PtMP無(wú)線微波技術(shù)在數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)

余麗 何長(zhǎng)清

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田信息技術(shù)公司

隨著大慶油田近幾年井、站數(shù)字化工程的建設(shè)實(shí)施，部分周邊井場(chǎng)分布密集、數(shù)量較大的油水站場(chǎng)已逐漸配套建設(shè)了全景紅外成像預(yù)警雷達(dá)設(shè)備[1]。單套預(yù)警雷達(dá)設(shè)備的建成可滿足周邊3～5 km半徑范圍內(nèi)井場(chǎng)及站場(chǎng)的全監(jiān)控覆蓋，以采油八廠為例，單套雷達(dá)設(shè)備覆蓋井場(chǎng)數(shù)量約為320 座[2]。在氣田建設(shè)方面，大慶油田采氣分公司橫跨面積約5 600 km2，截至2019年底，共投產(chǎn)氣井219口，建成站場(chǎng)38座，平均每座站場(chǎng)下設(shè)氣井約6座。對(duì)此分布密集性低的數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)，從優(yōu)化建設(shè)投資的角度考慮，應(yīng)選擇單井安裝高清視頻監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)電子巡井。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，井場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回傳優(yōu)先選用無(wú)線傳輸方式。

1 井場(chǎng)常用無(wú)線通信技術(shù)及存在問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)油氣田常用的無(wú)線傳輸模式有公網(wǎng)4G、專網(wǎng)4G、WLAN 無(wú)線網(wǎng)橋和PtMP（點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）微波等多種方式。

1.1 公網(wǎng)4G

井場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)公網(wǎng)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳時(shí)，井場(chǎng)設(shè)置終端DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）設(shè)備將井場(chǎng)RTU（遠(yuǎn)程終端單元）、視頻監(jiān)控等IP 數(shù)據(jù)接入，并通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)上傳[3]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕\(yùn)營(yíng)商采用VPDN（虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，其利用隧道協(xié)議技術(shù)在撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)中為油田企業(yè)用戶構(gòu)建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，將井場(chǎng)數(shù)據(jù)接入運(yùn)營(yíng)商VPDN平臺(tái)，經(jīng)過(guò)認(rèn)證后，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商與油田企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)專線電路，實(shí)現(xiàn)DTU 終端與企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)安全性方面，數(shù)據(jù)通過(guò)油田企業(yè)端設(shè)置的AAA（驗(yàn)證、授權(quán)和記賬）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)二次認(rèn)證，并在運(yùn)營(yíng)商與企業(yè)之間建立L2TP（二層隧道協(xié)議），提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

存在問(wèn)題：設(shè)計(jì)前需確認(rèn)井場(chǎng)是否在公網(wǎng)4G基站覆蓋范圍內(nèi)；4G 基站覆蓋的終端設(shè)備上行帶寬能否滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸需求；運(yùn)行期需產(chǎn)生流量費(fèi)用。

1.2 專網(wǎng)4G

專網(wǎng)4G 是面向企業(yè)用戶提供的e-LTE 技術(shù)的無(wú)線專網(wǎng)設(shè)備，系統(tǒng)支持多種公共無(wú)線頻率（1.4 GHz/1.8 GHz/800 MHz/400 MHz）組網(wǎng)[4]。中心設(shè)備容量150 Mbit/s （上 行50 Mbit/s，下 行100 Mbit/s）。系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)由井場(chǎng)CPE（無(wú)線前置設(shè)備）、專網(wǎng)4G基站及核心網(wǎng)設(shè)備組成。基站的位置可以根據(jù)油田企業(yè)井場(chǎng)分布及CPE上行數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求，選擇適合的建站位置以最大化地有效覆蓋CPE設(shè)備。在數(shù)據(jù)安全方面設(shè)備提供雙向無(wú)線鑒權(quán)，該功能可以防止未經(jīng)授權(quán)的終端用戶使用網(wǎng)絡(luò)。用戶也可以使用鑒權(quán)功能防止接入到未知網(wǎng)絡(luò)，提高企業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

