海陆微波天线复用系统在海洋石油平台中的应用浅谈

黎志强

【摘要】    文章简述了海洋石油平台海陆通信系统及海陆微波的应用发展情况，通過对海陆微波无线传输系统模型分析，进一步阐述了海陆微波天线复用系统的特点以及在海洋石油平台海陆通信系统应用中所带来的提升和发展前景。

【关键词】    海洋石油平台    海陆通信系统    天线复用系统    海陆微波

引言：

我国领海面积广阔，拥有丰富的海洋石油资源。随着中国海洋石油工业的快速发展，海洋石油平台的信息化建设也在不断加速。然而受海上环境复杂多变、施工困难等客观因素影响，海上数据通信技术的发展比较平缓，这也制约了中海油信息化系统建设的步伐。近年来，中海油信息科技有限公司深圳分公司积极开拓创新，引进全球先进技术，不断升级改进海洋石油平台的海陆通信系统，其中尤其以海陆微波通信系统的成功应用最具革命性突破，标志着海洋石油平台进入全面网络信息化时代。随着海陆微波通信系统的应用发展，海陆微波天线复用系统的开发应用进一步提高了海陆微波传输带宽和传输可靠性，再次推动了海洋石油平台信息化系统建设的高速发展。本文第二节简单回顾了海洋石油平台海陆通信系统的发展历程，第三节通过海陆微波通信传输模型分析，介绍了海陆微波天线复用系统的应用起源，第四节阐述了海陆微波天线复用系统的系统组成和技术特点，最后在第五节进行全文小结，总结了海陆微波天线复用系统的技术特点。

一、海陆微波应用发展简史

在过去，海洋石油平台主要采用卫星+海缆的较为单一的数据网络通信方式，其中海洋石油平台与陆地办公网络之间主要依赖卫星通信，海缆主要用于海洋石油平台群的中心平台与周边平台之间的数据传输通信。海陆间卫星通信如下图1所示。可是，卫星通信费用昂贵，通常海上石油平台只能开通较低卫星带宽（通常为512kbps～2Mbps）用于海陆通信，导致卫星通信带宽成为海上与陆地之间通信的稀缺资源，仅能用于海陆通信保障及最基本的必要办公需求。而且由于卫星通信数据传输时延较大，大量的其它通信需求无法得到满足，使海洋石油平台信息相对封闭，平台与平台之间、平台与陆地之间的信息传递比较闭塞缓慢。

中海油信息科技有限公司深圳分公司于2008-2009年间，开创性的使用了海陆微波系统。经过长达两年严谨的通信模型分析、试验系统运行、稳定性评估以及系统优化试运行后，海陆微波系统成功开通并维护使用至今。如下图2所示，该系统可以无线连接离岸100-200公里范围内的海洋石油平台，并提供高达50～80Mbps的带宽传输，从而使海上石油平台从“海上信息孤岛”转变为可满足海上石油平台办公、生产、管理和基本日常生活通信等需求的生产生活平台，实现了海上石油平台海陆通信的里程碑式的飞跃。

二、海陆微波天线复用系统应用起源

随着海油信息化系统建设的进一步推进，日益增长的办公、生产、安全管理和日常生活通信带宽需求，对海陆微波的传输带宽提出了更高的要求。如何有效提高海陆微波传输带宽和可靠性，成为一个迫切需要解决的课题。本小节通过对海陆微波传输模型的简单模拟分析，探讨了使用海陆微波天线复用系统的客观因素和起源。

2.1 海陆微波传输模型

海陆微波工作在5GHz频段，相比传统License频段（11-38GHz），5GHz频段的自由空间传输损耗更小，更加适合用于海洋传输。建立海陆微波传输模型有助于理解和分析如何提高海陆微波的传输带宽。图3是一个理想的海陆微波传输模型，该模型不考虑海上湿度、气压、风速、波浪、海上多普勒效应等不可预测的因素。

从该模型可以看出，在理想的理论传输模型中，海陆微波在跨越长距离海面进行传输时，受地球曲率、大气折射率、海面反射等因素影响，对两端微波天线架设的海拔高度有较高要求。为了降低海陆微波信号传输损耗，应尽量提高两端微波天线安装的海拔高度。而海洋石油平台的天线安装高度受平台限制，为了保证海陆微波的传输性能，就需要在陆地端寻找合适的高点进行安装。以下图4、5模拟了提升陆地端高度后，海陆微波跨海传输的理论模型变化。

