TD-LTE上行增強關鍵技術研究與試驗驗證

何作峰 宋吉福 董政權 李迎星 周華

我國石油工業的“十一五”、“十二五”規劃都明確提出了建設數字化油田、智能油田的目標。“建立以計算機技術、互聯網技術、多信息融合技術，油藏地質數字模型為基礎的”數字化油田。數字化油田建設的核心就是信息化建設，通過為油田建設一個“集管理、調度、監控、監視等功能為一體的信息化系統”，使得油氣田作業及運行操作更加安全、有序、有效。

現青海油田通過示范工程一期和二期工程，已初步完成數字化油田的構建，成功建成基于TD-LTE技術的油田專網，基本滿足了青海油田的生產業務需要。

在系統建設與應用期間，隨著油田數字化理念的不斷深入，各種數字化無線業務在油田開始逐步推廣應用。為滿足各項業務對無線傳輸帶寬的更高要求，亟需研究利用TD-LTE新技術對專網容量進行提升，為進一步推動油氣生產物聯網項目建設掃清技術障礙。

一、TD-LTE無線通信技術介紹

1. TD-LTE關鍵技術

正交頻分復用（OFDM）技術

智能天線技術（SA）

多輸入多輸出（MIMO）技術

2. TD-LTE無線通信技術優勢

TD-LTE無線通信技術作為當前無線通信發展的主流技術之一，采用了正交頻分復用（OFDM）、智能天線、波束賦形、多輸入多輸出（MIMO）等先進技術，主要優勢如下：

（1）具有很高的數據傳輸速率。下行、上行傳輸速率分別可達100、50Mbps。

（2）采用扁平的網絡結構，大大降低了傳輸時延，業務面傳輸時延小于5ms。

（3）實現真正的無縫漫游。

（4）高度智能化的網絡。

（5）良好的覆蓋性能。

（6）基于IP的網絡。

（7）實現不同QoS的業務。

二、油田TD-LTE無線專網新需求和產品方案設計

1. TD-LTE無線專網容量提升需求

隨著油田數字化理念的不斷深入，各種數字化無線業務在油田開始應用，如對關鍵區域的無線視頻監控業務、無線多媒體集群對講業務、企業移動辦公業務、油井巡檢業務、遠程診斷協助業務，等等。這些業務大多需要占用較高的傳輸帶寬，尤其是需要占用很高的上行傳輸帶寬。為滿足各項業務對無線傳輸容量的更高要求，需研究利用TD-LTE新技術對專網容量進行提升。

2. TD-LTE無線專網容量提升方案

TD-LTE有4個業務時隙，公網應用以上下時隙配比1：3為主。而油田的業務以上行業務為主，因此需要進一步引入3GPP合作組織的新特性以提升上行業務帶寬。提升手段包括配置上下行時隙配比支持3：1或2：2、啟用上行MU-MIMO特性。

當上下行時隙配比為2：2時，開啟上行MU-MIMO特性對上行傳輸帶寬提升效果明顯；當上下行時隙配比為3：1時，上行MU-MIMO對上行傳輸帶寬提升效果較差。因此，可以采用以下兩種方案提升上行業務帶寬：

（1）配置上下時隙配比為3：1，不啟動MU-MIMO特性；

（2）配置上下時隙配比為2：2，同時啟用MUMIMO特性。

可以根據油田的實際情況，靈活采用上述兩種方案，提升上行業務帶寬。

因公網用戶一般下行業務遠多于上行業務，對下行帶寬的需求也遠高于對上行帶寬的需求，因此公網產品一般不會采用配置0的時隙配比方式，也無需啟用上行MUMIMO特性。也正是因為該原因，對這兩個特性的研究、測試、應用都不夠充分。

為滿足油田需要，我們在充分研究3GPP的相關特性和關鍵技術的基礎上，成功研制了適用于行業用戶的新型的核心網、基站及終端產品，在這些行業專網產品上完整地實現了上行MU-MIMO特性和支持時隙配比配置0（3U：1D）的配置方式，經實驗室測試和外場測試，新研制產品對系統上行帶寬性能提高達到了預期的設計目標。

三、油田TD-LTE無線專網系統關鍵技術研究

1. TD-LTE無線專網上行MU-MIMO特性關鍵技術

（1）上行MU-MIMO的基本原理

上行多用戶MIMO是指利用空間不相關特性使多個用戶在相同的時頻資源位置上傳輸各自的數據流。來自不同終端發送的數據流占用相同的時頻資源，從基站看，就如同接收從同一個“虛擬終端”的多個數據流一樣，從而構成了一個虛擬MIMO系統，如下圖所示。采用多用戶MIMO可以有效提升小區的平均吞吐量。

