基于5G尊享专网的野外智能节点油气勘探系统研究

2022-09-08吕艳艳宋志翔

江苏通信 2022年4期

桂林吕艳艳宋志翔

1.中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司；2.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院

0 引言

地震勘探是用于寻找石油、天然气、煤炭等矿产资源的主要手段，高品质地震数据获取是地震勘探乃至整个油气工业的核心目标。野外地震数据采集是油气地震勘探工程中的关键工序。传统野外勘探任务采用有缆设备进行数据采集，资源消耗较大。同时，有缆设备相对笨重，布放设备时人力资源消耗大，采集道数多，排列故障对施工效率影响很大。

随着技术的演进，新推出的节点设备可实现无缆部署，相比有缆设备，无线节点采集设备的优势明显，无线接入方式省去了大量测线电缆，更轻便可靠、部署简单、易于操作，每人可携带100个，可减小用工量约45%，提高施工效率约40%，兼具高装载和高回收周转率。现有无线节点采集设备主要使用WiFi技术，由于WiFi技术覆盖范围小，且频率资源为公用频段，干扰不可控，只能满足小范围、少量节点的数据传输。而传统4G技术上行数十兆速率也无法满足石油勘探领域数字地震仪的数据传输要求。

5G具备Gbps级传输能力及广阔的覆盖范围，可以极大改善无线传输瓶颈。本项目从设备部署、传输效率、质量控制、工作成本几个维度进行了有缆设备、节点设备和5G智能节点仪的方案部署效果对比，详细内容见表1所示。

表1 有缆设备、节点设备和5G智能节点仪部署分析表

本项目野外智能节点油气勘探系统应用了先进的5G尊享专网、大数据和人工智能等技术，具有低功耗、实时质控、大带宽海量带道等优势，使地震采集生产方式由劳动密集型转向技术密集型。

1 需求分析

按常规应用计算，按1 ms采样率计，每个采集站每秒产生的纯数据量是3 KB，即24 Kbps。1000个采集站的速率需求是24 Mbps，1万道采集站的速率需求是240 Mbps，10万道采集站的速率需求是2.4Gbps+。同时，野外环境要求网络服务范围达到千米级。

5G可达到高于10 Gbps的速率，将5G技术引进到节点设备中来，可以解决当前节点设备的技术难题，系统可实现10万带道能力及同步采集和实时质量监控。根据目前3GPP 5G演进计划，2022年后R17版本将冻结，基于此标准可实现每平方千米百万级链接，预计8~10年后包括数字地震仪领域都将演进至下一代通信技术。依托5G网络特性，结合边缘计算等技术，可以有效切合野外勘探智能化转型对无线网络的应用需求，保障核心数据的安全管理要求，有效推动相关业务发展。

2 项目关键技术

2.1 系统功能概述

本项目依托5G大带宽、海量连接特性，通过部署专用端到端5G尊享专网支持地震勘探作业现场的海量节点数据回传。由于野外勘探任务作业区域环境复杂，作业地区需滚动调整，需开发小型化、轻量化、可移动，部署灵活、安全级别高的独立5G勘探系统。

基于实际应用场景需求的5G智能地震节点系统，采用了北斗导航、5G通信等国产自主可控技术，融合新一代信息通信技术，攻克了物探数据采集中的无线通信协议、数据传输与存储标准、高精度时间同步与空间定位、高速大容量数据通信、低功耗等技术难关，实现了节点仪的自主同步与定位、实时无线数据采集-传输-存储与质控、节点状态远程监控与采集控制等功能，支持盲采、实时、准实时多种采集模式。

2.2 野外5G组网系统设计

为满足野外组网勘探业务需求，本次采用5G尊享专网进行设计，如图1所示，5G尊享专网采用定制的核心网、专用频段专用基站的方式，通过中央站承载5G核心网并将可移动无线5G基站拉远部署至节点区域，实现勘探区域数据业务通信。

图1 野外组网定制化设计

网络架构：新建小型化核心网，包含UPF功能，节点采集数据通过5G空口回传，实现本地处理能力。

无线网络：承载车辆上架设4.9 Ghz的5G基站，在需求较大覆盖范围场景中，支持拉远基站的扩容，以实现更大的单次覆盖面积。

2.3 5G组网策略

（1）地震勘探节点仪数据采集建模

地震节点仪野外布放分为常规布局和高密度布局两种模式，两炮间隔时间约为2-5分钟，按常规应用计算，按1 ms采样率计，每个采集站每秒产生的纯数据量是3 KB，即24 Kbps。不同模式下节点仪采集数据量估算如下。

