TD-LTE在新疆油田油氣生產物聯網示范工程中的應用

韓 光，林 海

（新疆油田公司數據公司，新疆 克拉瑪依 834000）

油氣生產物聯網系統（A11）是中國石油天然氣集團公司“十二五”重點建設項目之一。2012年，中國石油信息化工作會議將A11系統建設作為集團公司三大標志性工程之一，為中國石油生產經營平穩較快增長和發展方式的轉變提供有力支撐。

2008年，新疆油田全面建成數字油田；2010年，在全國率先啟動智能油田建設，具有豐富的油田數字化建設經驗。通過油氣生產物聯網系統示范工程的建設，能進一步促進新疆油田公司數字化建設程度，發揮示范工程的引領效應。

油氣生產物聯網系統分為采集與監控子系統、數據傳輸子系統及生產管理子系統三層架構，通過傳感、射頻、通訊等技術，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產對象進行全面感知，實現生產數據、設備狀態信息在生產指揮中心及區域監控中心集中管理和控制。系統圍繞油氣生產運行需要，以實現生產操作自動化和優化生產管理流程為目標，通過搭建規范、統一的數據管理平臺，支持油氣生產過程管理，提高生產工作效率，優化勞動組織用工，服務油田生產的精細化管理，進一步提高油氣生產決策的及時性和準確性。

1 TD-LTE技術介紹

1.1 TD-LTE技術簡介

TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）即分時長期演進，是基于OFDMA技術的新一代寬帶無線通信網，是由3GPP組織制定的全球通用標準，包括FDD和TDD兩種模式用于成對頻譜和非成對頻譜，其主要性能包括以下幾個方面：在20 MHz頻譜帶寬能提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率；改善小區邊緣用戶的性能；提高小區容量；降低系統延遲；支持100 km半徑的小區覆蓋；能為350 km/h高速移動用戶提供超過100 kbps的接入服務；支持成對或非成對頻譜；采用全IP化的網絡體系。TD-LTE技術的應用，為新疆油田油氣生產物聯網示范工程提供高速、可靠的數據傳輸通道。

1.2 無線網絡技術演進路線

TD-LTE，也就是以TDD為基礎的LTE技術逐漸成為全球公認、使用非對稱頻譜的解決方案。LTE標準是未來無線通信技術發展的方向，其具體架構如圖1所示。

圖1 無線通信技術的演進路徑

無線通信網絡技術的演進發展經歷了第一代模擬蜂窩系統（1G）、數字移動系統（2G）、第三代移動通信系統（3G）之后，正在進入LTE及以后的第四代移動通信系統（4G）時代。LTE是無線通信技術演進的主流方向，并將最終演進到單一網絡。

1.3 TD-LTE的優勢

（1）支持1785－1805 MHz，相關設備已獲得工信部（國家無委）頒發的1800 MHz頻段產品型號核準證（入網證）。（2）建設1.8 G TD-LTE的專網，頻段專用，可靠性、安全性更高。（3）支持5 MHz、10 MHz、20 MHz帶寬，支持用戶數多。（4）延遲短，端到端延時≤5 ms，更適合自動化控制、視頻監控等實時性業務。（5）速率高，下行速率最大100 Mbps，上行速率最大50 Mbps，支持靈活的上/下行時隙分配，適合油田業務開展。（6）TD-LTE基站采用8通道天線，每通道功率可達12 W，有效增加覆蓋，節約基站、配套的數量，有效節約投資。（7）LTE是無線通信技術體制的演進方向，代表無線通信技術的未來。

1.4 TD-LTE關鍵技術

1.4.1 OFDM技術

OFDM即正交頻分多路復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），與傳統多載波調制（MCM）相比，OFDM調制的各個子載波間可相互重疊，并且能保持各子載波之間的正交性。它是將高速的數據流分解為N個并行的低速數據流，在N個子載波上同時進行傳輸。這些在N子載波上同時傳輸的數據符號，構成一個OFDM符號。

OFDM技術有以下優點：第一，可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高頻譜利用率；第二，各子信道上的正交調制和解調可以采用IDFT和DFT實現，運算量小，適合高速數據傳輸；第三，所有子信道不會同時處于頻率選擇性深衰落，通過動態子信道分配充分利用信噪比高的子信道，增強抗衰落能力，提升系統性能。

1.4.2 多天線技術

多天線（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技術是TD-LTE系統的關鍵技術之一，通過在發送端和接收端同時使用多根天線，擴展空間域，充分利用空間擴展所提供的特征，從而提高系統容量。