（2）上行MU-MIMO實現的關鍵技術

上行MU-MIMO的實現主要包括MU-MIMO的配對算法，主要根據兩個用戶的信噪比、接收功率和信道相關性三個因素來判斷用戶是否可以進行配對，具體如下：

根據待配對用戶的等效信噪比，判斷用戶信噪比因素是否滿足配對條件；

根據待配對用戶的接收功率，判斷接收功率是否滿足配對條件；

根據待配對用戶的波達角DOA，判斷信道相關性滿足配對條件。

只有當待配對用戶的接收信噪比、接收功率和信道相關性三個因素都滿足配對條件時，不同用戶才能配對成功。

2.TD-LTE 上下行時隙配置關鍵技術

相對于FDD系統，TDD系統可以更靈活地配置具體的上下行資源比例。時隙配置如下圖：

與LTE-FDD相比，TD-LTE可靈活配置時隙比例的特性，對于行業應用領域具有獨特的優勢。一般來說，公網系統用戶對于下行傳輸帶寬的需求大大高于上行傳輸帶寬，其對下行和上行傳輸帶寬比例一般為4：1到7：1。對于行業用戶則非常不同，如對于油田應用，以生產數據傳輸、視頻監控、智能巡檢等多項業務均以上行業務為主，而語音、視頻通話等業務上下行帶寬需求則基本為1：1，因此總體來說，行業應用領域對上行傳輸帶寬的需求遠高于下行傳輸帶寬。利用TD-LTE時隙配比可配置的特性，公網采用配置2（1U：3D），而專網則可采用配置0（3U：1D）或配置1（2U：2D）。

四、測試和驗證

1. 測試目的和項目

采用支持3U1D時隙配比特性和MU-MIMO特性的TD-LTE 1.8G核心網、基站、終端設備，測試青海油田采油一廠油砂山無線通信系統在不同子幀配比情況下的上行傳輸容量，及開啟上行MU-MIMO功能對上行傳輸容量的提升效果，為后期勘察及建設提供可靠性參考。

2. 系統測試內容

在測試區域分別選取無線信號非常好、一般和較差三類典型地點（分別簡稱為好點、中點、差點），分別設置子幀配比為2U：2D和3U：1D進行測試，在2U：2D配置下又分為關閉和開啟上行MIMO，測試方式為FTP下載觀察其穩定的峰值速率。

3. 測試結果

通過對上述好點、中點、差點在各個子幀配比及是否開啟上行MIMO情況下的峰值速率測試，可得出以下結論：

（1）子幀配比配置為2U：2D模式，開啟上行MIMO后，好點、中點、差點的上行峰值速率比關閉上行MIMO后峰值速率分別提升了56.2%、25.8%和65%，達到預期效果，下行峰值速率變化不大；

（2）子幀配比配置調整為為3U：1D模式，好點、中點、差點的上行峰值速率相比2U：2D模式分別提升了94.2%、118.6%和35.3%，下行峰值速率在好點和中點分別下降41.7%、31.3%，在差點則上升34%。均不開啟上行MIMO。

結論：現場測試的結果與理論分析基本吻合，經測試：

a. 在子幀配比為2U：2D模式下開啟上行MIMO可有效提升小區上行傳輸吞吐，且對下行傳輸吞吐基本沒有影響。

b. 將子幀配比調整為3U：1D可有效提升小區上行傳輸吞吐，但對下行傳輸吞吐有一定的影響。考慮到油田業務主要為上行業務，下行傳輸速率一定程度的降低對油田應用影響不大。

c. 在子幀配比為2U：2D模式下開啟上行MIMO或將子幀配比配置為3U：1D均可有效提升小區上行傳輸吞吐。

五、總結與展望

根據油田信息化建設的現狀和長期目標，建設和推廣基于TD-LTE無線通信技術的數字化油田產品，對油田的安全和高效生產具有十分重要的意義。

在青海油田部分采油廠啟用MU-MIMO的新特性，在部分采油廠將時隙配比配置為3上行：1下行，為各個作業區提供了更高的傳輸帶寬，為進一步豐富油田的數字化應用提供了良好的基礎。

在青海油田數字化油田建設過程中，對TD-LTE技術的新內容和新特性進行了深入的研究，通過網絡優化和新特性部署，使青海油田無線專網的關鍵性能和指標有了很大的提高，為青海油田成功構建了一個技術領先、功能專業、性能優良、高度集成、面向行業應用的TD-LTE無線寬帶生產管理系統，對于其它的石油企業，必將產生很大的示范作用。

本項目所研制開發的系統在油田成功部署和推廣應用之后，我們還將面向煉化、海油、煤炭、核電、風電等行業應用，深入了解這些領域的發展需求，使得成熟先進的通信、互聯網及其它信息技術能夠盡早成功應用到涉及國家安全的重要戰略行業領域，為這些行業的數字化和智能化建設提供更強、更高、更先進的技術保障。