4 G TD-LTE技術在海上油氣田中的應用研究

楊金麗　臧明霞　白　琳

中海油研究總院,　北京　100028

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4 G TD-LTE技術在海上油氣田中的應用研究

楊金麗臧明霞白琳

中海油研究總院,北京100028

摘要：中國某海上氣田新建的無人駐守井口平臺與中心平臺之間無海底光纜敷設,平臺之間需傳輸DCS生產數據和關斷、語音、視頻等信號。為建立安全、可靠的通信鏈路,采用4 G TD-LTE無線傳輸技術進行組網。4 G TD-LTE技術目前已廣泛應用于陸地油田組網系統,技術和設備相對成熟,但在國內海上油氣田尚未推廣使用。通過比對單獨敷設光纜和數字微波技術組網,4 G TD-LTE技術具有較好的價格優勢與組網靈活性。經該海域某已建油田內部4G組網鏈路測試,得出4 G TD-LTE技術能夠在海上建立穩定可靠的傳輸鏈路,滿足油氣田生產需要。

關鍵詞：海上平臺；無線傳輸；4 G TD-LTE；數據傳輸；鏈路測試

0前言

數據傳輸網絡是海上智能油氣田物聯網建設的重要組成部分[1]。基于安全生產的需求,需將分布式控制系統(DCS)生產數據和關斷、語音、視頻等信號通過數據傳輸網絡傳輸到中心平臺或陸地生產調度指揮中心進行集中管控、綜合處理與分析,從而達到生產操作自動化、生產運行可視化和管理決策系統化的目的,提升生產指揮決策支持能力[2]。

海上油氣田特殊的物理環境要求通信鏈路能夠對抗海洋惡劣天氣,(如臺風、雨、霧等)引起的干擾[3]；同時各個海上平臺分布比較分散,相距幾公里到數十公里不等,要求該通信傳輸網的組網模式必須靈活、系統擴充性強,且設備安裝方便簡單,能夠快速接入[4]。在實際項目應用中,井口平臺與中心平臺之間可借助電力組網敷設海底復合光纜組建光通信網,但是由于受到油氣價格、開發成本等客觀條件的限制,在海上油氣田沒有敷設海底光纜的條件下,無線傳輸網絡為油氣田智能一體化管理提供了基礎的網絡架構和前提條件,同時無線傳輸系統組網簡單,部署靈活,可實現點到面的覆蓋,降低生產成本[5]。

1項目概況及通信需求

中國某海上氣田新建工程設施有1座生產平臺(PRP)(與已建中心平臺A(CEPA)棧橋相連),1座中心平臺B(CEPB),1座有人井口平臺D(WHPD),4座無人井口平臺WHPA、WHPB、WHPC、WHPE。平臺相對位置見圖1。

三個無人井口平臺WHPA、WHPB、WHPC需要將儀控關斷信號、視頻監視信號以及少量的語音、數據信號傳輸到PRP平臺,由PRP平臺對其進行遠程控制。PRP與CEPB之間敷設有海底復合光纜,兩平臺直接通過光纜進行通信聯系。CEPB與WHPD之間通過海底復合光纜進行日常通信及關鍵數據信號的傳輸；WHPE平臺需要將數據信號傳輸到CEPB平臺,并由CEPB對其進行遠程監控。帶寬需求約為上行帶寬10 M,下行帶寬5 M。

PRP平臺與WHPA平臺之間相距約20 km,CEPB 與WHPE平臺之間相距約18 km,同時該氣田所處海域受臺風影響大,因此必須建立穩定可靠的傳輸鏈路,滿足油田對無人井口平臺實現遠程控制、視頻監控、語音等信號可靠傳輸的需求。

圖1　中國某海上氣田各平臺相對位置

2通信鏈路方案比選

2.1光纖方案

在不考慮經濟效益的情況下,要實現可靠穩定的鏈路傳輸,海底光纜通信是首選[6]。本項目需要在PRP平臺與無人井平臺WHPB、WHPC之間,WHPA與WHPB之間,CEPB與WHPE之間鋪設海底光纜。

該方案需單獨鋪設4根海底光纜,總長度約為44.5 km。該方案滿足無人平臺設計要求,具有高可靠性、低維護、設計壽命長的優點[7],但是投資費用極高,除材料費以外還需施工費、租用船舶費、人工費等，且維護費用很高。