①常规布局数据量估算

x方向10-25米间隔，y方向100-250米间隔，按最大算1平方公里内1000个节点。

单节点数据量：24 Kbps×10 s=240 Kb。

单平方公里数据量（1000节点）：240 Kb×1000=240 Mb。

一炮面积约35平方公里，数据量：240 Mb×35=8.4 Gb=1.05 GB。

②高密度布局数据量估算

x方向10米间隔，y方向20-150米间隔；按最大算1平方公里内5000个节点。

单节点数据量：24Kbps×10s=240Kb。

单平方公里数据量（5000节点）：240Kb×5000 =1.2Gb。

一炮面积约35平方公里，数据量：1.2Gb×35=42Gb=5.25GB。

此外，每平方公里内会有一两个移动点，数据传输2-5Mbps，不是全时传输。

（2）5G频率应用策略研究

中国移动已获得2.6GHz和4.9GHz频段共260M带宽5G频谱，与中国广电达成框架协议合作，共用700MHZ频段实现5G广覆盖。4.9GHz是中国移动行业应用频谱，与公网隔离，干扰可控，可以提供高可靠网络，且帧结构配置灵活，可根据业务需求定制网络性能。考虑到未来不固定位置的室外流动作业需求，项目采用4.9G基站，避开公网2.6G频点干扰。

（3）地震节点仪分布及数据传输需求模型

节点仪数据传输需求分析如图2所示。设置r=1.6km（4.9G频段），5G单基站覆盖接入节点仪数量：正方形内常规布局下，节点仪数量最大约8000支；正方形内高密度布局下，节点数量最大约40000支。

图2 节点仪数据传输需求分析

根据前述分析，在空旷地区，覆盖半径在数千米，覆盖范围内节点仪最高可达数万。考虑目前5G单基站7200用户接入能力，通过部署拉远站、分批次接入及滚动作业方式，可在数秒内完成5G网络（基站）覆盖范围的数千节点仪的数据上传。

2.4 通信设备定制化研发

通过尊享专用5G核心网将可移动无线基站部署至节点作业区域，实现勘探区域数据业务通信，系统支持拉远基站的扩容，本方案主要包括基站、核心网、网管软件定制化研发。5G尊享专网示意图如图3所示。

图3 5G尊享专网示意图

（1）小型化核心网定制化设计

为了保证整体组网的简洁、安全，本项目定制一套专用5GC，部署i5GC控制面（AMF、SMF、UDM），i5GC用户面（UPF）以及管理维护系统（EM）。本产品体积减小80%，适合野外采集车辆部署，且能满足节点采集的相关技术性能要求。5GC功能模块对比如图4所示。

图4 5GC功能模块对比

i5GC采用通用X86架式服务器作为基础设施硬件，系统结构基于标准ETSI NFV架构设计，主要功能组件作为VNF部署在虚拟基础设施之上。

（2）5G基站定制化研发

本方案5G基站为BBU-AAU架构，基带单元映射为单独的一个物理设备BBU，AAU集成了射频单元与天线单元。BBU支持车载堆叠，定制化AAU支持挂载在车载天线架设平台。

（3）网管软件定制化设计与研发

核心网网管基于云计算、虚拟化、微服务、容器化和B/S架构，定制核心网网管产品ElasticNet UME（CN）（UME：Unified Management Expert）。ElasticNet UME（CN）对标ETSI NFVI规范中的EM管理实体（以下简称EMS），针对行业专网运维管理需求，专用5GC EMS简化了大网EMS网管的配置，组件轻量化，降低网管部署资源。EMS同步部署在通信车内，管理业务的专用5GC网元，包括AMF、SMF、UDM、UPF等专网网元（含容灾机房5GC网元）。5G网管软件如图5所示。

图5 5G网管软件

专用5GC EMS网管具备管理节点轻量化、快速开通、自服务、自动故障定位、远程免维等管理特性。EMS提供客户端接口，支持本地及远程运维。

2.5 承载装备定制化研发

为满足野外组网勘探业务需求，设计可移动5G基站挂载方案，具备在各种情况下的高可靠和高稳定运行能力，保障人员、信息、设备和安全，具有强兼容性，具备技术发展和业务拓展能力。

