WiMAX技術(shù)在海上油田中的應(yīng)用

倪先鋒 歐陽俊

【摘要】本文介紹了4G-WiMAX系統(tǒng)在海上石油平臺通信的系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并從4G-WiMAX無線技術(shù)上敘述在海上無線通信的技術(shù)優(yōu)勢和可靠的無線通信成功實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】4G；WiMAX；寬帶無線接入；工業(yè)無線；冗余

一、項目簡介

1.項目概述

海洋采油平臺由于其特殊的地理位置，通常不能直接連接到陸地上的電網(wǎng)，而需要獨自設(shè)立為海上平臺生產(chǎn)生活供電的系統(tǒng)。為了采集海上各石油平臺電力系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)并集成至陸地作業(yè)區(qū)的管理系統(tǒng)中，以更好的維護和管理這些電站，就要建立穩(wěn)定高效的通訊網(wǎng)絡(luò)，4G-WiMAX無線通訊在海上的應(yīng)用，能很好的解決40公里以內(nèi)的平臺間網(wǎng)絡(luò)接入的難題。以4G-WiMAX技術(shù)為依托，通過在有陸地廣域網(wǎng)的中心平臺搭建西門子4G-WiMAX基站，在周圍衛(wèi)星平臺搭建無線終端，就能實現(xiàn)平臺上機組和變壓器信息接入陸地廣域網(wǎng)，從而達到陸地對采油平臺電力系統(tǒng)的宏觀監(jiān)控和統(tǒng)一管理的目的。

2.項目的簡要工藝介紹

海上平臺通信主要有兩種方式，一是埋設(shè)海底光纜，二是無線通信。在傳統(tǒng)的無線通信方式中，由于受海平面對無線信號漫反射影響，經(jīng)常造成無線通信系統(tǒng)短時間中斷，雖然這種中斷對于普通的網(wǎng)絡(luò)通信來，如網(wǎng)絡(luò)瀏覽、視頻傳輸?shù)扔绊懖淮螅袝r感覺不到，但是對于工業(yè)控制系統(tǒng)，這種中斷是絕對不允許的。

為了解決這個難題，西門子4G-WiMAX產(chǎn)品，采用先進的OFDM/OFDMA關(guān)鍵技術(shù)，能夠同時在多個子載波頻率上以廣播形式發(fā)射信號，承載高速數(shù)據(jù)信號。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，適合在海上多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.項目應(yīng)用的架構(gòu)示意圖

二、通信系統(tǒng)構(gòu)成

1.整個項目中的硬件配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；各組成部分選擇的依據(jù)。

如圖所示，通信系統(tǒng)采用4G-WiMAX產(chǎn)品基站、終端和交換機RS900NC組成，功能如下：

（1）通信基站：包括扇區(qū)天線、電源和電源電纜等附件，用于建立和維護與通信終端的二層通信連接，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇，無線資源管理，終端業(yè)務(wù)能力的QoS能力控制和管理，支持通信終端的漫游切換。在項目中完成本地數(shù)據(jù)和遠程接入數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）通信終端：包括PoE電源、接入網(wǎng)線等附件，用于建立和維護與通信基站的二層通信連接，數(shù)據(jù)接入和業(yè)務(wù)能力控制和管理。在項目中完成本地和遠程接入數(shù)據(jù)的傳輸。

（3）交換機：用于數(shù)據(jù)交換。在項目中用于本地上位機、PLC等網(wǎng)絡(luò)接入，以及通信基站或通信終端的網(wǎng)絡(luò)接入。

（4）其他控制設(shè)備：主要包括各類服務(wù)器、上位機、PLC等控制設(shè)備。

2.附加系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用中的監(jiān)視畫面。

（1）應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控畫面截圖

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.西門子4G-WiMAX無線系統(tǒng)與其他無線系統(tǒng)的比較（如表1所示）。

三、通信系統(tǒng)完成的功能

海上石油平臺建立海洋上，周圍都是海，兩個海上石油平臺間通信，一是有線通信，通常是埋設(shè)海底光纜，這種通信在新建平臺比較多，但是對于建立時間比較早的平臺，沒有海底光纜建立，通常在這樣的平臺上，建立了無線通信，用于日常的上網(wǎng)業(yè)務(wù)和一些對于通信鏈路要求不高的業(yè)務(wù)。但是對于一些控制系統(tǒng)，需要建立非常可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，而普通的無線通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足要求。西門子4G-WiMAX無線通信系統(tǒng)，應(yīng)用先進的OFDM、HARQ、AMC、MIMO、QoS等技術(shù)，與其他微波技術(shù)相比，能夠增強在海上通信的性能。

