無線Mesh網絡技術在油田單位中的應用分析

摘 要:通過油田數字化建設實現遠程視頻監控、闖入預警、功圖法計量、電子巡井、數據采集等功能，建立起一套現代化的管理決策系統。如何保障數據從復雜的現場地理環境中傳輸到各個井站管理平臺是信息網絡建設的難點。通過對油區地理位置和各種網絡傳輸技術分析研究，通過現場試驗應用，選擇無線Mesh網絡組網技術為實現方案，并就無線Mesh網絡技術在油田應用情況做以闡述。

關鍵詞:數字化; 無線組網; Mesh網絡; 油田網絡

中圖分類號:TN914 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0069-04

Analysis of Wireless Mesh Network Technology Applied in the Oil Field

WANG Ya-xin， HU Fang-jun

(The 2nd Oil Technical Services Department， Changqing Oil Field， Qingyang 745100， China)

Abstract: A modern management decision-making system is established through remote video monitoring， intrusion warning，power diagram measurement， electronic inspection， data collection and other functions， which are realized by the digital construction in the oil field. A good construction of information networks is needed to ensure the data transmission from the complex physical environment to the well stations management platform. Through the research on location of oildom， analysis of various network transmission technologies and the experimental application， the networking technology of wireless Mesh network is the best measure.

Keywords: digitization; wireless networking; Mesh network; oil field network

0 引 言

伴隨數據自動采集、設備自動控制、視頻遠程監控、網絡通訊傳輸等一系列技術在油田的推廣應用，新的網絡需求也越來越突出，尤其是在黃土高原地貌特征下，海拔一般為1 200~1 600 m，溝壑縱橫，自然條件惡劣，地域分布廣闊，使有線網絡建設尤為困難，特別是把巨大數量的油水井井場數據傳輸到井站，如果建設有線傳輸網絡，不但工程量大、投資大，而且建設周期長。針對這一現狀，技術人員對無線網絡傳輸技術進行了對比分析，目前主要有:無線點對點(Point to Point)網絡，也稱為Ad-Hoc模式，靠“無線路由器+無線網卡”來完成數據傳輸，主要應用在辦公樓內無線網絡傳輸;第二種就是移動通信中大量用到CDMA無線網絡和GPRS無線網絡，他們主要區別在基站的射頻信號不同、編碼方式不同，其后臺處理功能相類似。這種通信方式不適合油田企業內容應用，建設和運營成本比較高，要建立基站，無線端末設備先通過基站以無線方式登陸到無線網絡，獲得IP地址，然后與業務處理中心建立TCP連接，數據由移動運營商的GGSN經數據專線連接至用戶的數據中心;第三種無線網絡組建方式采用無線網橋、路由器設備進行組建，此類技術可為大多數寬帶無線接入點到多點頻帶提供解決方案，并可適用于各種各樣的終端用戶，包括從不斷發展的住宅和SOHO到中小型企業(SME)和多租戶單位/多住戶單位(MTU/MDU)[1]。

通過對以上網絡特征分析，認為組成一個含有多跳無線鏈路的無線網狀網絡，比較適合油田復雜的地理環境。

1 油田數字化建設網絡傳輸需求

油田數字化項目建設在數據采集、動態監控方面，主要實現油水井生產數據采集、抽油機電機單相電參監測、抽油機遠程啟停、注水井遠程調配、水源井遠程啟停、井場視頻監控、闖入智能分析、語音報警等功能。在網絡傳輸方面，主要采用有線和無線方式，根據地理特征、場站分布、傳輸效率、成本控制、維護管理等諸多因素，井場到站主要采用無線方式，為確保數據傳輸的可靠性、穩定性，各井站之間主干網絡采油有線方式。井場至井站主要運用無線傳輸網絡，所部署無線網絡系統必須滿足:

