海上油氣田跨海微波通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊金麗，徐正海，朱春麗

海上油氣田跨海微波通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊金麗，徐正海，朱春麗

(中海油研究總院，北京 100028)

為解決海上油氣田群海陸之間通信聯(lián)網(wǎng)的傳輸容量瓶頸問題，采用跨海微波通信方式傳輸信號。通過現(xiàn)場勘察和鏈路指標(biāo)計(jì)算選擇合適的陸地基站，建立跨海傳輸鏈路設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行鏈路測試，可實(shí)現(xiàn)跨海微波大容量數(shù)據(jù)傳輸。 針對影響信號傳輸質(zhì)量的海面強(qiáng)反射和多徑衰落等干擾因子，提出相應(yīng)的抑制措施，有效解決了跨海微波通信鏈路中斷問題。

跨海微波通信 海上平臺 鏈路測試 信號干擾

點(diǎn)對點(diǎn)的微波通信技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始在海洋石油行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，渤海、東海、南海東部、南海南部4個(gè)海域的海上油氣田內(nèi)部已建立了比較完善的微波通信網(wǎng)，特別是渤海油田基本實(shí)現(xiàn)了全油田微波網(wǎng)覆蓋[2]。微波建站非常靈活且建站成本很低，同時(shí)海上沒有任何高大建筑物遮擋，為微波應(yīng)用提供了良好的條件。但是微波傳輸距離有一定局限，海上點(diǎn)對點(diǎn)視距傳輸?shù)臉O限距離為50 km[3]。

跨海微波骨干鏈路建設(shè)也基本成熟，用于彌補(bǔ)海洋石油平臺衛(wèi)星帶寬較窄、海底光纜敷設(shè)費(fèi)用昂貴的現(xiàn)狀。跨海微波鏈路建設(shè)，需要進(jìn)行路由計(jì)算，并在陸地尋找合適的登陸點(diǎn)將天線架設(shè)于高山或高塔上來提高傳輸距離。同時(shí)，海面強(qiáng)反射和多徑衰落對信號傳輸質(zhì)量有很大影響，需要采用相應(yīng)的技術(shù)來抑制對微波傳輸?shù)挠绊懀蕴岣邆鬏斁嚯x和傳輸質(zhì)量[4]。

1 通信需求

中國某海上油氣田建有1座立管平臺(RUP)，8座井口平臺(WHPA， WHPB， WHPC， WHPD， WHPE， WHPF， WHPG， WHPH)，1座浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)，油田群需要將儀控關(guān)斷信號、視頻監(jiān)視信號、語音以及辦公數(shù)據(jù)傳輸至陸地基地。根據(jù)數(shù)據(jù)流量估算，帶寬需求為20 M。

目前，油田群在WHPB平臺設(shè)置了1套衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為油田群與陸地基地之間提供4 M帶寬鏈路，用于語音和儀控?cái)?shù)據(jù)傳輸。但隨著“數(shù)字油田”、“智能海油”的提出，4 M帶寬遠(yuǎn)不能滿足油田群日益增長的業(yè)務(wù)需求，急需大容量通信鏈路解決油田群數(shù)據(jù)通信問題。

衛(wèi)星系統(tǒng)所租用寬帶每增加1 M帶寬，年租費(fèi)相應(yīng)增加約40萬元。光纖通信能夠提供可靠、大帶寬鏈路，但單獨(dú)敷設(shè)海底光纜費(fèi)用巨大，施工難度非常大[5]。衛(wèi)星和光纖通信目前無法快速解決油田群海陸間的通信瓶頸。為此，從經(jīng)濟(jì)性及帶寬需要，采用跨海微波技術(shù)進(jìn)行骨干鏈路建設(shè)。

2 系統(tǒng)模型及鏈路測試

2.1 微波路徑選擇

經(jīng)測算，該油田群中離陸地最近的為井口平臺WHPF，距離陸地約86 km。由于該距離已經(jīng)超出點(diǎn)對點(diǎn)微波視距傳輸?shù)臉O限，因而需要在陸地尋找合適的登陸點(diǎn)盡可能地將天線掛高，以增加傳輸距離和保證傳輸信號的可靠性。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地考察及論證，最終選擇在距離WHPF平臺86.5 km的某陸地基站與WHPF平臺建立跨海微波鏈路。經(jīng)現(xiàn)場勘查，該基站所在的山體條件優(yōu)越，通信機(jī)房條件良好，有溫度控制裝置。基站與外部通信采用光纜，使用高架高壓電線供電，且擁有蓄電池組及發(fā)電裝置保障電力供給。WHPF平臺微波天線安裝于生活樓頂層，進(jìn)行抱桿安裝。天線掛高為海拔50 m。該基站海拔340 m，鐵塔高度為30 m，天線掛高為370 m。微波全路徑86.5 km，路徑中最高障礙物高度為230 m。可以看出WHPF與該基站之間的傳輸路徑無遮擋，滿足微波點(diǎn)對點(diǎn)視距傳輸條件。

