一種信號(hào)覆蓋方案在海洋平臺(tái)及船舶上的應(yīng)用

摘 要：海洋平臺(tái)內(nèi)部復(fù)雜的鋼鐵結(jié)構(gòu)及密閉艙室的存在，在一定程度阻礙了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播，以至于產(chǎn)生較多的信號(hào)“盲區(qū)”。為了解決平臺(tái)內(nèi)部的信號(hào)盲區(qū)和外部30 km海域的通信問(wèn)題，基于海洋平臺(tái)及船舶的LTE集群調(diào)度系統(tǒng)，首次提出了一種信號(hào)覆蓋方案。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工后的檢測(cè)，結(jié)果表明該方案能夠滿(mǎn)足這種集群調(diào)度系統(tǒng)在數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等不同信息的傳輸要求，實(shí)現(xiàn)了海洋平臺(tái)本身及其周?chē)?0 km海域的無(wú)線(xiàn)信號(hào)全覆蓋。

關(guān)鍵詞：集群調(diào)度系統(tǒng)；海洋平臺(tái)；TD-LTE

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919.85 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，隨著全球能源問(wèn)題的日益突出，蘊(yùn)含著豐富石油資源的海洋也已經(jīng)成為各國(guó)能源爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng)。而那些遠(yuǎn)離陸地的海洋平臺(tái)及船舶由于其所處地理環(huán)境的特殊性，無(wú)法使用任何運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)資源，其與陸地間的通信只能依靠海事衛(wèi)星系統(tǒng)；而海洋平臺(tái)內(nèi)部以及與附近船舶間的通信只能依靠微波和各類(lèi)短波電臺(tái)。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多先進(jìn)的通信技術(shù)在經(jīng)過(guò)改進(jìn)后被用于海洋平臺(tái)上。該文提到的基于TD-LTE技術(shù)的集群調(diào)度系統(tǒng)正是在這種背景下誕生的，而該文提出的解決這種調(diào)度系統(tǒng)覆蓋問(wèn)題的方案，在國(guó)內(nèi)海洋石油領(lǐng)域尚屬首次。

1 基于TD-LTE技術(shù)的集群調(diào)度系統(tǒng)介紹

TD-LTE是一種新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，引入了MIMO（多入多出技術(shù)）與OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)），多頻寬分配并支持集群通信，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到下行100 Mb/s，上行50 Mb/s。

基于TD-LTE技術(shù)的集群調(diào)度系統(tǒng)由服務(wù)器端、調(diào)度臺(tái)PC端、安卓終端組成，如圖1所示。其中調(diào)度臺(tái)PC端主要對(duì)管轄范圍內(nèi)的安卓終端進(jìn)行分組，同時(shí)以單呼、組呼、跨組呼、多選擇組呼、代建組呼等方式進(jìn)行通信，包括實(shí)時(shí)視頻通話(huà)、專(zhuān)網(wǎng)微信、IP音視頻電話(huà)等功能；而服務(wù)器端包括多種服務(wù)模塊，其中有集群調(diào)度、語(yǔ)言服務(wù)、視頻服務(wù)及專(zhuān)網(wǎng)微信在內(nèi)的11個(gè)服務(wù)模塊。安卓終端使用TD-LTE專(zhuān)網(wǎng)，提供單呼、組呼、跨組呼、多組呼等多種模式的對(duì)講功能，以及實(shí)時(shí)視頻上傳、互傳等功能。

LTE集群調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接主要分為海洋平臺(tái)的內(nèi)部連接和海洋平臺(tái)與附近海域船舶的外部連接2種，如圖2所示。其中，內(nèi)部連接為安卓手持終端通過(guò)接入海洋平臺(tái)局域網(wǎng)的平臺(tái)LTE基站，與統(tǒng)一部署在海洋平臺(tái)調(diào)度中心里的調(diào)度系統(tǒng)的服務(wù)器及配套的網(wǎng)關(guān)之間的連接。

而外部連接則是平臺(tái)上的LTE基站通過(guò)微波與船舶上的LTE基站相連接，最終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上的安卓終端和船舶上的安卓終端之間的通信。形成了一個(gè)融合了局域網(wǎng)、TD-LTE專(zhuān)網(wǎng)、微波網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)，使鉆井平臺(tái)上的各工作組里的安卓終端間，及與船舶上各工作組里的安卓終端間，在海洋平臺(tái)上的調(diào)度臺(tái)的控制下完成單呼、組呼、跨組呼、多選擇組呼以及實(shí)時(shí)視頻通話(huà)、專(zhuān)網(wǎng)微信、IP音視頻電話(huà)等功能。

