TD—LTE無線通信技術用于油田生產數據傳輸

中海油信息科技有限公司天津分公司

TD—LTE無線通信技術用于油田生產數據傳輸

郭延海中海油信息科技有限公司天津分公司

TD—LTE無線通信系統采用了單邊帶信號調制、TDD、傳輸通道抗衰落、編碼調制、移動天線射頻等技術，在油田數據傳輸專網中連接數據終端設備，進而實現專網內部數據資料的共享。數據在通信信道傳輸中能減弱外界電磁場的干擾力度，保證傳輸數據信號的有效性。該系統的傳輸信道分成等間隔的32個信道，其中上行信道16個，下行信道16個。上行信道負責數據的編碼，下行信道負責數據的傳輸。無線局域網的組建要根據不同的IP地址進行劃分，以達到共享石油專網內的數據資源的目的。

TD—LTE；通信；專網；編碼；數據傳輸

當前油田企業基于TD—LTE（分時長期演進）技術組建的小型局域信息網能夠有效共享內部數據資源，會根據不同的IP地址以及TCP/IP協議完成相應的配置。油田內部數據信息在傳輸信道中經過信號調制、信源編碼、增大終端機的發射功率等環節處理，可以減緩傳輸過程中出現的比特數據流延緩現象；另外，TD—LTE技術可以擴展油田傳輸系統中的傳輸信道帶寬，當頻分和時分共同占用一個信道時，傳輸的幀比特流能夠完成不同信道之間的轉換[1]。

1 TD—LTE的關鍵技術

1.1 單邊帶信號調制

油田生產數據傳輸系統中的數據信號從信源設備發射后，需要經過帶通濾波器完成傳輸信號波形的轉換。傳輸信號波形分為正弦波和余弦波兩種。其中單邊帶信號調制的幅值為±1，波形信號幅值到達1時，抑制信號調制器把波形的峰值降為最低（-1）；同時波形信號的波谷達到最低點時，相應的也能將其峰值調制到最大值1[2]。

1.2 TDD（時分雙工）技術

油田生產系統中的數據傳輸技術按時間傳輸間隔交換，交換時間間隔3～4 s。數據源從傳輸系統中的終端設備傳至信源設備時，需要完成兩次時間的累積。這種雙工技術模式與傳統油田系統中的單工技術相比，傳輸數據的時延縮減為原來的一半[3]。雙工技術模式的傳輸路徑為兩條，一條傳輸至終端設備處理器，另一條為回路數據的傳輸。數據傳輸技術模式如圖1所示。由于油田生產傳輸系統采用的是全雙工技術雙向傳輸模式，因此信號傳輸的穩定性能高，能夠實現終端設備與信源設備同時收發數據比特流。該技術采用傳輸與接收兩個信道，上層信道為數據傳輸信道，下層為數據接收信道。在上層信道中，數據比特流經移動臺傳輸至移動業務交換中心，信息數據碼流被壓縮成數據塊，經交換設備路由傳輸至終端機。下層信道則可以實現數據碼流讀取及傳輸的功能，在接收數據信息后，處理器會讀取幀比特率的有效信息，分析后將讀取的信息反饋至傳輸設備，檢查數據讀取的完整性。這種傳輸結構模式縮短了數據信息傳輸的延時，數據信息反饋時間縮短為0.8 s。

圖1 數據傳輸技術模式示意圖

1.3 傳輸通道抗衰落

油田數據傳輸系統中的移動臺與通信基站之間的傳輸主要依靠無線電磁波，在傳輸過程中，周圍電力線發射的電磁波會干擾信號強度。移動臺發射無線電磁波的衰減率為N=V/(λ/2)，其中V為數據信息在傳輸信道內的速率，λ為外界電磁波的波長。如果增大電磁波波長便能有效地控制抗衰減系數，一般采取增大信源設備發射功率的方法來提高傳輸速率[4]。

在傳輸系統一級電路信號功率放大過程中，數據信號容易在通信線路中發生全反射現象，使數據信號的碼片呈現離散狀態。在距終端處理器3/4位置處，繼續進行二級數據信號功率的放大，使傳輸線路中產生電磁波的強度高于外界干擾電磁波的強度，讓傳輸信道內的電磁波與外圍電磁波相互抵消，可降低其電磁波的外圍強度。并且電磁波在相互抵消過程中，也進行了一部分的疊加，從而增強了通信信號強度。

