PtMP無線微波技術在數字化井場建設中的優勢

余麗 何長清

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田信息技術公司

隨著大慶油田近幾年井、站數字化工程的建設實施，部分周邊井場分布密集、數量較大的油水站場已逐漸配套建設了全景紅外成像預警雷達設備[1]。單套預警雷達設備的建成可滿足周邊3～5 km半徑范圍內井場及站場的全監控覆蓋，以采油八廠為例，單套雷達設備覆蓋井場數量約為320 座[2]。在氣田建設方面，大慶油田采氣分公司橫跨面積約5 600 km2，截至2019年底，共投產氣井219口，建成站場38座，平均每座站場下設氣井約6座。對此分布密集性低的數字化井場建設，從優化建設投資的角度考慮，應選擇單井安裝高清視頻監控設備實現電子巡井。經過技術經濟對比，井場生產數據的回傳優先選用無線傳輸方式。

1 井場常用無線通信技術及存在問題

目前國內油氣田常用的無線傳輸模式有公網4G、專網4G、WLAN 無線網橋和PtMP（點對多點）微波等多種方式。

1.1 公網4G

井場生產數據通過公網4G 無線網絡上傳時，井場設置終端DTU（數據傳輸單元）設備將井場RTU（遠程終端單元）、視頻監控等IP 數據接入，并通過4G 網絡上傳[3]。為保證數據傳輸的安全性，運營商采用VPDN（虛擬專用撥號網絡）技術，其利用隧道協議技術在撥號網絡中為油田企業用戶構建虛擬專用網絡，將井場數據接入運營商VPDN平臺，經過認證后，通過運營商與油田企業生產網間的數據專線電路，實現DTU 終端與企業生產網間的數據傳輸。在網絡安全性方面，數據通過油田企業端設置的AAA（驗證、授權和記賬）服務器實現二次認證，并在運營商與企業之間建立L2TP（二層隧道協議），提高數據傳輸的安全性。

存在問題：設計前需確認井場是否在公網4G基站覆蓋范圍內；4G 基站覆蓋的終端設備上行帶寬能否滿足生產數據的傳輸需求；運行期需產生流量費用。

1.2 專網4G

專網4G 是面向企業用戶提供的e-LTE 技術的無線專網設備，系統支持多種公共無線頻率（1.4 GHz/1.8 GHz/800 MHz/400 MHz）組網[4]。中心設備容量150 Mbit/s （上 行50 Mbit/s，下 行100 Mbit/s）。系統設備架構由井場CPE（無線前置設備）、專網4G基站及核心網設備組成。基站的位置可以根據油田企業井場分布及CPE上行數據傳輸帶寬需求，選擇適合的建站位置以最大化地有效覆蓋CPE設備。在數據安全方面設備提供雙向無線鑒權，該功能可以防止未經授權的終端用戶使用網絡。用戶也可以使用鑒權功能防止接入到未知網絡，提高企業數據傳輸的安全性。

存在問題：相對于利用運營商4G 傳輸的方案，需額外配套建設和使用專網4G 基站、核心網設備；井場主要數據為上行業務，當井場有大量高清視頻傳輸的業務需求時，業務量將超過基站上行數據帶寬。

1.3 WLAN無線網橋

采用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問）技術的WLAN無線網橋系統設備架構由中心設備、遠端設備組成，支持數據的點對點或點對多點傳輸。系統工作頻段在2.4～5.8 GHz 的公共免費頻段，一般僅支持數據間的LOS（可視）無線傳輸[5]。中心設備可外接120°或90°扇區天線，設備帶寬容量可達54～300 Mbit/s（1～4 個扇區），遠端站設備容量為10 Mbit/s 左右[6]。遠端站布署在井場通過IP 網絡接口接入井場數據，中心站可布署在有光纖傳輸系統接入的站場。在數據安全方面采用WEP（有線等效保密）及WPA/WPA2（WPA 與WPA2 兩種加密算法混合體）等方式。

