分復用（OFDM）技術是一種特殊的多載波數字調制技術，它可以被看做是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。

在海上微波通信系統中，多徑效應、頻率選擇性衰落是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關鍵問題。通過應用MIMO和OFDM相結合的微波系統，使微波技術更適用海面環境應用。提高信道的容量和可靠性，提高頻譜利用率和抗多徑干擾能力。

3.3 WiMAX組網技術

全球微波互聯接入[3]（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access）是一項無線通信的新技術。該技術以IEEE802.16系列標準為主要規范，具有距離長、速率高、部署簡便、受地理條件限制少的技術優勢，同時，在傳統寬帶接入的領域，有著得天獨厚的優勢。WiMAX技術兼具了基于線纜的傳統寬帶接入的優勢和無線接入的靈活性和移動性，并能提供可滿足話音和視頻服務應用的服務質量支持[4]。

3.4 網絡加速技術

網絡加速主要采用廣域網數據服務技術（WDS，Wan Data Service）、可伸縮的數據索引技術，對網絡進行數據優化、傳輸優化、應用協議優化。網絡加速設備采用數據緩存技術、TCP優化及應用優化、數據壓縮、服務質量控制等技術手段，可以對傳輸中的TCP流和數據進行分段并為其建立索引。建立索引的數據將與磁盤上的數據進行比較，以前發送過的數據段不會通過廣域網再次發送，而只發送與其對應的引用來代替它。這種過程將使得先前通過廣域網發送過的重復數據被極小的引用代替。通過使用多層次引用結構，一個引用可表示多個字段至數兆字節的數據，減輕了廣域網數據傳輸壓力。

4 實現方案

通過對先進通訊技術的分析論證，確定了適合渤海灣地理特征和實際生產需要的海陸之間主要通訊模式。采取多種通訊鏈路集群方案, 建立多種通訊技術的多層次復合應用。實現衛星、微波和海纜的統一接入以及多業務的統一承載，以海纜為主用鏈路，微波與衛星為備用鏈路，通過配置帶寬分配策略，最大限度保證核心業務的通訊質量。固定式油田群以微波通訊為主，衛星通訊為輔。移動式平臺或船舶采用可以按需動態分配的衛星通訊為主，結合渤海油田實際情況，確定了渤海通訊網絡結構不同層次的設備技術選型方法：

1）固定式油田群骨干層采用5.8 GHz大帶寬設備，使用PDH/SDH微波系統代替原有設備；匯聚層采用 5.8 GHz無線網橋、WiMAX技術設備、海底光纜光復用技術；接入層采用WiMAX和5.8 GHz無線網橋設備。

2）移動式平臺或船舶采用按需動態分配的衛星網管系統。

3）在微波、衛星的網絡中應用新技術和新設備：如加速設備和帶寬管理設備，以進一步提高網絡性能。

4）通過一套自主研發的安全生產及應急指揮系統平臺，為生產調度、應急指揮處理提供更可靠的支持，使其在危險發生時，安全響應及時有效，快速地為決策者提供依據。

4.1 多層次多鏈路組網模式

骨干層的建設是以距離陸地40 km以內的海上固定式采油中心平臺，建設了大帶寬微波系統與陸地建立連接，并通過租用專線電路連接塘沽核心節點。對于距離陸地40 km以上的采油中心平臺，通過微波跳接的方式建立與陸地間的傳輸鏈路。各骨干微波鏈路落地后，通過租用專線電路連接塘沽核心節點。而各油田內的匯聚層通訊網絡的建設是通過新建5.8 GHz微波鏈路和光纜傳輸鏈路，覆蓋各油田的所有小平臺。同時，選擇了試點平臺部署WiMAX基站以實現對各類船舶的游牧式接入。

對于移動式鉆井平臺或移動船舶，使用國際衛星通信的主流設備和系統，提高了空間段衛星信道的利用率，出境信道采用基于DVB-S2標準，動態優化帶寬資源，帶寬按需分配，通過對海上應用的分析研究，對頻率資源合理劃分，相同帶寬內的吞吐量隨之提高，最多可達到90%帶寬利用率的理論數據，與現有工作方式相比，可節約40%～50%的頻率資源。