海平面對于無線信號來說，相當于一面具有多反射能力的多面鏡，容易產(chǎn)生多徑傳播效應(yīng)，造成干擾，普通微波技術(shù)經(jīng)常會造成通信中斷。而對于采用OFDM技術(shù)的西門子4G-WiMAX無線通信系統(tǒng)來說，有很好地抗多徑干擾能力，適用于嚴酷的海上通信的信道條件。

普通微波無線系統(tǒng)，在海上無線通信中，經(jīng)常出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，有時通信出現(xiàn)短暫中斷，或是中斷幾分鐘，這種中斷是隨機的，同時也隨著產(chǎn)品不同，發(fā)生的機會也不會一樣，但是都要發(fā)生丟包或中斷。

在項目之初，為了建立實現(xiàn)遠程控制的DMS系統(tǒng)，在有海底光纜的平臺我們實現(xiàn)了遠程控制，但是對于沒有海底光纜的平臺，我們測試了基于Wi-Fi的技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的微波系統(tǒng)，均不能實現(xiàn)可靠的無線通信鏈路，最后在2012年底我們在JZ20-2和JZ21-1平臺安裝了西門子4G-WiMAX無線通信系統(tǒng)，實際測試無線通信鏈路的可靠性，到2013年9月，通過測試，無線通信鏈路穩(wěn)定可靠，沒有發(fā)生過任何中斷和丟包，兩個平臺上測試DMS系統(tǒng)也安全可靠的運行。

2013年底，完成了DMS系統(tǒng)在JZ20-2、JZ9-3、JZ21-1、JZ25-1平臺上的安裝和試運行。在建立無線通信系統(tǒng)時，首先通過在JZ20-2平臺安裝1個基站2個扇區(qū)天線，遠程接入JZ9-3和JZ21-1平臺終端，完成兩個平臺的接入，再通過交換機，與JZ20-2平臺DMS系統(tǒng)一起，通過另1個基站遠程接入JZ25-1平臺終端，實現(xiàn)與JZ25-1平臺光纖網(wǎng)絡(luò)的反向接入，構(gòu)成DMS系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在DMS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部功能，并可靠安全運行。

1.實際應(yīng)用中的典型的設(shè)備（如圖2所示）。

2.關(guān)鍵部分的調(diào)試過程描述。

在項目中，我們首先在JZ20-2平臺上安裝基站，其中對于JZ9-3平臺，我們在原有與JZ21-1平臺通信的基站上，加入2個一分二公分器，接入兩面扇區(qū)天線，其中一面朝向JZ21-1平臺，一面朝向JZ9-3平臺，安裝在JZ20-2平臺最上一層側(cè)面。在JZ9-3平臺上安裝通信終端，也安裝在平臺最上一層，方向朝向JZ20-2平臺，通過簡單的調(diào)整天線的方向，基站與終端的通信連接，查看下行調(diào)制方式為64QAM 3/4，上行的調(diào)制方式64QAM 2/3，傳輸距離20KM，通信質(zhì)量很好。

圖2 實際應(yīng)用中的典型的設(shè)備

對于JZ25-1平臺方向，在JZ20-2平臺的西南側(cè)，由于最上平臺有大型臺車，不能安裝基站，基站確定安裝在第三層的南側(cè)。在JZ25-1平臺安裝終端時，使用基站的“Current Extended Cell Range Support”擴展功能，延長有效通訊距離達到28KM，通訊正常，下行調(diào)制方式為64QAM2/3，上行調(diào)制方式為16QAM 3/4，通信質(zhì)量也非常好。

四、項目運行

錦州202/93平臺WiMAX接入DMS系統(tǒng)項目于2014年4月3日投入使用。系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，無丟包情況，下行文件傳輸速率高達702KB/S，上行文件傳輸速率高達469KB/S。用戶反映相比其他微波系統(tǒng)，穩(wěn)定性大大提高，傳輸速度顯著提升，能夠很好地解決海上采油平臺遠距離通訊的難題。

參考文獻

[1]IEEE 802.16，”IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”，IEEE 802.16-2004.

[2]IEEE 802.16，”Draft Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Aceess Systems-Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”，IEEE P802.16e.

[3]3GPP TS25.104v7.4.0，Base Station（BS）radio transmission and reception（FDD），2006.06.

[4]ITU-R Document 8F/427，Chairmans Report on the 15th meeting of WP 8F（Geneva，1-8 February 2005）.