存在問題：中心設備與遠端設備應達到可視的傳輸條件，如現場不滿足條件需升高兩側設備安裝高度；采用的CSMA/CA 機制，多個終端自由競爭搶占至中心設備信道[7]，無法保證傳輸穩定和持續性，密集部署干擾大。通常設計時建議1套中心站接入的遠端站數量不超過6個，降低了設備的最終吞吐量。

1.4 PtMP無線微波

PtMP 無線微波工作在4.91～5.97 GHz 公共頻段，系統由AP 及RT 組成。采用TDMA（時分多址）技術，通過有序的時隙資源分配[8]確保最多64個RT都能與1個AP建立持續可靠的連接，支持數據的點對點、點對多點及中繼方式傳輸。AP 支持最大750 Mbit/s 吞吐能力，RT 支持最大250 Mbit/s數據吞吐能力，上下行帶寬靈活可調，可匹配大量高清視頻回傳、寬帶接入和企業專線等各種場景。系統設備可靈活布署于視通（LOS）和部分非視通（NLOS）場景。加密方式采用AES 128 bit，RT 接入采用基于MAC 地址（媒體存取控制位址）的白名單方式，防止未經授權的終端接入系統。

存在問題：在部分非可視條件下仍不能滿足傳輸需求時，需升高中心及遠端兩側設備安裝高度，以滿足傳輸需求。

2 PtMP無線微波優越性

設備相對于其他無線傳輸技術具有超大吞吐容量、超強抗擾、環境適應、簡易運維和增強以太網的特點。目前系統設備已應用在石油化工領域及平安城市建設項目中。具體優越性如下：

（1）Sub 6G的工作頻段在大部分地區屬于免申請頻段，多個使用者自由使用Sub 6G 的頻譜資源。因此設備采用TDD（時分雙工模式）模式，在同一個信道中分時段發送和接收數據，各終端設備根據接入的先后順序加入到AP 的接入隊列后，在AP的接收時隙內排序向AP發送信號。該方式可以有效節約頻譜資源，提高系統的抗干擾能力，使兩端無線設備建立持續可靠的連接。

（2）除了視距傳輸的條件外，無線微波信號在傳輸過程中出現部分遮擋時，能經過反射、透射和衍射后達到終端（一般引起NLOS 情形的障礙包括：建筑、樹木等） 也可實現數據的非視距（NLOS）傳輸。

（3）支持AM（調幅）信道質量自動調整調制模式。當天氣劣化或有其他信號干擾時，自動采用低調制模式，保障鏈路的高可靠性，而在天氣晴好也無干擾信號時，自動采用高調制模式，提高鏈路的傳輸可靠性。

（4）支持自動選頻，可以根據當前各頻點的信號等情況選出最優頻點。在Sub 6G 免費頻段，用戶無需申請，可按需使用，所以各個頻點沒有統一規劃，可能會存在同頻干擾。而采用自動選頻的方式設置設備工作的頻點，在解決規劃困難的同時，AP 通過掃描可用信道的情況選擇最優可工作信道。

（5）支持AES空口加密，可以增強微波鏈路傳輸客戶數據的安全性。相對于有線傳輸鏈路，無線微波信號鏈路存在被第三方捕獲的可能。當第三方能夠基于微波幀格式對捕獲的微波信號進行解析時，就有可能獲取數據信息[9]。油田企業客戶可以通過AES空口加密特性對微波鏈路傳輸的客戶數據進行加密，在鏈路層進一步增強微波鏈路傳輸的客戶數據的安全性。

（6）可快速布署，維護簡易，AP、RT 設備支持POE（基于局域網的供電），中心站AP支持通過WLAN模塊實現塔下手機APP管理、運維，支持遠程WEB網管。同時，終端RT設備支持免配置快速開局調試。

3 結束語

無線技術在數字化井場的應用中不但可以避免井場光纖建設的高投資、高維護量、長建設周期的情況，當井場停產后無線設備仍可利舊用于其他生產井場。而PtMP 無線微波技術在數字化井場建設工程中提供了井場至站場“最后幾公里”的可靠通信方案，其中心站AP 的大帶寬吞吐量及多遠端站的接入能力，可滿足分布密集型且有高清視頻實時傳輸需求的數字化井場建設。