（1）一体化通信车

依据相关标准，进行承载装配的总体设计、改造等工作，提供人员和设备作业所需要的基本条件。根据提供的设备技术参数，合理设计机架及部署方式，预留操作维护空间。考虑工作环境、设备运行等要求配备空调、油机等保障通信可靠性。具体方案如下：

以依维柯VAN-45-33-H2-单排-侧拉门为基型车，利用车载技术平台来实现移动通信。车厢部分根据需求，设计安装2组机柜，规划预留人员操作维护空间，为设备运行提供安全、可靠的保障。通信天线架设平台设计为可升降模式，工作时天线可升高至距地10米以上；车辆转场时，天线可完全收回至车厢内。车顶天窗与天线采用逻辑电路设计，天窗未完全打开时，天线升降机构将锁止。反之天线未完全收回至车内时，天窗将不能关闭。通信车侧视图及俯视图如图6所示。

图6 通信车侧视图及俯视图

（2）拖车

使用拖车方案承载5G拉远站，可实现基站扩容，实现更大的单次覆盖面积，保证无线网络的实时通信。本次移动拉远基站车的改造选用了拖车底盘，车辆内部可安装移动基站主机设备、电源系统、配电柜、控制系统等主要设备，车辆中部装有电动升降桅杆一根，工作时通信信号天线可升至距地13米，车顶上置有通信信号发射平台，与升降桅杆相连。为保证车辆工作时的稳定性，底盘下部四角附近安装有支撑腿，车辆工作时向下打开与地面接触。

2.6 技术创新

本项目采用5G尊享专网定制化建设，基于野外勘探需求，采用4.9GHz专用频段，可移动端到端独立专网，通过中央站承载5G核心网并将可移动无线5G基站拉远部署至节点作业区域。本项目主要技术创新如下：

一是定制轻量化核心网。本项目使用核心网下沉技术，配置一套专用轻量化5GC，更适合野外采集车辆部署，且能满足节点采集的相关技术性能要求，实现野外探测数据业务交换、管理，实现数据不出测试区，保障数据安全，还可以大大节约资源，降低维护难度和成本。

二是使用4.9GHz专用频段。4.9GHz帧结构配置灵活，与公网进行隔离，避免干扰且可根据业务需求定制网络性能。

三是可移动专用5G基站，配置专用AAU和BBU设备，为特殊业务需求的行业提供专网的个性化服务，实现智能节点采集数据的无线传输，通过调节基站位置及参数满足作业区全覆盖、节点仪全接入，保障野外采集车辆进行作业时可实时传输数据及基本通信。

四是搭建大数据平台，实时分析处理采集数据，基于实时数据回传能力，可实现节点采集的QC，根据采集实际情况，进行排障处理，大大提高了现场作业效率。系统实现了首款基于5G的地震采集施工系统的创新和分布式多核数据分割技术创新。

3 实用性分析

一是实现了大规模地震节点仪集中接入，由5G智能节点仪进行数据采集，通过野外5G组网，回传至云端数据中心，仅需1-2秒钟就可以完成数万节点仪的接入、数据上传，大幅提升采集效率。

二是通过部署在现场5G中央站的数据分析平台进行实时数据分析，再由5G回传至节点仪设备进行实时质量控制，可以对节点设备工作模式、参数进行精密调整，提升采集精度。

三是基于5G实时上传的大数据分析，可以对油气勘探系统各部分工艺参数进行优化建议及分析，提升油气地震勘探作业及数据分析效率。

目前，智能节点的研发工作进展顺利，通过了各项设计、技术验证审查和单个智能节点的室内测试，已完成一套系统的设计开发及内场测试，正在进行外场试点。实测报告及现场如图7所示。

经验证，基于5G实时传输和质控的野外智能节点油气勘探系统可以实现大规模地震节点仪集中接入、数据实时回传和实时预处理，大幅提升油气地震勘探作业及数据分析效率。

随着地震勘探技术的发展，大道数、高覆盖次数成为地震行业技术设计的趋势，超级地震队高效生产成为行业主要的生产模式，地震采集生产道数越来越大，采集生产效率也越来越高（日效可达几万炮），每炮几万道的地震排列产生了海量地震数据，这些地震数据的实时传输对有线仪器的数据传输能力提出了极大挑战。通过本项目的研究，利用5G专网解决其“最后一公里”的接入，可以大大节省传输布线的成本和复杂度，极大提高数据采集的效率。