远海海域油气平台通信网络技术应用研究

2016-11-29黄海宏

数字通信世界 2016年11期

关键词：海缆远海油气田

邓静，黄海宏，陈磊，李莹

（中海油上海分公司，上海 200335）

远海海域油气平台通信网络技术应用研究

邓静，黄海宏，陈磊，李莹

（中海油上海分公司，上海 200335）

远海海域海上油气田平台与陆地距离较远，受地理位置影响，海上主要的通信方式与陆地传统通信方式区别较大，随着海上“智能油田”的规划发展和建设，需要研究建立一套先进可用的远海海域油气平台通信网络综合解决方案，为海上“数字油田”、“智能油田”的建设提供可靠、有效、低成本的信息通信保障。

海陆通信；智能油田

1　引言

远海海域海上油气平台与陆地距离较远，海上平台与陆地间距离远达数百千米，海陆之间通信受到地理环境的限制，通信手段和效果受到极大制约。随着海上“智能油田”的建设，海上平台网络带宽需求日益增加，因此，根据远海海域油气田群特定环境条件，顶层设计、宏观考虑远海海域油气平台通信网络实施应用方案，对实现海上石油、天然气开发过程中的生产和生活数据的采集与传输、保障海上人员和设施安全具有重大意义和应用价值。

2　海上油气田通信现状和需求

2.1海上通信现状

目前，某海域由于受地理位置影响，海上油气田生产平台群距离陆地较远，海陆间的基础骨干通信网络由卫星网构成。海域内又划分为3个区域中心，各区域中心平台间的骨干通信网络也由卫星网构成。各区域中心内部平台间的组网结构是以井口平台向中心平台汇聚，中心平台与井口平台间由短距离光纤链路连接，通过中心平台集中后，再通过卫星链路与陆地进行通信，总体上呈现网状网结构，为该海域的通信及生产业务提供了最基本的保障。目前，该海域主要中心平台海陆骨干链路带宽应用情况如表1所示。

表1 骨干通信带宽现状

从表1可以看出，目前该海域通信骨干网络主要依靠卫星通信，通信手段较为单一。卫星通信存在时延、日凌、雨衰等不利因素，同时通信备份链路不足，面对突发故障，通信将难以得到可靠保障；同时由于卫星骨干链路带宽多为窄带带宽，无法满足未来大规模生产的业务需求。

2.2通信带宽分析

表2为目前该海域的主要业务应用情况。根据统计分析，海上中心平台在开启一路视频会议（1M）和一路视频监控（1M）时，基本网络带宽至少需要达到3.75Mb/s。同时，基于电信运营商的统计数据，近年来企业网数据业务流量年增长率约为20%～30%。综合智慧油田规划的提出以及海上业务系统不断发展要求，我们预测到2020年，海上中心平台的总带宽需求将达到38～50Mb/s，这种需求与目前的网络带宽实际情况存在较大的缺口。

表2 基础业务带宽需求分析

2.3通信距离分析

远海海域海上平台生产作业对通信传输的要求为：远距离、大容量、全天候，其中，远距离是阻碍远海海域海陆间通信带宽发展的最主要的因素。本文所研究的海域，海上油气田平台与陆地之间距离长达300千米以上，建设骨干长距离通信网络可选用的技术手段较少，原来通过卫星网络构建的基础网络，面临着平台与陆地之间通信带宽的瓶颈限制，而进行长距离海缆铺设，又面临着投资与收益平衡的问题。综上可知，如何通过优选通信技术的综合应用，经济有效地规划建设好远海海域海上油气平台通信网络，是目前急待解决的实际问题。

3　海陆远距离通信技术分析

为了建设海上通信“高速公路”，需要选择性能、安全及成本都能满足海上石油开采环境特殊性要求的通信技术，有效改善陆地与平台之间、海上平台群之间存在的通信问题，可选用的海陆骨干网技术主要有卫星通信、海缆通信、微波通信、超视距微波通信等几种。本文将对各种通信技术进行分析和比较，多维度论证最适合远海海域油气田应用的基础骨干组网技术。

