双工滤波收发装置的研究与应用
2015-12-03孙彬
孙彬
中海油信息科技有限公司湛江分公司 524057
双工滤波收发装置的研究与应用
孙彬
中海油信息科技有限公司湛江分公司 524057
一、项目研究背景
中海油南海海上油气田微波项目在建设过程中遇到了以下问题：
●南海油气田约占中海油的40%，且绝大部分离陆地距离超过100公里。
●陆地基站干扰严重，链路稳定性无法保障。
●油田的数字化和信息化建设对平台的骨干链路提出了扩容需求。
针对以上问题，迫切需要对现有的微波系统基础上进行研发，开发出一套适合中海油特殊应用需求的微波系统。为了节约成本和控制项目进度，在原有微波系统基础上进行二次研发，开发一套双工滤波收发装置，提高信号强度的同时抑制噪声，可以很好的满足项目需求。
二、项目研究内容
根据项目需求，分四个阶段实施：
●2014年1月-3月：项目前期论证，收集已开通微波站点数据统计信息，包括电平、丢包率、海况等综合信息；
●2014年4月-6月：完成微波功放的优化及高增益天线的研发，完成微波功放、天线和微波设备之间兼容性的测试与改良，提高微波设备信号实际外输的功率，提高微波设备实际接收电平，以满足增加带宽后的链路冗余，所研发成果在实验室进行测试；
●2014年7月-9月：在已建成的微波站点对新研究出来的功放以及天线等设备进行测试，通过实际测试的结果发现，研制出来的微波功放效果没有达到预期效果，各项技术指标提高不大，再次返回实验室对微波功放进一步的优化；
●2014年10月-12月：将设备进一步的优化及完善，再次在文昌油田群海域进行了测试，整体的测试结果比前期测试的要更加理想，在关键的参数及指标上有明显的提高，达到项目研究的要求；此外，还完成了相应的科研成果报告的提交。
技术背景
在微波传输过程中，需要通过微波天线将微波信号进行传输和接收，目前现有的微波系统只能完成0-40KM之间的距离传输工作，对于长距离的传输，由于空气对微波信号的衰减，现有天线的无法实现传输。另外，现有的微波传输设备只能实现微波信号的单向传输，双向传输必须设置两套设备，一套负责输出，另外一套负责输入，造成设备传输的安装较为复杂。
技术方案
所采用的技术方案如下：双工滤波收发装置，由信号发射器、双工器、功率放大器、隔离器、低噪声放大器滤波器和天线组成，其特征在于，所述信号发射器的输出端通过射频电缆连接双工器一，双工器一的两个端口分别连接功率放大器的输入端和低噪声放大器的输出端，功率放大器的输出端连接隔离器，隔离器的另一端连接双工器二；低噪声放大器的输入端连接有滤波器，滤波器的另一端连接双工器二；双工器二的另一端连接有微波天线。有益效果在于：两个双工器配合功率放大器和低噪声放大器及滤波器工作，实现了信号收发在同一设备内完成。实现微波信号的长距离传输功能。
两个双工器配合功率放大器和低噪声放大器及滤波器工作，在同一端口将频率A的微波信号放大并发射出去，同时可在同一端口将频率为B的信号接收并放大传入设备中。实现了信号收发在同一设备内完成。实现微波信号的长距离传输功能，可实现80KM以上的传输距离。
三、实际应用效果
双工滤波收发装置首次应用于文昌13-6平台与陆地的数据传输，数据带宽双向20M。
站点信息
文昌市铜鼓岭基站（陆地站），基站海波高度330米，天线安装高度335米。
海上端站为文昌13-6平台，天线安装高度约48m，平台有足够空间可安装天线，同时，现场供电、电缆敷设条件也符合安装条件。
站点距离信息
文昌铜鼓岭基站与文昌13-6平台相对位置如下图，根据经纬度通过google earth软件计算距离为115.36公里，微波设备自带软件显示链路距离115.3公里，两者基本一致。
测试方案
采取MOTO PTP 58600系统+双工滤波收发装置作为核心解决方案，在文昌13-6平台和文昌铜鼓岭基站建设一条长距离微波链路，传输距离约115公里。该方案中采取1.5米微波天线，天线增益38db。
设备描述：
产品描述 PTP58600 Full Connectorised-Link Complete Canopy型号 PTP58600 Full Connectorised-Link Complete有效市场 北美，欧洲，南美，亚洲频率/速率 5.725GHz-5.850GHz/30或60Mbps(空中速率)传输距离 最远200公里合计速率 最大速率300M天线类型/增益 外接1.5m，38dbi天线信道带宽 15MHz信道选择/智能 DFS或者手动设置。