2.2微波技術方案

為提高系統的可靠性,采用5.8 G點對點微波產品,分別建立PRP—WHPA、PRP—WHPB、PRP—WHPC、WHPA—WHPB、CEPB—WHPE五條獨立的點對點微波傳輸電路。

本方案優點是傳輸容量較大,初始投資低(總費用在百萬左右,包括安裝、施工、維護費用)；缺點是由于工作于公共頻率,可用頻點有限,在采用多條點對點微波鏈路組網時,易產生頻率的干擾和帶寬容量的限制；且高頻易受海面反射干擾,傳輸鏈路的不穩定性會影響關鍵數據的傳輸質量[8]；該氣田所處海域臺風頻繁,對傳統微波鏈路影響較大,微波天線易受風浪影響,產生抖動或方向偏移,會發生鏈路中斷的現象。

2.34 G TD-LTE無線組網方案

根據目前項目特點及經濟投資狀況,最有效的解決辦法是找到能適應海上環境,并能保證在臺風模式下天線能夠對抗一定幅度移動的無線傳輸技術[9]。4 G 分時長期演進(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)技術,是移動通信寬帶化的無線接入系統,具有扇區型覆蓋、支持移動性、抗干擾能力強等特點[10],擬用在該項目中。

根據生產和作業的要求,本項目需要在新建PRP平臺與WHPA、WHPB、WHPC之間,CEPB與WHPE之間建立無線傳輸鏈路。

需要在PRP、CEPB 平臺建設兩臺基站,在無人井口平臺WHPA、WHPB、WHPC、WHPE分別設置CPE終端,并采用一用一備的熱備份方案。通過TD-LTE 無線信號覆蓋周圍新建和已建的海上平臺和平臺間的海面。LTE 核心網和網管設備安裝在PRP 平臺。CEPB 平臺區域數據由海底光纜傳回PRP平臺。各井口平臺數據回傳到PRP 平臺的LTE 核心網,再由核心網設備傳送到上層工業控制、視頻監控等業務平臺。無線網絡覆蓋見圖2,PRP 平臺基站采用兩扇區配置,CEPB 平臺采用一扇區配置。

圖2　4 G TD-LTE無線網絡覆蓋圖

本方案的投資費用適中,終端天線允許在30度角度內轉動,滿足臺風模式下一定程度的天線偏移。4 G TD-LTE技術可靠性與適應性相對較高,非常適合油田組網。雖然前期投入相對較多,但后期新平臺的接入只需增加投資費用較低的CPE終端設備,無需對基站和核心網進行改造,即可實現快速入網,既經濟又高效,而且未來可以擴展油氣田的智能化管理業務應用。例如將4G工業級手持終端應用于現場在線實時巡檢、數據視頻實時回傳、人員動態管理、物流動態管理等工作[11]。

2.4技術方案比選

無人井口平臺與中心平臺之間鏈路傳輸采用海底光纜、數字微波、4 G TD-LTE三種技術方案在技術上均可行,但是各有優缺點。海底光纜、數字微波、4 G TD-LTE三種技術方案在系統性能、經濟投資等方面的比較見表1。

表1海底光纜、數字微波、LTE系統性能及經濟投資比較

技術參數海底光纜數字微波4GTD-LTE穩定性高中較高可靠性高低較高靈活性中低高傳輸速率>1Gbps20Mbps20Mbps傳輸距離/km-5030經濟投資/萬元約5000約100約180

從表1綜合來看,4 G TD-LTE傳輸方案在可靠性、穩定性以及經濟投資方面相對較優,各項參數能夠滿足中心平臺對無人井口平臺的遠程控制功能,能夠適應海上惡劣環境。通過綜合比選,工程方案最終推薦采用4 G TD-LTE無線傳輸技術實現鏈路傳輸。

34 G TD-LTE 系統特性

3.1支持移動性應用

4 G TD-LTE技術優勢即為支持移動性應用,在移動條件下具有穩定數據傳輸能力,理論支持的移動速度為350 km/h[12]。其核心技術是正交頻分復用和雙流波束賦形(增強覆蓋抑制干擾),在波束覆蓋范圍內可實現干擾抑制,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[13]。此外,4 G TD-LTE采用自動請求重傳(ARQ)、混合自動請求重傳(HARQ)等多種服務質量(QoS)控制技術。數據無法到達接收端或出現錯誤時,系統會啟動ARQ和HARQ重傳機制,保證數據的有效傳輸。