2 海洋平臺(tái)內(nèi)部的覆蓋方案及測(cè)試

眾所周知，海洋平臺(tái)主要由鋼鐵材料建成，且平臺(tái)各層甲板皆由厚重的鋼板焊接而成，同時(shí)平臺(tái)內(nèi)部建有眾多密閉的艙室，這些復(fù)雜的鋼鐵結(jié)構(gòu)都在一定程度上阻礙了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播，以至于產(chǎn)生了較多的信號(hào)“盲區(qū)”。為了解決上述信號(hào)盲區(qū)問(wèn)題，以中海油南海X號(hào)平臺(tái)為例，該文首次提出一種艙室內(nèi)外的混合覆蓋方式。

南海X號(hào)平臺(tái)由3層甲板組成。上層甲板建有層高22.4 m層數(shù)為4層生活樓及鉆井模塊。其中生活樓為封閉結(jié)構(gòu)，且外墻為厚鋼板結(jié)構(gòu)，室內(nèi)房間之間為薄鋼板結(jié)構(gòu)，有吊頂；鉆井模塊多數(shù)為開(kāi)闊區(qū)，裝配少量的機(jī)器設(shè)備和建造有一定數(shù)量的房間，房間外墻仍為厚鋼板結(jié)構(gòu)，房間之間是薄鋼板結(jié)構(gòu)。中層甲板和下甲板皆為長(zhǎng)53.5 m，寬35.3 m的區(qū)域，室外機(jī)器設(shè)備擺放較密集。

2.1 覆蓋基站的布設(shè)方案

覆蓋基站的布設(shè)方案如圖3所示。覆蓋基站及2根全向天線(xiàn)布設(shè)在生活樓樓頂，即海洋平臺(tái)除井架外的最高點(diǎn)，且其網(wǎng)絡(luò)及電源通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)和電源線(xiàn)接入報(bào)房。基站采用3根7/8饋線(xiàn)作為信號(hào)干線(xiàn)，其中干線(xiàn)一負(fù)責(zé)上層甲板即生活樓和鉆井模塊的無(wú)線(xiàn)覆蓋，干線(xiàn)二負(fù)責(zé)中層甲板的無(wú)線(xiàn)覆蓋，干線(xiàn)三負(fù)責(zé)下層甲板的無(wú)線(xiàn)覆蓋。如圖3所示，紅色線(xiàn)就是主干線(xiàn)二的布設(shè)方式，其從生活樓頂樓基站出來(lái)，沿平臺(tái)內(nèi)部線(xiàn)槽敷設(shè)，通往中層甲板與安裝在中層甲板的中層甲板主功分器相連，而圖3中所示的紅色線(xiàn)則是主干線(xiàn)一和主干線(xiàn)三的布設(shè)方式，其中主干線(xiàn)一從生活樓頂樓基站出來(lái)，與安裝在鉆井模塊的鉆井功分器相連；主干線(xiàn)三在生活樓處與主干線(xiàn)一的布設(shè)位置一致，當(dāng)它們到達(dá)生活樓一樓即上層甲板時(shí)，主干線(xiàn)一通向鉆井模塊，主干線(xiàn)三則一直往下通往下層甲板，與安裝在下層甲板的下層甲板功分器相連。

2.2 上層甲板的布設(shè)方案

圖4是上層甲板無(wú)線(xiàn)覆蓋的方案結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到，從覆蓋基站出來(lái)的主干線(xiàn)一經(jīng)過(guò)二功分器后分成生活樓和鉆井模塊2個(gè)部分。其中生活樓部分通過(guò)3個(gè)耦合器分成四路，每路又由一個(gè)四功分器和4個(gè)吸頂天線(xiàn)組成，分別部署在生活樓的每個(gè)樓層，具體的布設(shè)位置如圖 5所示；鉆井模塊部分通過(guò)一個(gè)耦合器分成2路，每一路又經(jīng)過(guò)一個(gè)四功分器分成4個(gè)支路，這4個(gè)支路分別接著3個(gè)吸頂天線(xiàn)和1個(gè)室外板狀天線(xiàn)，具體的布設(shè)位置如圖6所示。

2.3 中、下層甲板的布設(shè)方案

中甲板多數(shù)為開(kāi)闊區(qū)，裝配大量的機(jī)器設(shè)備和建造有一定數(shù)量的房間，房間外墻為厚鋼板結(jié)構(gòu)，房間之間是薄鋼板結(jié)構(gòu)。根據(jù)中層甲板的這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖7所示的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，從覆蓋基站出來(lái)的主干線(xiàn)二經(jīng)過(guò)4個(gè)耦合器分成5個(gè)支路，其中甲板中部的幾個(gè)房間內(nèi)布設(shè)著一個(gè)四功分器和一個(gè)三功分器，前者與4個(gè)吸頂天線(xiàn)相連，而后者與3個(gè)吸頂天線(xiàn)相連，它們負(fù)責(zé)這些房間的室內(nèi)無(wú)線(xiàn)覆蓋。

