WiMAX在海上石油平臺通信系統的應用分析

李麗年，吳桂松

（中海油能源發展油田建設工程設計研發中心，天津300452）

0 海上石油平臺通信現狀

海上石油平臺通信系統的建立是為了保證海上石油、天然氣開發生產過程中的安全、生產和生活信息的采集和傳輸，是海上平臺不可缺少的重要設施。目前，海上無線通信主要是指平臺上工作人員用于對周圍船只及直升機上人員通信聯系的無線電話、平臺對陸地的衛星通信和平臺間的微波通信等。主要設備有衛星地球站、微波擴頻系統、全向無線電導航機、甚高頻調頻（VHF-FM）無線電話、甚高頻調幅（VHF-AM）無線電話、特高頻調頻（UHF-FM）無線電話、應急無線通信設備等。由于無線通信其通信頻率數量有限，同時容納的用戶非常少；雖然衛星通信設備都是數字化設備相對技術含量高一些，然而衛星通信延遲大，不利于進行語音通信。

海上石油平臺（或平臺群）由于受到環境條件的限制，其規模不可能太大，生產定員通常在百人左右。因此，采用的通信系統的規模也就相對較小。由于技術的限制，海上的通信設備還不能自由地進行像陸地上那樣的常規通信。

移動體之間通信聯系的傳輸手段只能依靠無線電通信,因此,無線通信是移動通信的基礎。WiMAX 技術是一項無線通信的新技術，目前正在陸地上推廣。根據分析海上設施的特點和WiMAX 技術的特點，WiMAX 技術在海上石油平臺的應用是可行的，目前已在文昌13-1&13-2油田得到了成功應用。

1 海上石油平臺現有無線系統的應用問題分析

1.1 FPSO無線技術的應用問題分析

當FPSO（浮式生產儲油輪）移動時，特定平臺在特定的角度會存在無線鏈路中斷。FPSO 天線安裝點、火炬塔和對應平臺呈三點一線的情形，火炬塔比FPSO 天線安裝點高15～20 m，且是金屬結構，其對無線信號的阻擋和吸收很大，造成接收信號強度RSSI 值下降到接收門限下而無線鏈路中斷，因此圍繞在其周圍所有平臺的無線信號質量均無法保持恒定，ping 數據丟包情況時有發生。由于現有無線系統使用802.11a 協議，不支持移動式應用，因此海上生產設施急需一種新型無線通信技術。

1.2 微波技術的應用問題分析

微波擴頻通信（SSR）一般接入速率為64 kB/s～2 MB/s，使用頻段為2.4～2.483 5 GHz，該頻段為工業自由輻射頻段，目前不需要有關部門的批準。其特點是利用偽隨機碼對輸入信息進行擴展頻譜編碼處理，然后在某個載頻進行調制以便傳輸。由于系統工作在2.4 GHz 頻段，易受到較為嚴重的干擾。2.4 GHz 頻段屬于ISM 免申請頻率頻段，同頻干擾較為嚴重。干擾來源主要有：1）FPSO 辦公區內2.4 GHz 無線辦公網絡AP、平臺自用2.4 GHz 無線路由等。2）受到來自陸地的大功率2.4 GHz 系統的干擾。

微波通信有容量大、投資費用低、建設速度快、抗災能力強等特點，多用于近距離海上平臺間的通信。微波擴頻傳輸技術與常規的微波傳輸技術相比，具有抗干擾能力強，抗噪聲能力強和保密性好等特點。但在海上應用時，受到海面多徑干擾較嚴重，因此對于較遠距離的平臺間通信效果不好。

微波通信在海面復雜的傳播環境下衰落嚴重，RSSI信號較弱且不穩定。海面是無線傳播最差和最復雜的一種環境，海面衰落也是最嚴重的一種衰落現象，海面衰落主要由多徑引起。海面衰落大都發生在風平浪靜、大氣層相對變化比較小的氣候條件下，持續時間不等，這種時候多徑最嚴重，只有等海面衰落消失后，無線鏈路接收信號電平才恢復到正常狀態。

由于海上生產設施無線系統的建設時間較長，還存在設備老化、性能下降、室外設備外殼腐蝕等其他問題，影響使用效果。當某個平臺鏈路中斷后，備用鏈路無法啟用導致平臺與FPSO 數據徹底中斷。

1.3 現有無線系統的主要問題

現有無線系統工作在2.4 GHz，使用IEEE802.11 g 空口協議。在作業區FPSO 移動、火炬塔阻擋、海面深衰落、外界干擾等因素綜合影響下、系統穩定可靠工作是無法保證的。

