LTE系统在油气信息采集中的应用

张宏展 普天信息技术有限公司高级方案架构师

冯世英 普天信息技术有限公司高级方案架构师

产品与技术方案

LTE系统在油气信息采集中的应用

张宏展 普天信息技术有限公司高级方案架构师

冯世英 普天信息技术有限公司高级方案架构师

随着石油行业油气信息采集系统建设的展开，无线网络的建设受到了越来越多的关注，选择什么样的无线通信技术建设油气信息采集系统成为了一个关键的问题。本文通过分析油气生产信息采集中无线通信的需求，对比TD-LTE 230和1800系统的频谱特点、覆盖能力、组网成本等几个方面，提出了TD-LTE230和1800的混合组网方案。

TD-LTE 230 TD-LTE 1800 频谱选择 覆盖 混合组网

1 引言

油气生产中主要涉及生产数据、调度语音和监控视频等信息的采集和承载。随着无线通信技术的迅猛发展，无线通信系统对油气生产业务的支持、以及自身的产业化程度都已经得到了较大的提高，越来越多的油气信息采集业务可以考虑使用无线通信技术进行承载。

面对种类繁杂的无线通信标准，无线通信体制的选择成为了一个难题。从油气生产行业通信需求看，无线频谱的可用性、系统的覆盖能力和高带宽成为了选择无线通信技术的关键指标。传统租用移动运用商的网络采用GPRS方式，因带宽限制只能传递生产数据，难以有效传递语音和视频数据。

4G LTE技术的出现，尤其是其广覆盖和高带宽的性能，对油气生产无线网络建设起着至关重要的作用。若租用运营商的LTE网络，在付出巨额租赁费用的同时，还要承受通话高峰期信息采集受阻的风险。目前，石油行业更愿意建立自己的LTE无线专网，做到专网专用。

2 现有的石油行业无线通信系统简介

目前，石油行业中LTE无线宽带传输的主要可行技术方案有TD-LTE 230和TD-LTE 1800，分别工作在230MHz和1800MHz频段，简称230系统和1800系统。

●TD-LTE 230系统

TD-LTE 230新型无线宽带通信系统（简称TD-LTE 230系统）是基于230MHz频段无线频谱，利用TD-LTE先进无线通信技术，为石油行业用户深度定制的石油无线通信系统，该系统具有广覆盖海量用户、高可靠性、高速率传输、实时性强、安全性强、频谱适应性强等特点。

该系统的关键技术包括OFDMA、载波聚合、频谱感知、自适应编码调制、同频组网、HARQ、软件无线电、空口头压缩、动态资源分配等。

●TD-LTE 1800系统

TD-LTE 1800无线宽带通信系统（简称TD-LTE 1800系统）是一个以TD-LTE为核心技术，将TD-LTE技术的高速率、大带宽应用于无线专网建设的无线通信系统。可满足大容量、大带宽、高速率、高频谱利用率的无线接入业务。

该系统的关键技术包括OFDMA、MIMO、智能天线、同频组网、动态资源分配、软件无线电、空口头压缩、动态资源分配等。

TD-LTE 230和TD-LTE 1800的关键技术指标对比情况如表1所示。

3 TD-LTE 230与1800系统对比分析

3.1 230MHz与1800MHz频谱特点对比

表1 系统关键指标对比

频谱选择是无线网络建设选择的第一步。

●230频段

在《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》中，国家无线电管理委员会规定223～235MHz频段作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段，目前主要被能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工等行业使用。其中，40个频点分配给了能源部，可用于石油行业油气生产物联网中，每个频点25KHz，通过频谱聚合技术可形成1MHz带宽用于油气生产物联网中。

●1800频段

1785 ～1805 MHz频段用于TDD方式无线接入系统，（见图1）主要用于本地公众网无线接入，对确有需要的本地专用网也可用于无线接入。具体频率指配和无线电台站管理工作，由各省、自治区、直辖市无线电管理机构负责。

图1 1800MHz频谱分布

该频段的高频段是GSM的下行频率，通过分析数据，现有的1800系统基本不能与GSM基站共址，必须通过特殊措施或者让出5M或10M带宽，才能保证应用。由于中国移动、中国联通有大量的GSM基站，因此1800系统的部署存在一定难度。