存在問(wèn)題：相對(duì)于利用運(yùn)營(yíng)商4G 傳輸?shù)姆桨福桀~外配套建設(shè)和使用專網(wǎng)4G 基站、核心網(wǎng)設(shè)備；井場(chǎng)主要數(shù)據(jù)為上行業(yè)務(wù)，當(dāng)井場(chǎng)有大量高清視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求時(shí)，業(yè)務(wù)量將超過(guò)基站上行數(shù)據(jù)帶寬。

1.3 WLAN無(wú)線網(wǎng)橋

采用CSMA/CA（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）技術(shù)的WLAN無(wú)線網(wǎng)橋系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)由中心設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備組成，支持?jǐn)?shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。系統(tǒng)工作頻段在2.4～5.8 GHz 的公共免費(fèi)頻段，一般僅支持?jǐn)?shù)據(jù)間的LOS（可視）無(wú)線傳輸[5]。中心設(shè)備可外接120°或90°扇區(qū)天線，設(shè)備帶寬容量可達(dá)54～300 Mbit/s（1～4 個(gè)扇區(qū)），遠(yuǎn)端站設(shè)備容量為10 Mbit/s 左右[6]。遠(yuǎn)端站布署在井場(chǎng)通過(guò)IP 網(wǎng)絡(luò)接口接入井場(chǎng)數(shù)據(jù)，中心站可布署在有光纖傳輸系統(tǒng)接入的站場(chǎng)。在數(shù)據(jù)安全方面采用WEP（有線等效保密）及WPA/WPA2（WPA 與WPA2 兩種加密算法混合體）等方式。

存在問(wèn)題：中心設(shè)備與遠(yuǎn)端設(shè)備應(yīng)達(dá)到可視的傳輸條件，如現(xiàn)場(chǎng)不滿足條件需升高兩側(cè)設(shè)備安裝高度；采用的CSMA/CA 機(jī)制，多個(gè)終端自由競(jìng)爭(zhēng)搶占至中心設(shè)備信道[7]，無(wú)法保證傳輸穩(wěn)定和持續(xù)性，密集部署干擾大。通常設(shè)計(jì)時(shí)建議1套中心站接入的遠(yuǎn)端站數(shù)量不超過(guò)6個(gè)，降低了設(shè)備的最終吞吐量。

1.4 PtMP無(wú)線微波

PtMP 無(wú)線微波工作在4.91～5.97 GHz 公共頻段，系統(tǒng)由AP 及RT 組成。采用TDMA（時(shí)分多址）技術(shù)，通過(guò)有序的時(shí)隙資源分配[8]確保最多64個(gè)RT都能與1個(gè)AP建立持續(xù)可靠的連接，支持?jǐn)?shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及中繼方式傳輸。AP 支持最大750 Mbit/s 吞吐能力，RT 支持最大250 Mbit/s數(shù)據(jù)吞吐能力，上下行帶寬靈活可調(diào)，可匹配大量高清視頻回傳、寬帶接入和企業(yè)專線等各種場(chǎng)景。系統(tǒng)設(shè)備可靈活布署于視通（LOS）和部分非視通（NLOS）場(chǎng)景。加密方式采用AES 128 bit，RT 接入采用基于MAC 地址（媒體存取控制位址）的白名單方式，防止未經(jīng)授權(quán)的終端接入系統(tǒng)。

存在問(wèn)題：在部分非可視條件下仍不能滿足傳輸需求時(shí)，需升高中心及遠(yuǎn)端兩側(cè)設(shè)備安裝高度，以滿足傳輸需求。

2 PtMP無(wú)線微波優(yōu)越性

設(shè)備相對(duì)于其他無(wú)線傳輸技術(shù)具有超大吞吐容量、超強(qiáng)抗擾、環(huán)境適應(yīng)、簡(jiǎn)易運(yùn)維和增強(qiáng)以太網(wǎng)的特點(diǎn)。目前系統(tǒng)設(shè)備已應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域及平安城市建設(shè)項(xiàng)目中。具體優(yōu)越性如下：

