4 G TD-LTE技术在海上油气田中的应用研究

杨金丽　臧明霞　白　琳

中海油研究总院,　北京　100028



4 G TD-LTE技术在海上油气田中的应用研究

杨金丽臧明霞白琳

中海油研究总院,北京100028

摘要：中国某海上气田新建的无人驻守井口平台与中心平台之间无海底光缆敷设,平台之间需传输DCS生产数据和关断、语音、视频等信号。为建立安全、可靠的通信链路,采用4 G TD-LTE无线传输技术进行组网。4 G TD-LTE技术目前已广泛应用于陆地油田组网系统,技术和设备相对成熟,但在国内海上油气田尚未推广使用。通过比对单独敷设光缆和数字微波技术组网,4 G TD-LTE技术具有较好的价格优势与组网灵活性。经该海域某已建油田内部4G组网链路测试,得出4 G TD-LTE技术能够在海上建立稳定可靠的传输链路,满足油气田生产需要。

关键词：海上平台；无线传输；4 G TD-LTE；数据传输；链路测试

0前言

数据传输网络是海上智能油气田物联网建设的重要组成部分[1]。基于安全生产的需求,需将分布式控制系统(DCS)生产数据和关断、语音、视频等信号通过数据传输网络传输到中心平台或陆地生产调度指挥中心进行集中管控、综合处理与分析,从而达到生产操作自动化、生产运行可视化和管理决策系统化的目的,提升生产指挥决策支持能力[2]。

海上油气田特殊的物理环境要求通信链路能够对抗海洋恶劣天气,(如台风、雨、雾等)引起的干扰[3]；同时各个海上平台分布比较分散,相距几公里到数十公里不等,要求该通信传输网的组网模式必须灵活、系统扩充性强,且设备安装方便简单,能够快速接入[4]。在实际项目应用中,井口平台与中心平台之间可借助电力组网敷设海底复合光缆组建光通信网,但是由于受到油气价格、开发成本等客观条件的限制,在海上油气田没有敷设海底光缆的条件下,无线传输网络为油气田智能一体化管理提供了基础的网络架构和前提条件,同时无线传输系统组网简单,部署灵活,可实现点到面的覆盖,降低生产成本[5]。

1项目概况及通信需求

中国某海上气田新建工程设施有1座生产平台(PRP)(与已建中心平台A(CEPA)栈桥相连),1座中心平台B(CEPB),1座有人井口平台D(WHPD),4座无人井口平台WHPA、WHPB、WHPC、WHPE。平台相对位置见图1。

三个无人井口平台WHPA、WHPB、WHPC需要将仪控关断信号、视频监视信号以及少量的语音、数据信号传输到PRP平台,由PRP平台对其进行远程控制。PRP与CEPB之间敷设有海底复合光缆,两平台直接通过光缆进行通信联系。CEPB与WHPD之间通过海底复合光缆进行日常通信及关键数据信号的传输；WHPE平台需要将数据信号传输到CEPB平台,并由CEPB对其进行远程监控。带宽需求约为上行带宽10 M,下行带宽5 M。

PRP平台与WHPA平台之间相距约20 km,CEPB 与WHPE平台之间相距约18 km,同时该气田所处海域受台风影响大,因此必须建立稳定可靠的传输链路,满足油田对无人井口平台实现远程控制、视频监控、语音等信号可靠传输的需求。

图1　中国某海上气田各平台相对位置

2通信链路方案比选

2.1光纤方案

在不考虑经济效益的情况下,要实现可靠稳定的链路传输,海底光缆通信是首选[6]。本项目需要在PRP平台与无人井平台WHPB、WHPC之间,WHPA与WHPB之间,CEPB与WHPE之间铺设海底光缆。

该方案需单独铺设4根海底光缆,总长度约为44.5 km。该方案满足无人平台设计要求,具有高可靠性、低维护、设计寿命长的优点[7],但是投资费用极高,除材料费以外还需施工费、租用船舶费、人工费等，且维护费用很高。

2.2微波技术方案

为提高系统的可靠性,采用5.8 G点对点微波产品,分别建立PRP—WHPA、PRP—WHPB、PRP—WHPC、WHPA—WHPB、CEPB—WHPE五条独立的点对点微波传输电路。