4.2 衛星通信網管系統建設

通過建立衛星通信網絡管理系統和網管功能的開發，能夠實現衛星信道指標的檢測和電路運行效率分析能力；實現遠程NMS監視和控制能力；實現系統級TCP、HTTP 加速能力；雙向端到端服務質量（QoS，Quality of Service）功能，保證通信質量；同時支持虛擬電信運營商（VNO，Virtual Network Operator）功能，為網管系統向海外發展做準備。該系統能夠優化衛星通信網絡結構，系統端站實現了自動功率電平調整，具備QoS功能、TCP加速功能，實現單一平臺多頻段及多星管理，能夠節省衛星帶寬 30%，帶寬使用效率和穩定性顯著提高[5]。

4.3 網絡加速設備應用

通過在陸地中心機房和海上采油平臺部署網絡加速設備，提升衛星和微波系統的有效傳輸帶寬，將廣域網數據服務（WDS，Wan Data Service）技術運用到辦公專用網（衛星鏈路、微波鏈路、數字專線）和關鍵業務應用系統，全面優化海上采油平臺網絡通訊的性能，使所有基于TCP/IP協議的應用速度得到明顯提升。在帶寬資源有限的情況下，通過加速策略的設置，為各種應用劃分優先級，重點保障辦公和生產應用的網絡帶寬不會被其他非核心應用擠占。

4.4 網絡資源管理系統應用

通過網絡加速設備的應用能夠使渤海灣骨干網實現鏈路優化，但在監控、分析關鍵應用性能和獲取有效信息促進基礎網絡的有效管理方面缺少必要的技術手段。通過在陸地中心機房部署Cascade網絡性能管理系統，將網絡行為分析技術應用到網絡中。不同于以往的基于簡單網絡管理協議（SNMP，Simple Network Management Protocol）為主的網絡管理工具，它整合了基于IP Flow 采集和Sensor網絡探針的技術，能夠提供更細化的網絡管理和監控，支持Netflow、IPFix、Jflow、sFlow 等多種流格式，Cascade系統與網絡加速設備的QoS功能完美結合，可自動收集網絡流數據，并對網絡情況和應用程序進行監控、分析，同時將行為分析與用戶定義策略相結合，提供IT管理者所需的信息并執行相關策略[6]。

5 結語

通過多層次多種鏈路集群通訊方案的應用，能夠解決海上油田長期制約生產的通訊瓶頸問題，改變海上油田通訊手段單一的局面，為生產管理、作業監控及業務協同提供信息傳輸通道，實現多元化的信息通訊模式[7-8]，提高通訊的質量和可靠性，提高骨干通訊鏈路的利用率，很大程度上緩解了海上油田帶寬資源不足的瓶頸制約。為數字油田建設奠定了基礎，使公司重要生產運營支持和安全控制相關系統得到更加廣泛的應用。

[1] 蔣玲.集群網絡負載均衡技術研究[J].中國高新技術企業,2010(13):94-95.

[2] 劉世靖,謝慶勝,陳靚,等.網絡負載均衡技術在網站服務器上的應用與探討[J].電腦知識與技術,2010(20):5428-5429.

[3] 魏笑笑,周政華. WIMAX技術及其應用分析[J].通信技術,2009,42(03):98-102.

[4] 王現兵.WiMAX在海上通信中的適用性分析[J].中國水運（下半月）,2009,9(04):84-85.

[5] 梁金山,劉薇.一種衛星通信網絡管理系統設計[J].通信系統與網絡技術,2010(02):11-39.

[6] 呂振肅,劉忠學,王連勝,等. 現代通信技術在海上搜救中的應用[J].通信技術,2010,43(11):45-48.

[7] 李愷,曾玲,安紅章.互聯網接口與衛星通信技術研究[J].信息安全與通信保密,2007(08):91-93.

[8] 劉波.一種實現高保密強度衛星通信的途徑[J].信息安全與通信保密,2007(08):112-114.