LTE230M無線應急系統在油區的應用

魏永剛，安 然，劉會峰

（長慶油田分公司 通信處，西安 716000）

LTE230M無線應急系統在油區的應用

魏永剛，安 然，劉會峰

（長慶油田分公司 通信處，西安 716000）

LTE230M無線應急系統是基于223～235MHz工作頻段，唯一全面支持230MHz1.4GHz1.8GHz混合組網的方案，頻譜資源利用率高，靈活滿足窄帶和寬帶業務并存，單基站覆蓋能力強，大幅降低通信站密度，設備建設數量少，同時大大降低配套、維護投入，適合感知終端數量龐大的工業應用要求。本文主要介紹了LTE230M無線應急系統技術，該系統在油區測試中的效果，以及在后期應用可行性分析。

無線應急；廣覆蓋；低成本；海量接入

為了持續推進數字化油田建設，綠色油田和數字化建設；全面推行新型勞動組織架構，不斷優化勞動組織和人力資源配置；推行集約發展、清潔發展、低碳發展；為此，將引進新的技術LTE230M無線應急系統在油區的可行性試驗。

1　現　狀

安塞油田地處黃土高原，地勢西北高東南低，平均海拔1 200米左右。溝壑縱橫，山大溝深，地面非常破碎，無線衰落和陰影嚴重，標準的黃土高原地貌。安塞油田目前管理1 700多個井場，216個站點，95%以上井場安裝了數據采集系統，所有的站點，重點的井場都安裝了視頻監控設備。多型號自動控制系統、采集設備，品牌不一，多終端設備接口形式模擬、串口、網口。要求單井數據實時性在毫秒級，系統調度實時性為分鐘級，后臺處理和存儲在小時級。目前安塞油田的井場，站點的數字化建設都是通過架設光纜進行的，由于地貌的復雜特點，架設光纜的工作繁重，成本十分高昂，更有一些井場地理位置過于偏遠，分散，數字化建設的成本高于利潤，不適合進行光纜建設，無法進行有效的監控，需要人員進行原始的操作。

光纜的后期運行維護要由專業的光纜維護隊伍進行負責。生產單位一旦發現光纜中斷情況，需要上報上級數字化單位，再聯系光纜維護隊伍進行現場維護工作，同時，井場數據無法正常采集，圖像中斷，會影響生產單位每天正常的油氣生產，對員工的績效考核也會有負面的影響，一些嚴重的光纜情況可能需要超過24小時的維修工作，導致油氣生產產生了不必要的成本，一些不安全的隱患，無法正常系統運行狀況的量化考核等弊端。

2　LTE230M無線應急系統簡介

LTE230M無線應急系統在結構上主要由業務平臺，核心網設備，網管，接入設備，和終端設備組成。

2.1核心技術

LTE230M無線應急系統主要采用載波聚合，OFDM技術，頻譜感知，軟件無線電，干擾協調自適應編碼調制、自適應重傳等LTE核心技術。可以滿足不同容量需求，適應多樣性業務，提高系統和終端設備的峰值傳輸速率，頻率選擇性增益、多服務隊列聯合調度增益。

2.2系統特點

LTE230M系統具有廣覆蓋，海量用戶，高可靠性，高速率傳輸，實時性強，安全性強，頻譜適應性強等特點。

2.2.1廣覆蓋

LTE230無線寬帶通信系統使用230MHz頻段，與高頻段相比，信號傳播距離遠，繞射能力強；更加高效的終端發射機技術和高靈敏度的接收機技術，大大提升了系統的覆蓋能力，單基站覆蓋地域廣，單位面積通信站點少，大幅度降低通信設施基礎建設的投資規模和運行維護復雜度，尤其適用于油氣生產現場的無線通信需求。

LTE230系統的系統資源帶寬粒度滿足不同類型業務的承載，提高終端的發送功率譜密度，有效提高終端上行覆蓋能力，解決一般無線通信系統中上行受限問題。物理層系統方案大幅度提高接收機的信道均衡質量，有效改善解調門限，提高單站覆蓋能力。通過大幅度的提高基站的覆蓋距離，大大減少了單位面積內的基站部署數量，減少了因基站站址征地、塔架架設、機房建設、電源配套、傳輸配套、運行開銷、維護開銷等一系列的相關建設投資，大幅度的降低了系統建設的總體成本。