本方案优点是传输容量较大,初始投资低(总费用在百万左右,包括安装、施工、维护费用)；缺点是由于工作于公共频率,可用频点有限,在采用多条点对点微波链路组网时,易产生频率的干扰和带宽容量的限制；且高频易受海面反射干扰,传输链路的不稳定性会影响关键数据的传输质量[8]；该气田所处海域台风频繁,对传统微波链路影响较大,微波天线易受风浪影响,产生抖动或方向偏移,会发生链路中断的现象。

2.34 G TD-LTE无线组网方案

根据目前项目特点及经济投资状况,最有效的解决办法是找到能适应海上环境,并能保证在台风模式下天线能够对抗一定幅度移动的无线传输技术[9]。4 G 分时长期演进(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)技术,是移动通信宽带化的无线接入系统,具有扇区型覆盖、支持移动性、抗干扰能力强等特点[10],拟用在该项目中。

根据生产和作业的要求,本项目需要在新建PRP平台与WHPA、WHPB、WHPC之间,CEPB与WHPE之间建立无线传输链路。

需要在PRP、CEPB 平台建设两台基站,在无人井口平台WHPA、WHPB、WHPC、WHPE分别设置CPE终端,并采用一用一备的热备份方案。通过TD-LTE 无线信号覆盖周围新建和已建的海上平台和平台间的海面。LTE 核心网和网管设备安装在PRP 平台。CEPB 平台区域数据由海底光缆传回PRP平台。各井口平台数据回传到PRP 平台的LTE 核心网,再由核心网设备传送到上层工业控制、视频监控等业务平台。无线网络覆盖见图2,PRP 平台基站采用两扇区配置,CEPB 平台采用一扇区配置。

图2　4 G TD-LTE无线网络覆盖图

本方案的投资费用适中,终端天线允许在30度角度内转动,满足台风模式下一定程度的天线偏移。4 G TD-LTE技术可靠性与适应性相对较高,非常适合油田组网。虽然前期投入相对较多,但后期新平台的接入只需增加投资费用较低的CPE终端设备,无需对基站和核心网进行改造,即可实现快速入网,既经济又高效,而且未来可以扩展油气田的智能化管理业务应用。例如将4G工业级手持终端应用于现场在线实时巡检、数据视频实时回传、人员动态管理、物流动态管理等工作[11]。

2.4技术方案比选

无人井口平台与中心平台之间链路传输采用海底光缆、数字微波、4 G TD-LTE三种技术方案在技术上均可行,但是各有优缺点。海底光缆、数字微波、4 G TD-LTE三种技术方案在系统性能、经济投资等方面的比较见表1。

表1海底光缆、数字微波、LTE系统性能及经济投资比较

技术参数海底光缆数字微波4GTD-LTE稳定性高中较高可靠性高低较高灵活性中低高传输速率>1Gbps20Mbps20Mbps传输距离/km-5030经济投资/万元约5000约100约180

从表1综合来看,4 G TD-LTE传输方案在可靠性、稳定性以及经济投资方面相对较优,各项参数能够满足中心平台对无人井口平台的远程控制功能,能够适应海上恶劣环境。通过综合比选,工程方案最终推荐采用4 G TD-LTE无线传输技术实现链路传输。

34 G TD-LTE 系统特性

3.1支持移动性应用

4 G TD-LTE技术优势即为支持移动性应用,在移动条件下具有稳定数据传输能力,理论支持的移动速度为350 km/h[12]。其核心技术是正交频分复用和双流波束赋形(增强覆盖抑制干扰),在波束覆盖范围内可实现干扰抑制,可以对抗移动所带来的传播环境快速变化,实现高速稳定的数据传输[13]。此外,4 G TD-LTE采用自动请求重传(ARQ)、混合自动请求重传(HARQ)等多种服务质量(QoS)控制技术。数据无法到达接收端或出现错误时,系统会启动ARQ和HARQ重传机制,保证数据的有效传输。