从上述海陆微波传输模型模拟结果可以看出，海陆微波虽然最大可以传输200公里，但受到地形（海平面）和客观传输环境条件限制，并非所有的陆地高点和海上平台，都能搭建海陆微波传输系统，实现海上平台与陆地直接通信。平台与陆地之间距离越远，则要求陆地端微波安装海拔高度越高。

2.2 海陆微波天线复用系统起源

海陆微波系统的建立，需要在充分模拟评估链路传输性能的前提下，选取理想的海上平台和与之对应的陆地沿岸/海上岛屿制高点，且陆地安装点需具备通信机房/简易机房、通信铁塔、稳定供电等基础设施条件。理论上，可以在合适的陆地站点与对应海上平台之间通过安装多套海陆微波以获得更多的传输带宽，但在实际环境中却比较难实现，原因如下：

1.适合架设海陆微波的海上平台和与之对应的陆地站点数量较少，可用站点资源稀缺;

2.海陆微波因距离远，需求带宽大，为了保证传输带宽，需要使用2.4米或3米的大口径传输天线。同时，为了提高海陆微波传输可靠性，会在陆地安装点采用双天线垂直分集结构实现信号空间分集发送/接收，即一对海陆微波链路仅在陆地安装点就需要安装2副大口径天线。当需要在同一站点新建多套海陆微波链路时，需要安装多套新的天线和天馈系统，除了增加高昂的天线成本（包括天线硬件成本、天线运输成本和天线安装成本）之外，还面临天线安装调试维护困难的问题，并且对陆地站点的铁塔安装空间以及铁塔强度都提出额外的要求，陆地站点现有铁塔空间和强度难以满足新装多条海陆微波链路天线的需求;

3.海上平台空间有限，大型通信系统的安装位置与抱杆都受到较大限制，只能局限在指定区域的指定抱杆上，而无法随意改变安装位置或者新增安装抱杆。如需新建多套海陆微波链路，平台难以提供足够的安装空间和安装抱杆。

上述客观因素导致在现实中难以在原有海陆微波的站点上，通过新增多套海陆微波的方式获得更大的海陆间通信带宽。因此，可直接使用原有海陆微波天线、供电和铁塔，无需新增天线，并通过对原有海陆微波链路升级替换从而实现提升海陆通信带宽的海陆微波天线复用系统应运而生。

三、海陆微波天线复用系统组成和技术特点

海陆微波天线复用系统通过对海陆微波的射频信号和基带信号进行复用处理，实现海陆微波系统传输带宽提升。本节介绍了海陆微波天线复用系统组成和技术特点，探讨了使用海陆微波天线复用系统实现提高海陆微波传输带宽的优势和特点。

3.1 海陆微波天线复用系统组成

海陆微波天线复用系统主要包含两个子系统：1. 海陆微波射频信号复用子系统;2.海陆微波基带信号处理子系统。如下图6所示。

3.2 海陆微波射频信号复用子系统

根据无线通信原理，无线传输系统使用的信道频宽越大，在相同传输条件下信息传输速率越高。同时，在相同调制模式下，调制信号的接收电平RSSI和SNR门限值与调制信号的信道频宽相关。调制信号使用的信道频宽越大，则对接收电平RSSI和SNR门限值要求越高。

以中海油南海油田当前正在运行的一条海陆微波链路为例，该链路传输距離为98公里，使用30MHz的信道频宽，可以稳定提供50-80Mbps的通信传输速率。在试验阶段，为了提高通信传输速率，把信道频宽从30MHz提高到45MHz，链路传输速率最大可提升接近50%，峰值速率可达到70-110Mbps，但是由于45MHz信道频宽在相同调制模式下对RSSI和SNR要求更高，因此比较容易出现调制模式变化，从而造成传输速率波动。在超过一个月的对比观察中，使用更高信道频宽45MHz虽然能够获得更大的短期峰值速率，但平均传输速率相比使用30MHz信道频宽时提升并不明显，反而由于使用了更高信道频宽，影响了无线传输可靠性。