2.2.2大容量

油氣井生產物聯網的發展趨勢下，越來越多的數據接入點需要靈活的接入物聯網數據鏈中，要求單基站能夠支持終端數量越來越大，依據可擴展性要求，通信傳輸通道數量是通信系統關鍵性指標。LTE230系統全部終端實時在線，共享資源，每個邏輯小區最高支持2 000個終端，單接入設備最多支持6 000個終端。由于單基站容納終端數量的增加，部署和建設成本顯著降低

系統容量設計:預留的隨機接入資源；實時在線，采用半靜態調度，減少調度資源的開銷；在沒有數據傳輸時，用非常低的速率，保持無線鏈路的連接 。

2.2.3高頻譜效率采用4G關鍵技術

通過領先的頻率復用技術、載波聚合技術實現頻譜效率最優。當頻譜是離散的窄帶的時候，可以將每個離散的信道看作一個成員載波，將不連續分配的成員載波進行聚合，并統一分配給一個用戶使用，這樣可以產生大于原來窄帶系統幾倍的傳輸帶寬，從而達到寬帶傳輸的效果。結合高階調制等其他通信技術，單個終端的最大上行速 率可以達到1.76Mbps/MHz。同時，載波聚合能力允許根據終端業務的需求，提供不同聚合能力等級，優化終端成本，提升頻率使用效率。

2.2.4高可靠性

高安全性系統采用多種加密機制，實現了鑒權，空口加密，NAS信令加密；滿足無線通信系統安全傳輸的需要，同時，系統支持用戶端到端密碼設備，保障用電信息的端到端加密傳輸。

先進的加密技術:用戶終端和通信網絡之間的雙向認證；擴展的MTS AKA可信協議信令流程；認證密鑰的一次一密；支持128比特的認證密鑰。

3　LTE230M無線應急系統在油區的應用

3.1LTE230M無線應急系統在油區應用時的組網拓撲

LTE230M無線應急系統運行于延安總站的機房，通過從花皮卯和王南兩個一體化的基站，機房內 核心網設備、網管設備，LTE230交換機組網形成局域網獲得數據信號。系統組網結構如圖1。

圖1　系統組網結構圖

組網描述:系統由LTE230核心網（CP EPC02-230），基站設備CP eNodeB02-230，LTE 內置終端產品CP LCM02-20X組成。

我們在油區花皮卯與王南兩個站點分別作了詳細的現場測試，將接收機固定在車輛上，連接電腦，配合機房操作人員由近及遠進行信號的測試。對花皮卯站做RSRP仿真覆蓋估計如圖2。

仿真結果與規劃區域的無線環境密切相關，由于仿真中地形、天線及電子地圖等因素的影響，仿真結果與實際網絡測試性能存在一定偏差，由于花皮卯站周圍地形以山脈為主，地形復雜，通過仿真結果，可以看出，花皮卯站最遠覆蓋可達10km左右，但在有一些5km內的陰影處和溝壑內都無法正常接收信號，此系統覆蓋率為68%左右。

3.2系統功能在油區應用簡介

LTE230M無線應急系統主要可以實現數據采集，視頻監控和應急通信等功能。如井口功圖計量、數據采集上傳、電子自動巡井、井口自動投球、報表自動生成、管線泄漏檢測以及預警信息共享等。

4　效　果

通過LTE230M無線應急系統在油區的應用，極大地降低了油田數字化建設和維護的成本，提高了油氣生產的實時性，準確性。使用了少量的寬帶和成本，完成了巨大終端數量的數據采集，傳感，自動化控制等要求，覆蓋了大多數地理位置復雜的井場，站點，完成了對油氣生產所上升需要的語音，視頻，圖像的業務要求。使數字化建設在油氣生產上更加方便，快捷。此外，在很大程度上解放了勞動力，提高了運維人員的工作效率，而且生產人員可以更加高效性，一職多能，將每日準確有效生產報表進行上報，完成油氣的數據采集。

圖2　RSRP仿真覆蓋估計圖

5　后期展望

針對LTE230M無線應急系統在油區的實際應用情況，并與廠家保持溝通，認為此系統是光纜系統的有效補充，可以快速有效進行部署使用，對偏遠的水源井和油井進行有效的監控。在重大地質災害發生，正常通信中斷的情況下，也可以用作此系統為應急通信。

在一些井場位于距離基站的大山陰影或是山溝處，信號衰減過大，終端無法正常工作，首先，可以在井場山頂處或是開闊地，增加無線通信中繼，增強信號強度；其次，為了降低成本，可采用工程手段，根據實際地理環境，可以靈活移動豎立桿子的位置和增加桿子高度，最好面對基站的開闊位置，接收信號強。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.04.057

TE937

A

1673-0194（2015）04-0072-02

2015-01-07