3.2降低海面衰落影响

4 G TD-LTE采用正交频分复用技术,利用其正交性可有效降低码间干扰,并通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道,减小多径效应带来的衰落深度,使信号更加稳定[14]。除此之外,通过多入多出(MIMO)、波束赋形等技术的引入,大大增强接收信号强度,有效降低海面衰落对信号的影响[15]。

3.3网络扁平化

扁平化IP网络架构,网元节点少,设计组网简单,端到端最小传输时延<50 ms,支持油田SCADA等重要业务,支持语音良好的业务体验[16]；LTE支持全IP组网,高效灵活；LTE核心网和基站的小型化和高集成度,非常适合行业用户[17]；网络结构简单,易规划、易部署、易维护。

4网络结构及系统测试

4 G TD-LTE 通信系统的网络结构由三个主要部分组成：核心网EPC、eNodeB无线基站、CPE终端设备(或移动用户终端UE)[18]。TD-LTE设备采用全IP组网,核心网可以根据油田企业用户定制成小型化和高集成,基站由基带单元BBU+射频单元RRU组成。系统频率采用1 785 MHz～1 805 MHz频段[19]。

在该项目中,TD-LTE 核心网与网管安装在PRP 平台上,通过平台内的IP 网络传输,连接本平台两扇区基站,通过海底光缆连接CEPB 平台的另一扇区基站。两台基站的TD-LTE 信号覆盖周围的海上平台,各井口平台上的控制信号、视频和语音信号接入CPE终端设备传输到数据传输终端DTU,通过TD-LTE无线网络,将数据传回PRP平台控制中心。系统结构见图3。

图3　4 G TD-LTE系统结构

因海面无线环境比较单一,采用系统模拟得出:单扇区覆盖半径约30 km，单扇区平均速率约为上行22 Mbps、下行19 Mbps[20]。为实际测试4 G TD-LTE的系统性能,在中国某已建海上油田设置相关测试设备。中心平台安装4 G TD-LTE基站采用两个信号覆盖扇区,分别指向附近两个井口平台,单站覆盖半径35 km。两个井口平台分别安装4 G TD-LTE无线终端1台,语音和数据信号通过IP网络与无线终端连接。采用两扇区每扇区20 M同频组网方式,时隙配比使用IU∶3D。

测试的无线通信指标包括上下行业务带宽、信噪比、接收功率等,数字通信指标包括吞吐量、丢包率、系统时延等。通过Ping双方的地址测试传输链路的丢包率和系统延时。TM 3自适应传输模式下,上下行接收功率、信噪比、吞吐量等指标随时间的变化曲线见图4～6。

图4　上下行接收功率随时间变化

图5　上下行接收信噪比随时间变化

图6　上下行业务速率随时间变化

测试结果：

1)上下行功率及信噪比的变化不会对业务速率带来明显变化,测试期间上行速率稳定在10～14 Mbps,下行速率稳定在37 Mbps左右,满足油田的各种业务需求。

2)测试期间的天气经历大风、大雨及多云状况,此期间上下行速率均未出现明显的波动；大雾大雨天气对系统各项性能指标有一定影响,但是对上行和下行传输带宽无明显影响。

3)通过Ping包,网络延时为23 ms左右,丢包率为0,设备长时间运行稳定可靠。

通过测试可知,4 G TD-LTE技术各项指标明显好于传统微波通信技术,能够满足项目通信需求。

5结论

1)综合而言,4 G技术在可靠性、稳定度以及带宽等方面均优于传统微波传输技术,而且4 G的工作频率使用专网频率,更适合专网应用,提高了网络的可靠性。

2)4 G TD-LTE技术比较适合油气田群无线通信组网,后期终端设备接入非常方便,无需对基站和核心网进行改造,在未来海上智能油气田建造中,可采用多个4 G TD-LTE基站覆盖尽可能多的海域,将周边平台、移动船舶等设施纳入其覆盖范围,为海上油气田信息化系统提供高速无线数据传输链路,并与油田原有通信系统相互融合补充,达到降低投资及高效利用现有通信系统的目的。

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收稿日期：2015-11-23

作者简介：杨金丽(1984-)，女，山东寿光人，工程师，硕士，主要从事海上平台通信系统设计，系统监测等工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.018