MIMO信號可以通過兩種不同的方式來改善無線通信：一種是分集（Diversity），另一種就是空間復用（SpatialMultiplexing）。在信干噪比較低的區域，常采用分集提高信號增益；在信干噪比較高的區域，多采用空間復用提高流量。

1.4.3 小區間干擾協調(ICIC)技術

小區間干擾協調技術，基本思想是以小區間協調的方式對資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或在一定時頻資源上限制其發射功率。ICIC從資源協調方式上可分三類：FFR(Full Frequency Reuse)全頻率復用，SFR(Soft Frequency Reuse)軟頻率復用，FFR(Fractional Frequency Reuse)部分頻率復用。三種模式中，軟頻率復用在頻譜利用率和調度復雜度上達到很好的平衡，目前業界主要研究使用的是SFR。

1.4.4 靈活的調度策略

TD-LTE系統是時、頻二維調度，調度器對系統的性能具有顯著影響，主要表現在較強的小區間同頻干擾情況下對服務質量（QoS）的保證上。其調度主要通過以下方法實現。

（1）根據信道質量、歷史吞吐率、QoS要求和公平性策略決定用戶的調度優先級及用戶內各業務的調度優先級；（2）根據用戶業務量、信道質量、QoS要求、公平性策略、用戶位置信息及鄰區干擾信息等分配時頻資源、空域資源或功率資源；（3）根據用戶的信道質量、發射功率、空間相關信息等，最終確定MCS等級、傳輸方式等。

1.4.5 HARQ

HARQ(混合自動重傳請求)是一種前向糾錯FEC和重傳ARQ相結合的技術，通過第一次傳輸發送信息bit和一部分冗余bit，而通過重傳發送額外的冗余bit，若第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多冗余bit降低信道編碼率，從而實現更高的解碼成功率。若加上重傳的冗余bit仍然無法正常解碼，則進行再次重傳。隨著重傳次數的增加，冗余bit不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。HARQ與AMC配合使用，為LTE的HARQ進程提供精細的彈性速率調整。

1.4.6 基于全IP技術的核心網

TD-LTE系統核心網EPC是一個基于全IP的網絡，并支持IPv6技術，可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種窄中接口接人核心網；同時，核心網能把業務、控制和傳輸等分開。采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡(CN)協議、鏈路層是分離獨立的。

1.5 與現有無線技術對比分析

目前主流的無線網絡接入技術包括以下幾種。第一，WIFI(Wireless Fidelity)即無線保真，目前可使用的標準有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE 802.11g和IEEE802.11n。第二，3G第三代移動通信，分為TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三種。第三，LTE（Long Term Evolution），長期演進。LTE也被通俗的稱為4G，是目前所有主流無線通信技術的演進方向。LTE標準分為TD-LTE和FDD-LTE兩種，TD-LTE是時分雙工的LTE，FDDLTE是頻分雙工的LTE。TD-LTE技術可以靈活利用頻譜，提高頻譜利用率，支持非對稱業務，上下行帶寬可以不同，比較適合上行流量多的物聯網應用，如政府、企業無線專網等。油田分配的可用頻段有限，而FDD-LTE技術需要采用對稱的頻率組網，在此只對比TD-LTE技術。WIFI、3G、TD-LTE技術性能對比如表1所示。從表1可以看出，TD-LTE在無線寬帶接入技術中具有領先優勢。

2 TD-LTE在新疆油田A11示范工程的應用

新疆油田是集團公司油氣生產物聯網系統（A11）示范工程的試點單位之一，確定在風城油田作業區、采油二廠開展油氣生產物聯網示范工程建設。新疆油田A11示范工程的數據傳輸子系統采用TD-LTE技術，可以為油氣生產物聯網系統中的采集與監控子系統和生產管理子系統提供一條可靠、高速、及時、安全的信息數據傳輸通道。TD-LTE網絡具備安全性高、覆蓋范圍廣、百兆級帶寬、低時延、上下行速率靈活調整、我國自主知識產權等優勢，非常切合油氣生產物聯網系統對數據傳輸寬帶接入的需求。

表1 WIFI、3G、TD-LTE技術性能對比表

2.1 建設和應用目標

TD-LTE無線寬帶專網緊密圍繞A11工程的總體目標，立足新疆油田通信特點和需求，在充分整合和利用油田現有資源的基礎上，針對油區內的油井分布狀況，結合智能感知技術及監測終端，深入開展物聯網建設，建設高速、移動、安全的無線網絡。