3.2降低海面衰落影響

4 G TD-LTE采用正交頻分復用技術,利用其正交性可有效降低碼間干擾,并通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內轉換為平坦信道,減小多徑效應帶來的衰落深度,使信號更加穩定[14]。除此之外,通過多入多出(MIMO)、波束賦形等技術的引入,大大增強接收信號強度,有效降低海面衰落對信號的影響[15]。

3.3網絡扁平化

扁平化IP網絡架構,網元節點少,設計組網簡單,端到端最小傳輸時延<50 ms,支持油田SCADA等重要業務,支持語音良好的業務體驗[16]；LTE支持全IP組網,高效靈活；LTE核心網和基站的小型化和高集成度,非常適合行業用戶[17]；網絡結構簡單,易規劃、易部署、易維護。

4網絡結構及系統測試

4 G TD-LTE 通信系統的網絡結構由三個主要部分組成：核心網EPC、eNodeB無線基站、CPE終端設備(或移動用戶終端UE)[18]。TD-LTE設備采用全IP組網,核心網可以根據油田企業用戶定制成小型化和高集成,基站由基帶單元BBU+射頻單元RRU組成。系統頻率采用1 785 MHz～1 805 MHz頻段[19]。

在該項目中,TD-LTE 核心網與網管安裝在PRP 平臺上,通過平臺內的IP 網絡傳輸,連接本平臺兩扇區基站,通過海底光纜連接CEPB 平臺的另一扇區基站。兩臺基站的TD-LTE 信號覆蓋周圍的海上平臺,各井口平臺上的控制信號、視頻和語音信號接入CPE終端設備傳輸到數據傳輸終端DTU,通過TD-LTE無線網絡,將數據傳回PRP平臺控制中心。系統結構見圖3。

圖3　4 G TD-LTE系統結構

因海面無線環境比較單一,采用系統模擬得出:單扇區覆蓋半徑約30 km，單扇區平均速率約為上行22 Mbps、下行19 Mbps[20]。為實際測試4 G TD-LTE的系統性能,在中國某已建海上油田設置相關測試設備。中心平臺安裝4 G TD-LTE基站采用兩個信號覆蓋扇區,分別指向附近兩個井口平臺,單站覆蓋半徑35 km。兩個井口平臺分別安裝4 G TD-LTE無線終端1臺,語音和數據信號通過IP網絡與無線終端連接。采用兩扇區每扇區20 M同頻組網方式,時隙配比使用IU∶3D。

測試的無線通信指標包括上下行業務帶寬、信噪比、接收功率等,數字通信指標包括吞吐量、丟包率、系統時延等。通過Ping雙方的地址測試傳輸鏈路的丟包率和系統延時。TM 3自適應傳輸模式下,上下行接收功率、信噪比、吞吐量等指標隨時間的變化曲線見圖4～6。

圖4　上下行接收功率隨時間變化

圖5　上下行接收信噪比隨時間變化

圖6　上下行業務速率隨時間變化

測試結果：

1)上下行功率及信噪比的變化不會對業務速率帶來明顯變化,測試期間上行速率穩定在10～14 Mbps,下行速率穩定在37 Mbps左右,滿足油田的各種業務需求。

2)測試期間的天氣經歷大風、大雨及多云狀況,此期間上下行速率均未出現明顯的波動；大霧大雨天氣對系統各項性能指標有一定影響,但是對上行和下行傳輸帶寬無明顯影響。

3)通過Ping包,網絡延時為23 ms左右,丟包率為0,設備長時間運行穩定可靠。

通過測試可知,4 G TD-LTE技術各項指標明顯好于傳統微波通信技術,能夠滿足項目通信需求。

5結論

1)綜合而言,4 G技術在可靠性、穩定度以及帶寬等方面均優于傳統微波傳輸技術,而且4 G的工作頻率使用專網頻率,更適合專網應用,提高了網絡的可靠性。

2)4 G TD-LTE技術比較適合油氣田群無線通信組網,后期終端設備接入非常方便,無需對基站和核心網進行改造,在未來海上智能油氣田建造中,可采用多個4 G TD-LTE基站覆蓋盡可能多的海域,將周邊平臺、移動船舶等設施納入其覆蓋范圍,為海上油氣田信息化系統提供高速無線數據傳輸鏈路,并與油田原有通信系統相互融合補充,達到降低投資及高效利用現有通信系統的目的。

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收稿日期：2015-11-23

作者簡介：楊金麗(1984-)，女，山東壽光人，工程師，碩士，主要從事海上平臺通信系統設計，系統監測等工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.018