基于PointLink系統的海上微波通信系統的分析和應用

王 鵬，劉傳彬，牟啟同

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

0 引言

隨著我國對石油的需求越來越旺盛，進口石油占比超過70%，國內陸地油田的開發開采難度越來越大，所以海上油氣開發繼續快速擴張，石油公司比以往任何時候都更熱切希望從遠離陸地的海上獲取石油。海上鉆井平臺、移動式采油平臺、FPSO（浮式儲卸油裝置）等設施數量的增加，并繼續向深水區擴散。海上油氣開發生產正朝著一種名為“一體化運營”的新模式（又稱為數字油田、智能油田、e 油田、未來油田）發展。一體化運營（IO）是海上油氣勘探、開采和生產的一種新的工作形式[1]。顧名思義，一體化運營是通過信息與通信技術，將設施、專業知識、流程、業務單元、作業參與方以及其他資源和活動相互連接、整合。一體化運營可以簡化業務流程，提高作業效率，預計石油和天然氣采收率將提高2%～5%，產量將提高3%～8%，運營支出將減少15%～30% ，油井性能將提高2%～8% ，海上一線勞動力將減少25%。

一體化運營標志著海洋油氣行業的突破。它讓任何地點的人力資源為海上作業設施提供技術支持成為可能。它可以減少一線海上設施的勞動力，將熟練和有經驗的專業人員轉移到更安全的陸地辦公室或控制中心。在那里他們可以訪問和分析來自海上設施遠傳回來的數據，并減少決策中的風險[2]。海上一體化運營通信如圖1 所示。

圖1 微波通信助力海洋油氣田一體化運營Fig.1 Integrated operation enabled by offshore microwave communication

海上移動設施與陸地終端或控制中心之間的通信聯絡需求大大增加。工業技術的進步，商業模式的變化和更嚴格的法律法規要求和監管限制，要求對設備進行更嚴格地監測、更遠程地控制和更智能地維護，甚至對傳統的組織模式帶來沖擊，將更多的工作任務和作業人員從海上轉移到陸地。這些趨勢大大增加了對海上通信能力的需求。

1 海上作業設施通信網絡需求和挑戰

1.1 海上設施通信網絡典型應用場景分析

海上油氣田的一體化運營，讓諸多應用場景對通信網絡的帶寬、穩定性和可靠性等有更高的要求。典型的應用場景：（1）海上設施與陸地辦公室之間的不間斷視頻會議連線；（2）海上設施工藝流程和設備運行數據的收集和遠傳；（3）現場機電設備的遠程控制；（4）地質數據的傳輸、建模及可視化；（5）通過數據遠傳，陸地專家對來自海上作業現場的數據進行不間斷監測、記錄和分析；（6）為了海上一線作業人員提供互聯網接入、電視等娛樂方式。

1.2 法律、法規對通信的要求

隨著應急管理部門、生態環境部門的整合和成立，新的法律、法規進一步推動了安全、環保以及能效方面要求的巨大升級。海洋油氣行業意識到通過采用一體化運營模式，可以更好地管理緊急情況下的作業和風險，組織內部可以更嚴格地監測作業，并減少工人的健康風險以及對海洋環境的威脅。

1.3 構建海上通信的需求及挑戰

一個高可靠性和彈性的通信網絡是實現一體化運營目標的基礎。這個網絡中最困難的挑戰之一，是從海上設施到陸地、海上設施到其他海上設施的第1 km 連接。這種連接是通信鏈條中的一個關鍵環節，因此對連接有以下關鍵要求和挑戰。

（1）高可用性和可靠性

與海上油氣作業相關的高風險（商業、環境和安全）要求有一個高可用性、可靠性和彈性的通信連接。與海上設施失去聯系可能意味著對設施和作業風險失去控制，很可能因此不得不緊急停產或倉促撤離設施。這會給作業方帶來巨大的安全風險、環境危險，并因此損失作業時率。

（2）遠距離

隨著石油儲量的消耗，作業地點逐漸由近海深入到更深的海洋，以發現和開發新的油藏。隨著海上設施間距離的增加，必須實現高可靠、長距離的通信。

（3）海洋環境中的耐久性

海洋作業的高鹽分、高濕度的腐蝕性環境對電氣和其他設備造成很大的壓力，通信設備必須經受住海洋環境的長期惡劣環境條件。

（4）高容量（高帶寬）

向一體化運營轉型意味著更多的監控，更多的計算機或移動設備端應用，更多的視頻，以及對更大帶寬的需求。過去每秒幾兆比特就足夠了，現在每個設施的數量級增長到了每秒幾十甚至幾百兆比特，使得微信通信等傳統通信方式不足以滿足需求。

（5）安全合規性

日益增加的安全法律法規要求電氣設備符合嚴格的安全標準，例如工作在高爆炸性環境中的防爆性能。

（6）網絡隔離

不同的應用場景使用共同的通信基礎設施，需要對通信質量有高度的控制，并根據不同的場景動態提供服務，例如，將涉及關鍵作業任務的通信與員工娛樂系統通信分離，并設置不同的優先級。

對于海洋油氣行業移動作業設施（比如移動式鉆井平臺和移動式試采平臺等），因其作業地點經常變化，作業周期相對較短，而且其附近海域可能沒有固定平臺可以提供通信支持，這更增加了