3.1卫星通信

卫星通信具有传输距离远、覆盖面广、可靠性高、开通电路迅速等特点，在海洋石油开发生产领域发挥着重要作用。目前，中海油远海海域生产作业平台与陆地间的通信主要是依靠卫星通信技术，而且在海缆系统建设完成之前卫星技术都将是海上作业的主干通道，特别是远洋作业平台及移动船舶只有依赖卫星技术进行海陆通信。但卫星通信存在时延、日凌、雨衰等问题，特别是在高降雨区很难避免由雨衰造成的通信中断。

中海油所组建的卫星网主要采用C/Ku波段，C波段一般可用带宽为500～800MHz，Ku波段可用带宽为500～1000MHz。常用的C波段每个转发器提供36MHz带宽，Ku波段每个转发器提供54MHz带宽。不久我国将部署Ka波段卫星，Ka波段卫星具有可用带宽宽、传输容量大、干扰少、设备体积小等特点，可用带宽将可达3500MHz，每个转发器可提供425MHz带宽，这些特点使得其成为未来宽带卫星的发展方向。

3.2海缆通信

海底光缆以其大容量、高质量、高清晰度、低价格，成为目前国际间主要的通信手段。由于光纤具有频带宽，抗干扰小，容量大等特点，因此在跨洋国际通信领域，卫星通信只作为海缆通信的补充手段，只有当海缆出现故障影响通信时，才通过卫星来传输，或是通过海缆系统的其他路由来恢复。同时，海底光缆系统是应用于特殊物理环境中的光通信系统，与陆地光缆系统相比设计更加复杂，技术水平也更加先进。

在海上油气田开发领域推广海缆通信技术的优势在于：系统具有高可靠性，海缆一般不受海上变化的恶劣天气影响，信号稳定性高，光保密性强；而密集波分传输技术的发展使得通信带宽具有无限扩展性；同时，频谱资源具备天然可获得性，与无线方案相比比，无需申请频谱。

显而易见，海底光缆对海上油气田通信服务保障水平的提高是非常直观和明显的，但由于投资巨大，回收周期长，需要根据油藏分布，提前进行规划建设。

3.3微波通信

微波通信是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波进行的通信，数字微波系统可以提供E1-2XSTM-1速率的通信带宽，常用频率为3.3GHz～11GHz范围内。微波通信具有部署快捷、安装灵活、设备紧凑、转运方便等优势，在考虑大气吸收、雨雾、水面反射等因素产生的衰落影响后，在覆盖范围内可以满足各类业务传输的需求，在近海油气田生产领域应用广泛，是海上油气田常用的通信手段之一。

但由于微波的频率高、波长短，其在空中的传播特性与光波相近，具有直线传播的特性，因此在电波波束方向上不能有障碍物阻挡，遇到阻挡信号就会被反射或被阻断，加上受地球曲面的影响以及空间传输的损耗，微波信号每隔50～100千米就需要中继转发。受此影响，在超过100km的远海海域，微波通信难以作为海陆间骨干网技术加以应用，往往作为平台群内部的区域网通信技术。

3.4超视距微波通信

超视距微波通信是利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用而进行的通信，它根据散射媒质的不同，一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。通常所说的超视距微波通信大多是指对流层散射通信，它具备以下的特点：通信距离远，单跳距离可达约300千米；抗干扰能力强，不受核爆炸和太阳耀斑的影响；传输可靠度高，可达99～99.9%；通频带较宽，可达10兆赫以上；能实现多路通信，可以传送电话、电报和数据等。

但超视距微波通信也有其固有的缺点：传输损耗大，且随着通信距离的增加而剧增，因而要用大功率的发射机、高灵敏的接收机及庞大的天线，在海上平台安装场地受限；信号有较深的快衰落，信号电平有明显的季节和昼夜的变化；同时，超视距微波技术是军转民技术，使用前需要向无线电管理部门申请频段。总之，超视距微波通信技术的扩展性不如海缆通信，但单跳传输距离远大于微波通信。经过测试，该技术适合在100～200千米的海陆距离内使用，与卫星通信技术相互备份，可保证海上油气田的全年通信不中断。