2 WiMAX 簡介及特點分析

2.1 WiMAX簡介

WiMAX 是全球微波互聯接入的縮寫，WiMAX 又稱為802·16 無線城域網，是又一種為企業和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。因在數據通信領域的高覆蓋范圍，該技術以IEEE 802.16 的系列寬頻無線標準為基礎。它是一項無線城域網(WMAN)技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準，最終能夠在不需要直接視距基站的情況下提供移動無線寬帶連接。如何實現FPSO 與平臺間生產數據和關斷信號的穩定傳輸是一個關鍵問題。

2.2 WiMAX技術的組成

WiMAX 技術主要包括以下幾個方面：

1）支持移動性應用。核心技術是OFDM 和OFDMA即正交頻分復用和正交頻分復用介入技術。可以對抗移動所帶來的傳播環境快速變化，實現高速穩定的數據傳輸。

2）HARQ 技術因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系統吞吐量，同時因為重傳可以帶來合并增益，所以擴大系統的覆蓋范圍。

2.3 WiMAX中的多天線技術

移動WiMAX 中的多天線技術可以分為3 類，分別是波束賦形、空時編碼和空間復用。波束賦形是智能天線的關鍵技術，通過將主要能量對準期望用戶從而提高信噪比，有效抑制共道干擾。空時編碼分為空時格碼和空時塊碼，空時格碼可以使系統同時獲得編碼增益和分集增益，空時塊碼降低了譯碼復雜度，同時可以獲得分集增益。空間復用在發射端發射相互獨立的信號，可以最大化MIMO 系統的平均發射速率。多天線系統可選用分集增益以提高信噪比和信道質量，也可選用復用增益以提高吞吐量。

2.4 WiMAX中的可擴展性

WiMAX 技術的MAC 層具有帶寬分配和QoS 機制，支持各種不同的用戶環境，允許在同一信道上出現上千個不同的用戶。

2.5 WiMAX中的睡眠模式

睡眠模式，16e 協議為了適應移動通信系統的特點，增加了終端睡眠模式：Sleep 模式和Idle 模式。

3 WiMAX 技術與VHF 通信技術的對比

海上石油平臺上的高頻無線電設備主要用于移動通信，移動通信使用一定的電波頻率，也就是超短波與微波之間的頻率，通常在甚高頻（VHF）、特高頻（UHF）的頻率范圍。

甚高頻調頻無線電話（VHF-FM）和手持對講機用于日常與過往船只（工作船、供應船等）的通信聯系、安全生產和緊急情況的聯絡，它的第16 信道是國際海協指定用于遇險通訊的特殊信道。此設備設有雙工濾波器，采用微機控制頻率合成技術，有20 個專用編程信道。

甚高頻調幅無線電話（VHF-AM）用于平臺對直升機的話音聯系與導航，平臺為直升機提供方位、海域天氣情況、將上載的重量等，直升機飛行員向平臺報告飛機到達時間、飛行高度等，保障飛行安全。

WiMAX 技術與VHF 通信技術對比見表1。

表1 WiMAX 技術與VHF 通信技術對比

因此，WiMAX 采用mesh、beam-forming、MIMO 等先進的技術改善了非視距性能，出眾的系統增益可提供更強的遠距離穿透阻擋物能力。

4 WiMAX 在海上石油文昌油田的成功應用介紹

文昌油田作業區采用WiMAX 較好地解決了移動式FPSO 與固定平臺間的傳輸鏈路問題。該系統在中海油文昌油田已經得到了成功應用。

文昌13-1&13-2 油田由南海奮進FPSO 和兩個海上采油平臺組成。原有工業控制數據及辦公網絡數據均由5.8 GHz 無線網橋（IEEE802.11a）完成，系統建成多年一直工作不穩定，嚴重影響海上油田的安全生產，2010 年引入WiMAX 系統后，無線鏈路一直保持穩定，各種工業及辦公數據傳輸正常。其原有無線系統的問題均得到完美解決。

5 結 語

綜上所述，WiMAX 技術的其中一個特點就是覆蓋范圍廣泛，可達50 km。WiMAX 技術帶寬寬，數據傳輸速率快，并且支持移動性要求。同時還可提供語音、數據、圖像和視頻服務。WiMAX 無線通信技術既具有陸地通信的要求，又有船舶通信的特色；同時滿足海上石油平臺生產和安全的要求。其距離長、速率高、部署簡便、受地理條件限制少的技術特點能夠很好的在海洋石油環境體現其優越性，且WiMAX 技術兼備傳統寬帶技術和無線移動性特點，將會在以后的海上石油平臺領域得到更加廣泛的應用。

［1］ 啜剛，王文博，常永宇，等.移動通信原理與系統［M］.北京：北京郵電大學出版社，2009.

［2］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通訊設計［M］.北京：石油工業出版社，2007.

［3］ 王欣.WiMAX 技術在海上通信中的應用與展望［J］.世界海運，2005（3）：7-9.

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