中甲板的其余開(kāi)闊區(qū)域均勻布設(shè)著4個(gè)三功分器，并各自分別連接3個(gè)室外覆蓋天線(xiàn)，負(fù)責(zé)中甲板這些安裝著設(shè)備的開(kāi)闊區(qū)域的室外無(wú)線(xiàn)覆蓋。具體的布設(shè)位置如圖8所示。

由于下層甲板的房間設(shè)置位置、開(kāi)闊區(qū)的位置及其面積大體一致，所以下甲板的無(wú)線(xiàn)覆蓋方案與中甲板覆蓋方案相同，將不再贅述。

2.4 海洋平臺(tái)30 km區(qū)域無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋方案

海洋平臺(tái)附近30 km海域的船舶上的防爆手持終端，通過(guò)駕駛艙內(nèi)部部署的無(wú)線(xiàn)AP接入網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)船舶最高處架設(shè)的360°全向天線(xiàn)與海洋平臺(tái)上的覆蓋基站主天線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。由此實(shí)現(xiàn)海上油氣平臺(tái)及周邊30 km區(qū)域范圍的TD-LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.5 測(cè)試

海洋平臺(tái)經(jīng)過(guò)以上無(wú)線(xiàn)覆蓋改造后，為了測(cè)試無(wú)線(xiàn)覆蓋的效果，使用網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)命令“ping”和Net Meter軟件對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。Net Meter是一款非常實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控軟件；它支持同時(shí)監(jiān)視多個(gè)LAN 、WAN 的網(wǎng)絡(luò)流量，可以實(shí)現(xiàn)圖形化、數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)流量細(xì)節(jié)，并且記錄下所有的網(wǎng)絡(luò)流量，還有日志功能、流量事件等；無(wú)論在什么樣的網(wǎng)絡(luò)連接下，都可以進(jìn)行工作，包括Modem、LAN等。

隨機(jī)選取了平臺(tái)上一個(gè)區(qū)域作為測(cè)試地點(diǎn)，將1臺(tái)防爆手持終端放置在該區(qū)域內(nèi)，并使用網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)命令“ping”對(duì)該手持終端的IP地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷，在圖9中，選取的手持終端IP地址為10.134.150.248，對(duì)其進(jìn)行診斷后得知其延時(shí)時(shí)間為40 ms左右，無(wú)丟包且此時(shí)的信號(hào)接收功率RSRP為-81 dBm，覆蓋強(qiáng)度等級(jí)較好。再使用Net Meter進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示下行平均速率約6.48 Mbps，上行速率平均為2.11 Mbps，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)優(yōu)良。

將所測(cè)試的手持終端放置在海洋平臺(tái)周?chē)?0 km海域內(nèi)的不斷運(yùn)動(dòng)的船舶上，在海洋平臺(tái)上使用Net Meter對(duì)其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，如圖 11所示，下行平均速率約2.03 Mbps，上行速率平均為1.32 Mbps，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)優(yōu)良。

3 結(jié)語(yǔ)

該文提出的無(wú)線(xiàn)覆蓋方案建成后，海洋平臺(tái)上任何區(qū)域和平臺(tái)30 km范圍內(nèi)的船舶的工作人員，都能夠隨時(shí)隨地的相互通信，保證了上級(jí)指令的下達(dá)和安全信息的反饋，大大提高了工作效率和安全性，同時(shí)在極端情況下，對(duì)應(yīng)急搶險(xiǎn)的指揮、人員的安全撤離都具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊晉寧，彭義東.一種基于TD-LTE技術(shù)的綜合集群調(diào)度系統(tǒng)在海上鉆井平臺(tái)的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng)，2017（11）：67-68.

[2]Dahlman Erik，Parkvall Stefan，Skold Johan.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M].Cambridge：Academic Press，2011.

[3]鐘震宇，趙曉亮.基于LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的冰水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2015（1）：158-162.

[4]顧以東.基于漏泄電纜得井下CDMA無(wú)線(xiàn)覆蓋技術(shù)[J].工礦自動(dòng)化，2012（8）：1-3.

[5]岳瑩昭，郭寶.TD-LTE室內(nèi)覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)方案分析[J].電信技術(shù)，2014（2）：97-99.

[6]薛曉炎，霍振龍.礦用多功能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在柴里煤礦的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（4）：10-12.