2.2 微波鏈路模型

WHPF與該基站分別架設(shè)微波天線，并安裝微波室外單元(ODU)和室內(nèi)單元(IDU)[6]。WHPF平臺微波系統(tǒng)通過路由器接入油田群內(nèi)部局域網(wǎng)。微波落地后，由該基站光纜接入當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營商，通過租用20 M的多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSTP)專線接入中海油局域網(wǎng)，完成陸地與海上之間寬帶數(shù)據(jù)傳輸鏈路的建立。建立跨海微波鏈路，模型如圖1所示。

圖1 WHPF至某基站跨海微波鏈路模型示意

2.3 微波頻段及設(shè)備選擇

數(shù)字微波傳輸目前可選擇的頻率主要有專用頻率和公用頻率。專用頻段主要有7/8 GHz和13 GHz，根據(jù)各省市無線電頻率分配管理原則，微波鏈路建立之前需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電委員會申請[7]，專用頻道目前在中海油主要應(yīng)用于油田群內(nèi)部微波組網(wǎng)。目前公用頻率用于數(shù)字微波通信的頻段主要為5.8 GHz，是免申請無線執(zhí)照的頻段，因而部署更為方便[8]。該模型采用5.8 GHz進(jìn)行微波組網(wǎng)，頻寬為40 MHz。微波各頻段信息見表1所列。

表1 微波各頻段主要參數(shù)

對于長距離跨海微波通信，天線口徑增大，可以有效提高接收電平和鏈路儲備量[9]。但是天線太大容易造成波束不易對準(zhǔn)，同時(shí)海邊風(fēng)力較大易引起天線擺動造成通信中斷，因而綜合考慮采用了1.8 m微波天線。從中海油數(shù)字微波設(shè)備供貨和使用現(xiàn)狀考慮，采用瑞嬴RADWIN2000系列設(shè)備，其中天線饋線由國內(nèi)產(chǎn)品配套，設(shè)備具有以太網(wǎng)口、光口，方便與局域網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。

2.4 微波鏈路儲備余量

微波鏈路即使?jié)M足視距傳輸?shù)臈l件，仍不能保證微波通信能夠建立。除滿足視距傳輸條件外，還需要保證所建成的微波鏈路擁有良好的鏈路儲備[10]。微波鏈路儲備余量需要計(jì)算WHPF與該基站間微波傳輸?shù)淖杂煽臻g損耗、系統(tǒng)增益、鏈路總增益和鏈路總損耗[11]。

1) 自由空間傳輸損耗Ls：

Ls=92.4+20lgf+20lgD

(1)

式中：f——發(fā)射頻率，GHz；D——傳輸距離，km。

2) 系統(tǒng)增益Gs：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中：Pt——設(shè)備射頻輸出功率絕對值，dBm；Pro——系統(tǒng)接收靈敏度，dBm。

3) 鏈路總增益Gl：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中：Gt——發(fā)射端的天線增益，dB；Gr——接收端的天線增益，dB。

4) 鏈路總損耗：

Lt=Ls+Lft+Lfr

(4)

式中：Lft——發(fā)射端ODU和天線之間的電纜損耗；Lfr——接收端ODU和天線之間的電纜損耗。

5) 鏈路儲備余量：

Margin=Gt+Lt

(5)

Margin數(shù)值越高，微波鏈路的可靠性越高。通過WHPF與該基站之間微波鏈路參數(shù)及微波設(shè)備參數(shù)，利用Excel編程計(jì)算得出： 鏈路儲備余量為29.794 dB，滿足WHPF與該基站之間跨海微波鏈路通信需求。

2.5 鏈路測試

微波鏈路的測試指標(biāo)主要包括鏈路帶寬峰值、實(shí)際傳輸速率、全年可用性，并通過Ping雙方的地址測試傳輸鏈路的丟包率和系統(tǒng)延時(shí)。系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)見表2所列，圖2，圖3給出在40 MHz頻寬下WHPF平臺與該基站微波系統(tǒng)發(fā)射和接收信號強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。

表2 測試結(jié)果

圖2 海上發(fā)射和陸地接收信號強(qiáng)度對比

圖3 陸地發(fā)射和海上接收信號強(qiáng)度對比

測試結(jié)果：

1) 在30 d測試期間內(nèi)，經(jīng)歷大風(fēng)、大雨及晴、多云等海況。從表2可以看出，在此期間內(nèi)實(shí)際測試傳輸速率平均值為8.300 Mbit/s左右，峰值達(dá)到29.594 Mbit/s，能夠滿足整個(gè)油田群20 M的通信需求。在各種天氣及海況下，通信鏈路能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 截取測試期間30 h內(nèi)海陸信號發(fā)射和接收信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，由圖2和圖3可以看出海上和陸地的信號接收強(qiáng)度在-65～-70dBm內(nèi)變化，處于正常的信號強(qiáng)度接收范圍，傳輸穩(wěn)定。