自动检测动态频率控制(i-DFS) 加电后自动执行，自动避免干扰多波束空时编码(STC)多波束信号在不能路径被反射和接收，信号和多路径信号不相关发射功率控制 自适应，根据调制方式的选择和路径的不同，从25dBm～－10dB调节接收灵敏度 自适应，根据调制方式选择在－99dBm到－72dBm之间调节自适应调制方式 动态，在BPSK和64QAM(8种)间调节纠错 FEC，ARQ双工方式 TDD/FDD，比率50：50，66：33，转化速率250Hz发射和接收频率是相同的或者分离的网络管理 Web Server和SNMP工作温度 -40°C~60°C，包括太阳辐射室外单元尺寸 宽12英寸(305mm)，高12英寸(305mm)，厚4.1英寸(105mm)室外单元重量 9.1磅(4.3公斤)电源室内单元 宽6.25英寸(160mm)，高2.5英寸(63mm)，厚1.25英寸(32mm)电源室内重量 室内单元：1.85磅（833克）电源供应 室内设备－安装注意：在无线和ODU之间一定要安装防雷器电源输入 90－240VAC，50－60Hz功耗 最大55W以太桥接接口 10BASE-T/100BASE-T(RJ-45)自动MDI/MDIX转换协议 IEEE802.3兼容包优先级 IEEE802.1P符合标准
保护和安全 I P65/UL 6 0 950；I EC6 0 950；EN6 0 950；CSAC22.2No.60950无线 FCC Part 15，sub-part C 15.247，Eire ComReg03/42，UK IR2007 EMC USA-FCC Part 15，Class B；Europ-EN301 489-4
测试实施
测试人员安排
人员单位 角色及人数文昌铜鼓岭基站 4名技术人员文昌13-6气田 2名技术人员
测试时间进度表
日期 工作内容2014年3月 人员和设备分别达到文昌13-6平台及文昌铜鼓岭2014年4月 完成微波链路的安装及调测2014年5月 对微波功放进行安装调测2014年5月 完成微波功放的调测2014年6月 进一步观察测试系统稳定性2014年7月 对系统进行较长时间的观测
测试结果
本次微波测试在文昌铜鼓岭基站上安装1面1.5米的双极化天线，安装高度330米，文昌13-6平台安装1面1.5米双极化天线，天线安装高度48米，微波链路顺利开通，链路带宽达到20M以上，通过链路观察，链路带宽基本可以满足20M以上传输要求。
接收电平分析
设备自动监视15天的接收电平，电平稳定在-61dbm左右，接收电平平稳（最大值-57.2db，最小-66.3db，平均值-61.1db，工作状态非常稳定）。
微波链路统计情况
统计系统15天工作状态：链路的工作在人为限定的QPSK 0.87（single）的调制方式下，信道的带宽为15M，目前的链路的可用率99.7617%，误码率为1.660E-5，数据带宽为17.25Mbps（由于只开通10M，把带宽限制小点，可提高链路的稳定性，实际的带宽超过55Mbps）；
传输时延
通过IP 包测试，传输时延5ms左右。
将测试包增大到3000，传输时延增大到15ms，基本在正常范围之内。
传输时延基本稳定，很少有丢包。
链路速率测试结果（采用第三方软件比对）
通过第三方软件IPerf与MOTO设备自身监测的比对，第三方软件速率与MOTO自测带宽基本相等，表明MOTO自测的速率真实可靠。MOTO设备自带软件上显示的速率可以理解为实际速率。
支持的业务种类
数据交互业务
数据业务包括：网络咨询浏览、电子邮件发送、电子文件发送、消息发送和文件共享等。
语音通信类
语音通信类包括：网络电话、电话会议、集团移动电话等。
业务可靠性分析
该微波链路传输采用IP传输，IP传输的TCP协议具备确认和重传机制，即使有少量丢包，重传机制也可以保证数据的可靠到达，目前微波链路具备20M以上的可用带宽，传输时延7ms，可以保证上层应用的可靠性和稳定性，可以保证VoIP、视频、互联网等业务的高质量应用。
测试总结
测试结论：
本次测试结果表明，此链路完全可用，带宽可稳定在20M以上，从数据带宽及技术标方面对平台侧和陆地侧进行双向分析，无线信号稳定，接收电平平稳，无线电干扰对链路的工作影响几乎忽略不计，链路能够稳定运行，完全可以满足微波链路开通需求。
关于链路稳定性的分析
从目前测试情况来看，链路稳定可靠，具体分析如下：
●从本次测试情况来看，由于两端的安装高度限制，信号只被小部分遮挡，没有对链路的稳定性造成任何影响。
●针对文昌13-6平台至文昌铜鼓岭基站微波链路信号被小部分遮挡的情况，可目前已通过本次研制的微波功放加以弥补，抵消信号被小部分遮挡的影响，基本保持链路处于正常的工作状态。
微波链路使用建议
由于海上长距离海上微波传输的特殊性，受不确定因素影响较多，在其它条件一致的情况下（天线安装高度、天线口径、天线增益、海面状况等），链路的稳定性与带宽的大小成反比，带宽越大，链路的稳定性越差，带宽越小，链路的稳定性越好。
四、推广应用价值
该成果国内首创，海油范围内首次应用，已应用于环海南岛微波一期和二期，取得了良好的效果和用户的一致好评，乐东气田迁址和文昌微波项目，如果没有该项技术的支持就无法实施，对于其它微波链路，该成果为链路扩容提供了技术支持。