海陆微波射频信号复用子系统并非通过增加信道频宽或者信道捆绑方式提升系统传输速率，而是采用了独立双射频复用处理技术，实现了原有天线/天馈利旧和系统平滑升级，可以有效提高海陆微波传输系统的通信传输速率，同时由于该技术信号处理损耗小，基本不影响原系统的无线传输稳定性，从而同时满足了提升传输带宽、保持无线传输稳定性的需求。

另外，海陆微波射频信号复用子系统还能避免双射频信号之间的串扰和谐波问题。相比简单进行两个射频信号的物理叠加会造成射频信号全频段干扰的结果，该技术很好地保护了双射频的独立性，使之互不干扰。以下两图中，图7展示了双射频信号简单物理叠加时严重干扰的频谱图，图8则是海陆微波天线复用系统下双射频信号稳定独立工作的频谱图。

3.3 海陆微波基带信号处理子系统

海陆微波基带信号处理子系统将双基带信号进行复合处理，并且可以根据实际网络应用需要自由调整工作模式，从而实现灵活的网络部署方式。 处理模式主要有两种：双基带信号堆叠复合，以及双基带信号隔离分拆。在堆叠复合模式下，双基带信号被合并，从而提供更高的通信传输速率，并且在堆叠复合模式下，任一基带信号丢失将不会影响整个基带信号处理子系统的通信传输，实现了双基带信号互为冗余备份的功能。在信号隔离拆分模式下，双基带信号被独立拆分并相互隔离传输，互不影响。

显然，堆叠复合模式适合当单一传输通道需要更大的传输带宽时使用，而信号隔离拆分模式则适用于专用网络划分时使用。例如当网络管理员需要将传输带宽分别独立分配给专用办公网络和平台工作/生活网络时，则更加适用信号隔离拆分模式。

此外，海陆微波基带信号处理子系统还具备另一特点：子系统网元可网管特性及状态可视化管理，既能无缝对接原有办公网络的网管系统，还可给现场通信工程师提供直观、便捷的状态信息。

四、结束语

海陆微波天线复用系统具备以下特点：

1.可在原有海陆微波系统上平滑升级，实现提升海陆间通信带宽的效果，无兼容性问题;

2.可对原有海陆微波系统基础设施进行利旧，包括铁塔、天线、抱杆、供电等，无需担心基础设施配套不足或原有设施资源浪费的问题;

3.很好的延续了海陆微波传输系统的无线传输可靠性和稳定性，且因堆叠模式下可以提供双传输通道互为备份的功能，使海陆微波传输系统更加稳定可靠;

4.可自由配置堆叠模式或隔离拆分模式，网络部署方式更加灵活方便;

5.兼容原有海陆微波网管系统，保持原有使用习惯，便于网络维护。

海陆微波天线复用系统突破了传统海陆微波的限制，提供高可靠（双冗余备份）、更灵活（堆叠模式或信号隔离拆分模式自由配置）、更高速的海陆间无线通信带宽，为海洋石油平台信息化系统建设带来了新的发展机遇。

参  考  文  献

[1] Theodore S. Rappaport， Wireless Communications Principles and Practice， Second Edition， Publishing House of Electronics Industry PHEI， 2012-08， 01-01 [ （美）西奥多 S. 拉帕波特，无线通信原理与应用（第2版），电子工业出版社，2012-08，01-01]

[2]  Zhou C D， Wang Y K， Yang E H. Antenna and Electric Wave. Xian： Xian Electronic Technology University Press，1994. 290–302 [周朝栋， 王元坤， 杨恩辉. 天线与电波. 西安： 西安电子科技大学出版社， 1994. 290–302]

[3]  Meng Y S， Dong F， Lee Y H. Near sea-surface mobile radiowave propagation at 5 GHz： measurements and modeling. Radio Eng， 2014， 23： 824–830

[4]  Duan Z M， Yin X P， Signals and Systems， Fourth Edition， Publishing House of Electronics Industry PHEI， 2020-07 [段哲民，尹熙鹏，信号与系统（第4版），电子工业出版社，2020-07]

[5]  Mo H， Chen B， Shen C. Radio propagation prediction model for maritime mobile communication. In： Proceedings of IET International Conference on Wireless Communications and Applications （ICWCA2012）， Kuala Lumpur， 2012.1–5