LTE無(wú)線通信技術(shù)用于數(shù)字油田

鄭心 武海南瓊州學(xué)院

LTE無(wú)線通信技術(shù)用于數(shù)字油田

鄭心 武海南瓊州學(xué)院

現(xiàn)代3 G技術(shù)已經(jīng)趨于飽和化，并且覆蓋區(qū)域已遍布到城鄉(xiāng)地區(qū)。目前LTE無(wú)線通信技術(shù)的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)移動(dòng)TD—SCDMA技術(shù)演變而來(lái)的。語(yǔ)音信號(hào)在傳輸過(guò)程要進(jìn)行分段、加密等。隨著石油行業(yè)的不斷發(fā)展，油田無(wú)線通信技術(shù)逐步向3 G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。LTE無(wú)線通信技術(shù)在油田的主要作用就是使數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣雀涌旖荩⑶蚁到y(tǒng)的穩(wěn)定性也有了逐步的提高。對(duì)于石油企業(yè)來(lái)說(shuō)，每天發(fā)送的數(shù)據(jù)塊非常多，這樣的傳輸速率能夠確保信息穩(wěn)定的傳輸。

3G技術(shù)；LTE無(wú)線通信；數(shù)字化；油田建設(shè)；應(yīng)用

1 LTE的發(fā)展演變過(guò)程

早在20世紀(jì)由聯(lián)合國(guó)成立專(zhuān)門(mén)的通信機(jī)構(gòu)組織國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）就開(kāi)始研究新的通信技術(shù)。該組織基于通信技術(shù)原理，在結(jié)構(gòu)上劃分了多個(gè)專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)，并且利用有線傳輸介質(zhì)和無(wú)線傳輸介質(zhì)作為通信傳輸?shù)拿浇閇1]。

其中研發(fā)的第一代通信系統(tǒng)TACS和AMPS是專(zhuān)用于當(dāng)時(shí)的公眾陸上移動(dòng)網(wǎng)（PLMN），主要用于軍事基地信息的傳遞，傳輸信道帶寬為3.1 kHz，話(huà)音傳輸?shù)乃俾蕿?0 kbit/s。

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以及通信擴(kuò)容的不斷大增，通信系統(tǒng)中傳輸代碼的IP地址逐步實(shí)現(xiàn)透明化傳輸，并且傳輸?shù)臄?shù)字碼序的方式為IPV4，使得每個(gè)通信行業(yè)都有一個(gè)固定的網(wǎng)絡(luò)地址。其在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展過(guò)程中，逐步演變到當(dāng)今的3G技術(shù)。我國(guó)具有自主產(chǎn)權(quán)的TD—SCDMA采用的是頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用，在信道編碼技術(shù)上也劃分了不同的等級(jí)，其中包括對(duì)信息碼元的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)，在調(diào)制技術(shù)上采用的是八相絕對(duì)調(diào)制。其中對(duì)于LTE技術(shù)注入了一些新的原理，對(duì)于突發(fā)性的脈沖序列的調(diào)制，采用的是正弦波超高幀序列，比特的間隔周期為2.4 μs，并采用邏輯信道到物理信道的映射。

2 LTE的應(yīng)用原理

2.1 差錯(cuò)控制方式的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代3G技術(shù)已經(jīng)趨于飽和化，并且覆蓋區(qū)域已遍布到城鄉(xiāng)地區(qū)。目前LTE無(wú)線通信技術(shù)的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)移動(dòng)TD—SCDMA技術(shù)演變而來(lái)的[2]。語(yǔ)音信號(hào)在傳輸過(guò)程要進(jìn)行分段、加密等，語(yǔ)音信號(hào)的傳輸流程為：話(huà)音數(shù)據(jù)→A/D碼型轉(zhuǎn)換→分段→編碼→調(diào)制→發(fā)送。

這種技術(shù)對(duì)數(shù)字信道編碼方式采用的是編碼差錯(cuò)控制的方式，在設(shè)計(jì)原理上盡可能地減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤碼字，有較高的糾錯(cuò)能力。對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行碼元序列分組時(shí)，按每8 bit的字符串分成一組，在每一組的后面添加監(jiān)督碼，使得信號(hào)在信道上傳輸時(shí)，可以識(shí)別一些特定的符號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)在信道傳輸時(shí)的速率一般為13 kbit/s，每15 ms便要傳送一次數(shù)據(jù)串。當(dāng)LTE無(wú)線通信數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)意間被丟失或更改，則會(huì)在通信系統(tǒng)中糾正這種錯(cuò)誤。因?yàn)樵贚TE通信信道上交換設(shè)備中存有檢錯(cuò)重發(fā)的程序，使被傳送的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)又重新返回到發(fā)送端，進(jìn)行再一次發(fā)送，直到終端設(shè)備可以識(shí)別發(fā)送端發(fā)送的編碼序列。這種差錯(cuò)控制的方式，在糾正傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤時(shí)，無(wú)需向傳輸設(shè)備匯報(bào)，減少中間傳輸?shù)牧鞒蹋芸s短間隔周期，提高運(yùn)行效率，在前向檢錯(cuò)（FEC）數(shù)據(jù)序列中，會(huì)根據(jù)幀的報(bào)頭長(zhǎng)度而決定。一般傳送的數(shù)據(jù)在被傳輸設(shè)備更改以后，使得幀的結(jié)構(gòu)變?yōu)?3個(gè)字節(jié)，其中5個(gè)字節(jié)為報(bào)頭，48個(gè)字節(jié)為幀中繼。