(1) 場站分布不均衡，點對點距離遠近不一，要求無線網絡系統支持長距離傳輸，網絡覆蓋面積廣。

(2) 現場數據采集、監控數據項繁雜、數據流量大，要求無線網絡系統傳輸效率高，冗余處理能力強。

(3) 氣候條件多變、自然環境惡劣，要求無線網絡系統設備質量可靠、性能穩定、自愈能力強、維護率低。

(4) 安裝、調試、維護數量龐大，要求無線網絡系統設備價格適中、可控成本。

2 無線Mesh技術簡介

2.1 無線Mesh技術

在寬帶無線接入領域，各種無線通信技術蓬勃發展的同時，一種新的無線網絡技術——無線Mesh網絡也逐漸發展起來，并引起了人們的廣泛注意。無線Mesh網，即無線網狀網，也稱為無線多跳網，它可以和多種寬帶無線接入技術如802.11，802.16，802.20以及3G移動通信等技術相結合，組成一個含有多跳無線鏈路的無線網狀網絡。這種無線網狀網，可以大大增加無線系統的覆蓋范圍，同時可以提高無線系統的帶寬容量以及通信可靠性，是一種非常有發展前途的寬帶無線接入技術[2]。

2.2 無線Mesh網絡架構

傳統的無線接入技術中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構中一般都存在一個中心節點，例如移動通信系統中的基站、802.11 WLAN中的AP等。中心節點一方面與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對無線網絡的訪問;另一方面，中心節點又通過有線鏈路與有線骨干網相連，提供到骨干網的連接。而在無線Mesh網絡中，采用網狀Mesh拓撲結構，也可以說是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節點通過相臨其他網絡節點，以無線多跳方式相連。

無線Mesh網主要由兩種網絡節點組成:Mesh路由器和Mesh終端。Mesh路由器除了具有傳統的無線路由器的網關/中繼功能外，還具有支持Mesh網絡互連的路由功能。Mesh路由器通常具有多個無線接口，這些無線接口可以是基于相同的無線接入技術構建，也可以是基于不同的無線接入技術。Mesh終端可以是筆記本電腦、掌上電腦、PDA以及手機等終端設備。Mesh終端之間互連可以構成一個小型對等通信網絡[3-5]。

2.3 無線Mesh網絡特點

與傳統的無線接入技術相比，無線Mesh網具有一些新的特點:

2.3.1 無線多跳網絡

油田單位井場都分布在溝壑縱橫的山梁、山溝之間，井場與井場大多都無法可視，為了解決這一問題，采用無線Mesh網絡技術。無線Mesh技術開發的目標是在不犧牲信道容量的情況下，擴展現有無線網絡的覆蓋范圍，是在不具有直接視距無線鏈路的用戶之間，提供非視距連接[6]。

2.3.2 具有自管理能力

無線Mesh網具有網絡結構靈活、易于部署和配置、容錯以及網狀連接多點到多點通信等特點，無線Mesh網不需要網絡管理員來手工配置網絡，而可以自動發現新節點，自動完成配置過程，自動維護網絡正常運行，在出現節點/鏈路故障時也可自動調整完成網絡自愈[7]。

2.3.3 多種類型的網絡接入

在無線Mesh網中，既支持無線終端接入骨干網，又支持無線終端之間的對等網絡通信。此外，把無線Mesh網技術與其他無線網絡相結合，可以通過無線Mesh網給這些無線網絡的終端用戶提供無線接入業務[8]。

2.3.4 Mesh網絡設備能耗較小

無線Mesh網中，Mesh路由器一般為靜止不動的設備，而Mesh終端可以是移動或固定設備。Mesh路由器一般沒有能耗的限制，而Mesh終端則采用能耗較小的網絡通信協議。

2.3.5 路由和配置功能的專門化

在無線Mesh網中，雖然Mesh終端也有路由轉發功能，但是主要還是由Mesh路由器來執行路由和配置功能，大大減輕了普通Mesh終端的負載[9]。

2.3.6 寬帶QoS業務支持

無線Mesh網的大多數應用都是具有不同QoS要求的寬帶業務。這樣，除了端到端時延和公平性以外，還需要在通信協議中考慮時延抖動、聚合吞吐量、每節點吞吐量以及分組丟失率等性能評價指標。

3 無線Mesh網絡在現場的應用

目前，無線Mesh技術在本油田的一個增壓點試驗應用。

3.1 應用井場描述

增壓點位于最高點(如圖1所示)，海拔約1 650 m，共管理10個井場，分別位于山梁之間，由于山體遮擋，可視性差。其中，關136-147、關136-149、關132-147、關134-149井組與增壓點可視;關135-133、關136-123、關134-112與關136-147井組可視，與增壓點之間不可視; 關138-145、關140-143與關132-147井組可視，與增壓點之間不可視; 關132-146與關134-149井組可視，但與增壓點之間不可視。