（1）Sub 6G的工作頻段在大部分地區(qū)屬于免申請(qǐng)頻段，多個(gè)使用者自由使用Sub 6G 的頻譜資源。因此設(shè)備采用TDD（時(shí)分雙工模式）模式，在同一個(gè)信道中分時(shí)段發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，各終端設(shè)備根據(jù)接入的先后順序加入到AP 的接入隊(duì)列后，在AP的接收時(shí)隙內(nèi)排序向AP發(fā)送信號(hào)。該方式可以有效節(jié)約頻譜資源，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使兩端無(wú)線設(shè)備建立持續(xù)可靠的連接。

（2）除了視距傳輸?shù)臈l件外，無(wú)線微波信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)部分遮擋時(shí)，能經(jīng)過(guò)反射、透射和衍射后達(dá)到終端（一般引起NLOS 情形的障礙包括：建筑、樹木等） 也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非視距（NLOS）傳輸。

（3）支持AM（調(diào)幅）信道質(zhì)量自動(dòng)調(diào)整調(diào)制模式。當(dāng)天氣劣化或有其他信號(hào)干擾時(shí)，自動(dòng)采用低調(diào)制模式，保障鏈路的高可靠性，而在天氣晴好也無(wú)干擾信號(hào)時(shí)，自動(dòng)采用高調(diào)制模式，提高鏈路的傳輸可靠性。

（4）支持自動(dòng)選頻，可以根據(jù)當(dāng)前各頻點(diǎn)的信號(hào)等情況選出最優(yōu)頻點(diǎn)。在Sub 6G 免費(fèi)頻段，用戶無(wú)需申請(qǐng)，可按需使用，所以各個(gè)頻點(diǎn)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃，可能會(huì)存在同頻干擾。而采用自動(dòng)選頻的方式設(shè)置設(shè)備工作的頻點(diǎn)，在解決規(guī)劃困難的同時(shí)，AP 通過(guò)掃描可用信道的情況選擇最優(yōu)可工作信道。

（5）支持AES空口加密，可以增強(qiáng)微波鏈路傳輸客戶數(shù)據(jù)的安全性。相對(duì)于有線傳輸鏈路，無(wú)線微波信號(hào)鏈路存在被第三方捕獲的可能。當(dāng)?shù)谌侥軌蚧谖⒉◣袷綄?duì)捕獲的微波信號(hào)進(jìn)行解析時(shí)，就有可能獲取數(shù)據(jù)信息[9]。油田企業(yè)客戶可以通過(guò)AES空口加密特性對(duì)微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)進(jìn)行加密，在鏈路層進(jìn)一步增強(qiáng)微波鏈路傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)的安全性。

（6）可快速布署，維護(hù)簡(jiǎn)易，AP、RT 設(shè)備支持POE（基于局域網(wǎng)的供電），中心站AP支持通過(guò)WLAN模塊實(shí)現(xiàn)塔下手機(jī)APP管理、運(yùn)維，支持遠(yuǎn)程WEB網(wǎng)管。同時(shí)，終端RT設(shè)備支持免配置快速開(kāi)局調(diào)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線技術(shù)在數(shù)字化井場(chǎng)的應(yīng)用中不但可以避免井場(chǎng)光纖建設(shè)的高投資、高維護(hù)量、長(zhǎng)建設(shè)周期的情況，當(dāng)井場(chǎng)停產(chǎn)后無(wú)線設(shè)備仍可利舊用于其他生產(chǎn)井場(chǎng)。而PtMP 無(wú)線微波技術(shù)在數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)工程中提供了井場(chǎng)至站場(chǎng)“最后幾公里”的可靠通信方案，其中心站AP 的大帶寬吞吐量及多遠(yuǎn)端站的接入能力，可滿足分布密集型且有高清視頻實(shí)時(shí)傳輸需求的數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)。