1.4 編碼調制

油田數據傳輸系統編碼調制分為二進制編碼調制、十進制編碼調制以及十六進制編碼調制。

十進制編碼調制的輸入端有10個數據連接點，每個數據點代表不同的數據值。輸出部分的連接點共有4個，形成為8421十進制編碼。該數據連接點的排布從左向右為I0～I9，當編碼的數字首位為0，其他數字為1時，輸出端編出的碼型序列為0；當編碼的數字第二位為0，其他數字為1時，輸出端編出的碼型序列為1；當編碼的數字第三位為0，其他數字為1時，輸出端編出的碼型序列為2，以此類推，即為十進制編碼轉換原則。十進制編碼比二進制編碼過程復雜，但保密性能比二進制好。

十六進制編碼與十進制編碼過程相類似，但是對9以后的數字編碼要用ABCDEFG進行編制，當編制的數據信息為103131156時，那么接收到的編碼序列即為A3D1F6。

數據傳輸系統中二進制編碼技術通常應用于傳輸話音信號，其優勢為編碼技術簡化，占用的信道寬；十進制編碼和十六進制編碼技術應用于傳輸視頻信息與數據信息，這兩種編碼技術保密性能佳，并且在傳輸數據信息中添加了冗余碼與糾錯碼，可保證傳輸信息的有效性。

1.5 移動天線射頻

移動天線射頻技術中的設備根據俯仰角度不同，分為全向天線與定向天線兩種類型。全向天線由于覆蓋范圍大，發射功率低，所以容易受到大氣層中電磁波的干擾，使傳輸的數據信號失真，這種設備多用于油田空曠地區。定向天線覆蓋范圍小，傳輸距離遠，但是發射的功率信號只能朝一個傳播方向，如果在大型油田建筑群體設立單獨的定向天線，發射的信號就會被障礙物吸收，因此每個建筑通常設立3個天線，每個定向天線覆蓋的范圍為120°，組成一個全向覆蓋范圍區域。每個定向天線的俯仰角度控制在15°范圍內，定向發射的頻率為8 000Hz。在發射射頻功率過程中，發揮主要功能的設備為耦合器，其結構組成為直流耦合端、輸入端、隔離端及耦合輸出端。

2 TD—LTE技術的應用

2.1 數據傳輸信道

TD—LTE無線通信系統的傳輸信道分成等間隔的32個信道，其中上行信道16個，下行信道16個。上行信道負責數據的編碼，下行信道負責數據的傳輸。上行信道具有數據信息編碼和譯碼功能，可以在數據編碼過程中添加冗余碼和糾錯碼。在數據字符串間添加冗余碼的過程中，上行信道會根據冗余碼的排列順序進行翻譯，若對等的字符串沒有得到有效的翻譯，編碼器便會重新接收冗余碼，再一次進行翻譯表達，直到油田數據終端設備接收到的數據信息與信源設備輸出的信息一致，才會完成對數據信息的譯碼。

2.2 油田數據傳輸系統無線局域網

無線局域網的組建要根據不同的IP地址進行劃分，以達到共享石油專網內的數據資源的目的。IP地址段分為4個區域段，A類IP地址段為0～127，B類IP地址段為128～191，C類IP地址段為192～223，D類IP地址段為224～239，每個區域段之間的主機設備都能夠實現遠端控制功能。

3 結語

TD—LTE無線通信系統采用了單邊帶信號調制、TDD、傳輸通道抗衰落、編碼調制、移動天線射頻等技術，在油田數據傳輸專網中連接數據終端設備，進而實現專網內部數據資料的共享。數據在通信信道傳輸中能減弱外界電磁場的干擾力度，保證傳輸數據信號的有效性。

我國石油行業發展迅速，應用TD—LTE技術建設石油信息化專網，為石油通信行業帶來新的希望，也為整個石油系統通信提供一個安全可靠的工作環境。這種技術不單用于石油行業中，在其他行業也正逐步擴展，為我國通信行業開辟了廣闊的發展前景。

[1]容濤，張乃祿，劉祥周，等．基于物聯網的智能井場數據傳輸系統[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：27-28.

[2]呂紅衛，馮征．EPC架構核心組網方式分析[J]．電信工程技術與標準化，2010，23（11）：13-15.

[3]彭木根，王文博．3G無線資源管理與網絡規劃優化[M]．北京：人民郵電出版社，2006.

[4]魏更宇，張冬梅，王縱，等．時間關鍵組網技術分析[J]．電信技術，2009（12）：24-26.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.042