该频段的可用频率实际上仅有10MHz，频谱范围是1790～1800MHz。并且，该频段仅能有一个系统（用户）存在，如果两系统共存干扰会非常严重。

3.2 覆盖能力和组网成本对比

无线系统的覆盖能力是无线通信系统的重要指标，直接影响到网络成本，这成本不仅包括硬件成本，同时包括站址的租金、工程安装、供电、人员维护成本。覆盖半径越大，覆盖面积更是与覆盖半径之间呈平方倍数关系。举例来说，如果A系统单站的覆盖半径是B系统的3倍多，那么A系统单站的覆盖面积就有B系统的10倍，覆盖同样面积所需的基站数量，A系统只有B系统的1/10——从网络的整个生命周期来看，运维100个基站和运维10个基站，成本相差很大，除了节省站址租金、光纤资源之外，日常运维过程中所需要的时间和人力成本更是相差极大。

3.3 相同路损情况下覆盖对比

在无线移动通信系统的无线网络工程设计中，常采用电波传播损耗预测模型来计算无线路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区。常用的电波传播损耗预测模型有Okumuram-Hata、COST-231 Hata、LEE等。

Okumuram-Hata模型是根据实测数据建立的模型，该模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于150～1500MHz频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。

COST-231 Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本。适用范围是：f（频率）在1500～2000MHz之间。

对于TD-LTE 230系统，选择Okumura-Hata模型作为传播模型，对于TD-LTE 1800系统，选择COST-231 Hata模型。

根据路损模型的计算，135dB路损场景进行覆盖分析，在各种条件相同的情况下，230MHz频段的覆盖半径是1.8GHz频段的4～5倍（见图2）。

图2 城市环境230MHz系统与1800MHz系统覆盖对比

230 和1800 系统城区和郊区环境基站数量对比情况分别见表2和表3。从表中分析可知由于TD-LTE 230系统的广覆盖特性，其建网成本和后期维护成本仅有1800系统的7%左右。

4 TD-LTE 230与1800混合组网方案

油气生产的主要业务有油气生产信息采集业务、油气生产自动化业务、应急抢修、检修及移动资产可视化管理等。主要特点为：终端数量大且分布广泛；大带宽小带宽业务共存，小带宽业务为主；业务实时性要求不同，需要分级管理。

表3 230和1800郊区环境基站数量对比

TD-LTE 230和1800的混合组网方案可以满足油气生产中多种业务数据并存的承载要求。230系统的广覆盖特性可以满足油气井分布广泛、数量大，但传输数据量小，对带宽要求小的需求；1800系统可以满足油气生产中关键位置的视频监控以及语音调度需求。TD-LTE 230和1800的混合组网方案如图3所示。

图3 LTE230和1800混合组网方案

5 结束语

建设石油行业无线网络的初衷是希望通过对信息系统的建设，实现生产的可靠、安全、经济、高效运行。因此，不能不考虑无线通信网的建设成本，如果通信网络的建设和维护成本过高则难以在石油行业大规模的推广应用。

TD-LTE 230系统覆盖性能明显优于1800MHz频段通信系统，可以实现广覆盖组网。TD-LTE 1800的优势在于高带宽，可以承载语音和视频。TD-LTE 230和1800的混合组网方案可以很好地满足油气生产信息采集的需要。

1 中国石油集团公司.“十二五”信息技术总体规划

2 张新程等.LTE空中接口技术与性能.人民邮电出版社. 2009

3 辛伟等.演进分组系统(EPS)业务应用技术.人民邮电出版社.2010

4 刘振亚.智能电网知识问答.中国电力出版社.2010

Application of LTE System in Oil and Gas Information Gathering System

With the construction of oil and gas information acquisition system of oil industry expansion,the construction of wireless network has attracted more and more attention,selection of wireless communication technology in the construction of oil and gas information acquisition system in what has become a key issue.In this paper,through the analysis of wireless communication information acquisition in oil and gas production demand,spectrum characteristics, comparison of TD-LTE 230 and 1800 covering ability of the system,the cost of network construction and so on several aspects,proposed a hybrid networking scheme of LTE 230 and 1800.

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