2.2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

LTE無(wú)線通信技術(shù)在數(shù)字調(diào)制上采用的是0.3 GMSK，其中運(yùn)用了高通濾波器的傳輸效率與信道帶寬之間的關(guān)系，主要是通過(guò)上、下載頻之間的差值來(lái)壓縮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)字0和1將這種數(shù)字信號(hào)以正弦波的形式表達(dá)出來(lái)，使得能夠更加充分地適應(yīng)傳輸?shù)膸挕?/p>

數(shù)字在編碼調(diào)制方式上采用二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制、包括0和1碼型的變換，表示傳送信號(hào)的高、低電平的變化，其中0表示低電平，1表示高電平，一般傳送的數(shù)據(jù)串都要進(jìn)行二進(jìn)制碼字的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換原理上還運(yùn)用了跳頻的控制方式，對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)化后的信號(hào)，進(jìn)行離散型處理，主要是把數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)到統(tǒng)一的頻率上，并且還要進(jìn)行時(shí)序調(diào)整。當(dāng)數(shù)字信道處于空閑模式下，LTE無(wú)線通信系統(tǒng)便要自動(dòng)糾正當(dāng)時(shí)處于的時(shí)區(qū)，當(dāng)BCH信號(hào)中夾雜著一些SCH無(wú)規(guī)則的離散信號(hào)時(shí)，要通過(guò)數(shù)字調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行二進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制，對(duì)于離散型的信號(hào)還要進(jìn)行濾波調(diào)整，使之傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)基站。

3 LTE無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用

隨著石油行業(yè)的不斷發(fā)展，由無(wú)線通信技術(shù)逐步向3 G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。LTE無(wú)線通信技術(shù)在油田的主要作用就是使數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣雀涌旖荩⑶蚁到y(tǒng)的穩(wěn)定性也有了逐步的提高[3]。傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，采用的蜂窩移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)，這種傳輸模式的通信系統(tǒng)，穩(wěn)定性很高，每一路傳輸?shù)男盘?hào)都能夠到達(dá)指定的信道，傳輸信號(hào)的路數(shù)為n(n—1)/2，但是在數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)暴露出一些弊端。當(dāng)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行集中分散控制時(shí)，相應(yīng)傳輸?shù)乃俾蕰?huì)隨著支路的多少進(jìn)行分流，使得傳輸?shù)男蚀蟠蠼档停⑶疫@種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于比較密集的場(chǎng)合。

現(xiàn)代油田的規(guī)模建設(shè)比較分散，并且設(shè)立的站點(diǎn)也是參差不齊，傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)在利用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，會(huì)增加很多的運(yùn)行成本，并且設(shè)立無(wú)線基站的站點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)的增加。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了大規(guī)模的集成改造，改變了傳統(tǒng)的弊端。現(xiàn)代企業(yè)運(yùn)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形網(wǎng)，這種節(jié)點(diǎn)模型不僅節(jié)省了運(yùn)行成本，并且在穩(wěn)定性和傳輸?shù)男噬隙加邢鄳?yīng)的保障。在穩(wěn)定性上添加了高斯白噪音濾波器，使得油田數(shù)據(jù)在信號(hào)傳輸過(guò)程中不會(huì)受到噪聲的積累。

傳統(tǒng)通信技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中嚴(yán)重影響了傳輸?shù)馁|(zhì)量，噪音的波形在傳輸過(guò)程中，呈現(xiàn)的是雜亂無(wú)章不規(guī)則的變化波形。而通過(guò)濾波器之后便會(huì)呈現(xiàn)出有規(guī)律的正弦信號(hào)或余弦信號(hào)，濾波器可確保傳輸?shù)馁|(zhì)量，在傳輸速率上也有了顯著的提高。對(duì)于石油企業(yè)來(lái)說(shuō)，每天發(fā)送的數(shù)據(jù)塊非常多，這樣的傳輸速率能夠確保信息穩(wěn)定的傳輸，因此是值得被推廣與應(yīng)用的。

[1]李小文，郭歌，陳發(fā)堂．一種基于LTE的改進(jìn)型信號(hào)檢測(cè)算法[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2010（11）：128-131.

[2]楊鵬，李波．LTE關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試要點(diǎn)[J]．現(xiàn)代電信科技，2009（11）：5-7.

[3]吳世富．基于無(wú)線通信的油氣田井口數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2013，32（2）：70-71.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.041