新疆油田A11示范項目數據傳輸子系統使用TD-LTE無線網絡系統，由基站、核心網、終端組成，網絡結構示意圖如圖2所示。

圖2 TD-LTE系統架構示意圖

如圖2所示，核心網設備基于全IP技術，提供包括用戶位置信息的管理、網絡特性和業務的控制、信令和用戶信息的傳輸機制等功能。提供用戶數據的傳輸、系統接入控制（接入控制、擁塞控制、系統信息廣播）、無線信道的加擾解擾、移動性管理（切換、位置定位）等功能。建設在新疆油田數據公司中心機房，便于網絡管理與維護。

TD-LTE基站采用分布式架構，由基帶單元BBU與射頻單元RRU組成，BBU與RRU通過光纖連接，BBU安裝在室內，RRU通過光纖拉遠到鐵塔頂端安裝。基站采用三扇區配置，即每個基站配置1個BBU＋3個RRU。BBU采用集中放置方式，通過光纖將RRU拉遠到基站站點的鐵塔頂端安裝進行無線覆蓋，采用8通道定向天線，三扇區定向覆蓋。

終端由CPE(提供FE接口、RS232接口、RS485接口）和移動熱點MIFI（將4G信號轉換為WIFI信號）兩種終端組成。

該系統主要實現油氣生產物聯網中以下幾個方面的應用。（1）數據采集。油井無線數據回傳、計量間無線數據回傳與遠程控制、中轉站無線數據回傳、配注間無線數據回傳與遠程控制、注水井無線數據回傳與遠程控制等數據采集。（2）油井視頻監控。在油田行業中，不法分子偷油、破壞現象時有發生，以提高生產效率、促進安全生產為內容的石油信息化工作已成為油田急需開展的一項工作。（3）可視化生產調度，滿足生產調度要求。（4）油田信息化。通過無線的延伸，可以將企業信息化的終端由傳統僅能到辦公室延伸到操作現場，從而解決原始信息直接實時進入企業管理系統，提升企業管理系統的準確性和實時性，提升企業管理系統的效率。（5）視頻應急（搶修）通信。在突發事件情況下，可以通過TD-LTE無線網絡視頻應急（搶修）通信車，把事件現場情況通過視頻進行反饋并應用通信車上的會議電視系統進行電視會議，解決現場困難。（6）移動巡檢。通過TD-LTE無線網絡，方便移動巡檢，將巡檢結果實時反饋到后臺，并通過定位系統對巡檢人員進行準確定位。

2.2 應用效果

依托覆蓋新疆北部四環一星的骨干承載傳輸網絡，已在新疆油田風城油田作業區、采油二廠建成一張高速、移動、安全的4G無線寬帶網絡，覆蓋風城作業區、采油二廠所有示范生產區域。4G網絡的應用，使新系統的生產數據及時性、完整性、安全性和可靠性均大幅提升，不但確保對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產對象全面感知數據和生產指揮中心及區域監控中心集中管理控制數據高速傳輸，還可以解決井場視頻監控、移動視頻監控等系統受之前無線網絡傳輸帶窄和傳輸距離短限制難以實施的問題。

新疆油田TD-LTE無線寬帶網絡，通過4G的CPE終端為RTU等智能裝置提供高速網絡接入端口，進行設備信息采集、控制指令和音視頻數據的傳輸，其具體結構如圖3所示。MIFI移動熱點設備將TD-LTE網絡轉換為WIFI信號，供手持巡檢終端設備接入到巡檢管理系統，實現操作員工對巡檢任務的管理、數據的自動采集錄入、異常或故障設備的圖像采集傳輸、巡檢軌跡查看等應用，滿足采油崗、熱注崗、集輸崗、SAGD崗日常巡檢的需求，并實現全流程工藝生產監控、遠程指揮、指令下達、實時通訊等功能。

TD-LTE無線網絡系統提供標準的網絡接入端口，具有高帶寬、覆蓋廣等特性，為油田生產發展、應用和推廣更先進的智能裝置提供可靠、高效的傳輸通道。為油田信息化和工業化的深度融合提供有力的基礎支撐。

圖3 新疆油田TD-LTE網絡應用結構示意圖

3 結 語

TD-LTE技術在新疆油田的首次應用，構建了油田無線寬帶傳輸網絡，提升油氣生產數據傳輸的可靠性和實時性，滿足油氣生產物聯網系統對數據傳輸子系統的需求，為油氣生產對象的全面感知提供基礎數據傳輸、采集保障。將在新疆油田業務不斷發展和智能油田建設中全面發展。

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