4　远海海域油气平台通信网络解决方案

针对远海海域地理位置的特征和未来油气田发展的需求，在构建远海海域通信网络时，需要采取自上而下整体规划，分层分阶段进行组网建设的策略，通过优化网络结构，从骨干层、汇聚层和接入层几个层级对整个网络进行分层规划和部署。

图1 海上网络分层

4.1骨干层方案

在本海域中，骨干通信网是指陆地通信中心到海上作业区域中心平台之间，以及海上各区域中心平台之间的通信网络，它承担着海上作业区各中心平台到陆地的生产和通信信号、以及各区域中心平台之间生产关断信号的传输功能。该海域各作业平台至陆地通信端站的距离均超过300千米，通信链路跨距远，承载的业务类型多，传输的信号的重要程度高。而目前该区域的骨干通信网是依托卫星通信技术所组建的卫星通信网，在带宽的拓展和安全性方面存在着较大的风险。

随着该海域未来油气田的发展规划，特别是要考虑到为未来智能油田的各种宽带业务应用提供全天候的通信链路支撑，该海域的通信带宽需求量将逐步增大，网络的安全性要求也会越来越高。根据这些特点和需求，综合经济性和发展性两方面因素，对该海域的骨干网络规划进行三期规划：

近期依托完善现有卫星通信网，采用C波段卫星链路作为骨干网络通道，通过星状网和网状网相结合的卫星拓扑结构，满足海域内现有油气平台群的通信需求。同时积极关注Ka宽带卫星技术和超视距微波通信的发展情况，在技术成熟、具备应用条件的情况下将这两种技术加以综合推广应用。

中期随着新的油气平台的建设规划，进行单跨段海缆方案设计，充分利用已建或新建的登陆海管路由，采用无中继海缆系统技术方案，铺设一条陆地端站到海上某中心平台间的登陆海缆。根据最新行业内研究，无中继海缆技术单跨距离已可达450千米，完全满足该海域登陆海缆建设的技术要求。而海域内各中心平台之间，则可采用平台中继方式进行海缆互通，同时保留现有卫星网的少量通信带宽，实现卫星与海缆的链路互备，以确保油气生产对通信带宽和网络可靠性的双重要求，最终形成“全覆盖、大容量、全天候”宽带骨干网络。

远期规划建设另一路由方向的登陆海缆，从而形成该海域的海缆通信环网，以提高网络的安全性，保证各类宽带业务的持续传输。

4.2汇聚层方案

汇聚层是指海域内各中心平台与各井口平台间的通信网络，由于各平台间距离较短，可采用的通信技术手段较多。若平台间铺设有油气管线，则可循着管线路由敷设通信海缆，或敷设光电复合海缆，利用SDH和PDH等传输方式进行业务透传，从而满足高带宽、高可靠性的汇聚层内部各类业务的灵活应用。

若平台间没有敷设油气管线和动力电缆，则可通过在平台间建设高速微波链路完成业务传输，在100千米以内，微波链路带宽可达10Mb/s以上。

4.3接入层方案

传统的海上油气平台内接入层主要采用固网方式，将语音和数据业务接入C波段卫星网络，平台附近海域作业船只通过Ku卫星接入。随着通信技术发展，最先进的第四代通信LTE技术进入方兴未艾阶段。在接入层方案规划中，建议引入LTE宽带技术，实现海上平台无线覆盖。LTE宽带接入的下行吞吐量可达100Mb/s，上行吞吐量达50Mb/s，可覆盖通信和生产网络，支持移动办公、多媒体集群调度、移动巡检生产数据获取、高清视频监控、视频会议等多种无线宽带业务，从而能为海上智能油田建设助力。

LTE技术还能实现超远距离无线覆盖，可以覆盖到相邻的生产平台和移动船舶，满足平台周边30千米的平台和移动船舶的宽带接入，安装部署快捷，扩容方便，维护成本低，可作为新型海上平台接入网建设方案重点推广。