3) 通過Ping包測試，系統(tǒng)延時(shí)在4～14 ms，丟包率為0，全年實(shí)際可用率達(dá)到99.845 8%，設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

通過測試，該跨海微波鏈路可靠性和時(shí)效性良好，平均網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為5 ms，遠(yuǎn)低于衛(wèi)星鏈路490 ms的時(shí)延，顯著提高了海陸之間的通信效率。在多種氣候條件下，海上和陸地的信號接收強(qiáng)度均處于正常的信號強(qiáng)度接收范圍內(nèi)，整體測試效果良好。

3 抗衰落解決方案

3.1 海面反射抑制措施

抑制海面反射的最有效措施是采用空間分集技術(shù)[12]。在2個(gè)站點(diǎn)放置多副天線同時(shí)接收1個(gè)微波信號，將各個(gè)接收信號進(jìn)行合成或選擇最優(yōu)，從而改善信號接收效果。空間分集技術(shù)能夠提高天線增益，增加不相關(guān)的冗余路徑，對海面強(qiáng)反射引起的信號衰落有很好的改善效果。

天線選擇上采用雙極化天線，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，可以有效降低呼損率，減小信號干擾，保證分集接收的效果。另外，可以通過適當(dāng)增大天線口徑，提高天線方向性和天線增益以增加鏈路衰落儲備，從而減小信號干擾的影響。

3.2 多徑衰落抑制措施

影響跨海微波傳輸質(zhì)量的另一因素是多徑干擾[13]。抵抗海面多徑衰落通常采取加大收發(fā)兩端天線高度的落差、適當(dāng)調(diào)整天線的仰角，以減小多徑衰落的影響。同時(shí)，采用自適應(yīng)的多種調(diào)制方式和多波束時(shí)空編碼方式將信號多次發(fā)送并重新合并，消除不同相位信號之間的相互抵消作用，可以有效克服多徑衰落對信號的影響。

3.3 頻率干擾抑制措施

海上平臺無線儀表以及油田群內(nèi)部數(shù)字微波網(wǎng)的建立在不同程度上對跨海微波鏈路造成了信號頻率干擾[14]。目前主要措施是通過智能動態(tài)頻率選擇，增加頻譜分析功能，持續(xù)監(jiān)聽所有頻道，采用時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)結(jié)合的方式抑制信號干擾，動態(tài)選擇最可靠信道。

4 結(jié) 論

1) 通過實(shí)地勘測與鏈路計(jì)算，選擇合適的陸地基站和微波設(shè)備，建立遠(yuǎn)距離跨海微波鏈路。測試表明： 跨海微波鏈路在傳輸帶寬、信號延時(shí)等方面優(yōu)于衛(wèi)星通信。同時(shí)采用有效的抗衰落措施，可以有效降低海面反射和多徑衰落等對信號的干擾，提高了信號傳輸質(zhì)量。

2) 跨海微波通信鏈路作為衛(wèi)星和上岸光纜的備份和補(bǔ)充， 為海上油氣田提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸保障，解決了海陸超遠(yuǎn)距離大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ牌款i。同時(shí)與衛(wèi)星網(wǎng)、油田群內(nèi)部數(shù)字微波網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，推動了“數(shù)字油田”、“智能海油”的建設(shè)進(jìn)程，確保了海陸通信安全暢通，為油田群安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了安全可靠的技術(shù)支撐。

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Key Technology Study of Cross Sea Microwave Communication in Offshore Oil and Gas Field

Yang Jinli， Xu Zhenghai， Zhu Chunli

(CNOOC Research Institute， Beijing， 100028， China)

s: To solve “bottom-neck” transmission capacity problem of communication networks from offshore oil and gas field to onshore， cross sea microwave communication is applied to build a communication link for signal transmission. Appropriate land base station is selected through on-site investigation and microwave circuit parameters calculation.Design model of cross sea microwave transmission link is constructed. The link is tested. High-capacity data transmission can be realized by cross sea microwave communication.Relevant responses against interference factors of strong sea surface reflection and multi-path fading for transmission quality are proposed. Link break problem of cross sea microwave communication is effectively solved.

cross sea microwave communication; offshore platform; link test; signal interference

楊金麗(1984—)，女，2010年畢業(yè)于中國民航大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中海油研究總院，主要研究方向?yàn)楹Ｉ掀脚_通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)監(jiān)測等，任通信工程師。

TN927

B

1007-7324(2017)02-0038-04

稿件收到日期： 2016-10-18，修改稿收到日期： 2016-12-21。