圖1 增壓點分布示意圖

目前該增壓點所屬的10個井場已經使用了視頻監控、數據采集、遠程控制等數字化技術，井場的數據傳輸主要靠無線網絡。為此，對該增壓點的無線網絡進行了分析和設計，一方面是滿足生產工作的需要，另一面使網絡結構更加優化，達到無線Mesh網絡的設計要求。

3.2 應用目的及內容

在井場和增壓點之間建立無線通訊鏈路，保證井場和增壓點之間數據穩定的傳輸;無線網狀網技術驗證。

3.3 應用測試內容

應用測試內容如下:

井場的視頻監控數據流暢的傳回增壓點;

井場采集的數據穩定的傳回增壓點;

對井場的一些設備準確的遠程控制;

網絡的冗余備份;

最優路徑選擇;

單臺設備的多業務支撐驗證;

實際應用帶寬的提高;

網絡容易擴展。

3.4 解決方案

3.4.1 網絡拓撲

根據井場分布情況，對增壓點及所屬井場進行了網絡結構設計，在網絡拓撲圖(如圖2所示)中，以增壓點這個井站為中心，使用中心路由器，在關136-147、關132-147、關134-149井場使用MSR2000，其余井站使用端點設備MST200，建立無線網狀拓撲，達到多跳接入和具有冗余備份網絡結構。

圖2 增壓點無線網絡拓撲結構

3.4.2 設備選型及功能要求

本次試驗應用產品是阿德利亞公司的MSR2000，圖3為MSR2000無線路由器，其具體獨特的雙載頻設計，適用于網絡邊緣節點和對單節點無線容量要求不高的廣覆蓋部署中，支持業界領先的無線路由、漫游和視頻壓縮傳輸等技術，其突出的性能也完全滿足網絡關鍵節點的要求。

圖3 MSR2000無線路由器

MSR2000與大多數二層Mesh廠商的產品只能形成樹狀網絡不同，其具有的三層結構，提供與有線網絡一致的真正的無線網狀網拓撲結構，支持跨IP子網的快速漫游和切換，Motrix漫游技術和無線網絡AWR技術完美結合，使無線網狀網設備具有為話音、視頻和其他實時業務提供高速率、低時延、無縫漫游和平滑切換等突出的性能[10]。

4 應用效果

在油田使用的無線Mesh網絡，使不同地理位置下的無線接入設備間通信成為可能。無線Mesh網絡在滿足傳統的數據上網服務的同時，采用高優先級別傳輸語音，能夠確保視頻、話音質量。

無線Mesh網絡組建十分便利，只需在井場電桿上安裝無線路由器和終端設備，就可以快些搭建網絡，通過井站有線網絡進行級聯，可以構成一個本單位，跨區域的大局域網。

在Mesh網絡中數據通過中間節點進行多跳轉發，每一跳至少都會帶來一些延遲，隨著無線Mesh網絡規模的擴大，跳接越多，積累的總延遲就會越大。目前解決這一問題主要是通過增加Mesh節點以及合適的網絡協議[6]。

與WLAN的單跳機制相比，無線Mesh網絡的多跳機制決定了用戶通信要經過更多的節點，數據通信安全問題就越變得不容忽視。就像Internet本身一樣，它的安全隱患是眾所周知的。除了使用的各種端到端安全技術外，還可以應用虛擬專用網(VPN)同樣可以用來解決無線Mesh的安全問題。

5 結 語

無線網絡依據其自身所具有靈活性和移動性，安裝便捷，易于進行網絡規劃和調整，故障定位容易，易擴展性等特點，在有線網絡無法覆蓋的地域已成為各行各業首屈一指的選擇，也必將為石油系統數字化建設帶來更快捷、更穩定的信息網絡傳輸通道。無線Mesh網絡從本質上說，Mesh網絡是一種類似于點對點的無線網絡架構，這種架構可以大大減少網絡的基礎設施成本;它還可以在不同異構的環境下提供多種服務;當用戶在高速移動時，或者在較大范圍的區域內可以通過3G或2.5G傳輸語音、數據;在局部的范圍內可通過WLAN提供寬帶網絡服務，例如視頻點播等。隨著Mesh網絡技術的進一步發展，它最終可在企業的辦公環境中將辦公室電話或者手機進行整合。尤其是在油田單位，野外自然條件惡劣、地理位置差，生產區域廣的條件下無線Mesh網絡具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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