2 海上常見通信技術對比

海上通信的3 項主要技術: （1）無線傳輸技術（微波通信）；（2）衛星通信；（3）海上光纖通信。3 種通信技術特點[3]對比如表1所示。

表1 海上通信技術特點對比Tab.1 Comparison of different media for offshore communications

由于現有的衛星通信變得不足以滿足海上石油設施不斷增加的通信需求，而且海洋光纖通信的部署和運行成本高、耗時長，特別是在進入更深的水域時，微波是海上設施對岸和海上設施對海上設施連接的最兼具通信質量和成本效益的方法[4]。然而，由于微波通信系統天生就容易受到多徑衰落、視線受阻和天線對準丟失的影響（尤其是漂浮在海面上的設施以及移動作業設施），標準的微波通信系統也無法完全滿足通信需求[5]。

3 基于PointLink 系統的海上微波通信系統的構建及應用

Ceragon 是一家以色列無線網絡方案解決公司，致力于海上通信的研究、制造、培訓和整體業務。Ceragon 公司研發的PointLink 通信解決方案是一個先進的微波無線連接系統，旨在為移動對象，如鉆井平臺、生產平臺、浮式生產和儲存裝置（FPSO）等提供無線通信連接。該解決方案由Ceragon 公司先進的Evolution 系列長距離微波信號收發裝置連接到PointLink 陀螺儀穩定天線，使海上設施和陸基設施的通信時刻保持穩定連接。這個獨特的PointLink 解決方案克服了常規微波通信的技術和物理不足，為海上設施提供了高效率和低成本的通信服務[6]。

（1）滿足高可用性和可靠性要求

PointLink 將高可靠的微波設備與定制的天線穩定技術以及彈性路徑和拓撲結構集成在一起。Evolution 系列長距離微波信號收發裝置非常可靠，經抗衰老測試，平均預估壽命超過70年。由于海平面如同鏡面，會反射微波信號，海上微波通信受到多徑衰落的影響，但通過標準空間分集技術，可以克服多徑衰落的影響[7]。PointLink采用混合頻率和四分集方案，在傳輸的兩側各安裝兩個天線，每個天線以不同的頻率在空間上分離的天線發射兩個相同的信號，并通過空間上分離的天線接收這兩個信號[8]，如圖2所示。通過這種方式，減輕了海面上多徑衰落和視線暫時丟失的影響（由于直升機、起重機、鉆井機械等的影響） ，達到了任務關鍵 級 可 用 性（99.995% ——類似于陸上網絡的可用性水平）。同時，惡劣的海洋氣候和強降水也是一個挑戰。解決這些問題的方法包括實現高衰落邊緣的連接，以及采用Ceragon 公司的自適應編碼和調制（ACM）技術，即使在惡劣的氣候條件下也能保持連接穩定[9]。

圖2 PointLink 系統現場安裝Fig.2 PointLink system installation

PointLink 穩定平臺可以容納直徑從0.3 m/1 ft（1 ft=0.348 m）到3.0 m/10 ft 的拋物面天線，根據天線的不同頻段。獨創的PointLink 軟件系統可以控制天線連續360°度旋轉，并且滾轉/俯仰值高達±17°。結合無間隙伺服電機，確保天線指向精度保持在±0.2°。與其他天線跟蹤系統不同，這套創新的系統基于蠻力算法，即使在高振動環境下也能提供可靠的跟蹤記錄[10]。

在旋轉平臺（例如FPSO）上，可用的天線通常不能覆蓋360°的范圍，因此系統設計必須設計多個天線。當一個扇區可以連接兩個或更多的天線時，PointLink 系統可以通過補償算法，使通信無縫切換，確保通信360°準確無誤連續連接。PointLink 系統配備了自研的GPS 陀螺儀，包括一個用于位置航向和運動監測的運動傳感器，使得PointLink 天線獨立于任何高度依賴環境的速率和角度傳感器[11]。PointLink 天線如圖3所示。

圖3 PointLink陀螺穩定天線Fig.3 Gyro stabilized pointlink antenna

（2）滿足長距離通信要求

Evolution 系列長距離微波信號收發裝置是PointLink系統解決方案的一部分。它設計用于長距離通信場景，具有大功率發射機和高系統增益天線，使長距離的可靠通信成為可能。比如連接挪威大陸和位于北海YME 石油鉆井平臺的PointLink系統，該系統的連接長度為123 km。

（3）滿足海洋環境中的耐久性要求

為海洋通信環境設計的Evolution 系列長距離微波信號收發裝置經過特殊涂層處理，以抵抗惡劣的海洋環境，并且整個系統被密封在一個保護性的天線罩里，如圖4所示。

圖4 Evolution 系列長距離微波信號發射裝置Fig.4 Evolution series long haul radio unit

（4）滿足高容量（高帶寬）要求

Evolution 系列長距離微波信號收發裝置可提供非常高的容量。它們使用1024QAM 調制來增加頻譜效率，并在一個28 MHz 的信道上傳輸超過250 Mb/s 的數據流量。或者，同樣的裝置，采用多載波技術，也可以實現STM-1S （155 Mb/s） 或 者 甚 至STM-4 （622 Mb/s） 的SDH傳輸。

（5）安滿足全合規性要求

PointLink 系統經認證符合ATEX1 區和2 區的要求，能夠在高度爆炸環境中安全工作。

（6）滿足網絡隔離要求

Evolution 系列長距離微波信號收發裝置具有內置的QoS 網絡安全機制，可以按優先級順序處理通信請求，支持通信服務差異化，它保證帶寬和適當的延遲為優先關鍵任務服務。

4 結束語

獨特的環境和通信需求對海上油氣生產作業者和網絡規劃者提出了許多挑戰。海洋油氣行業向更深、離岸更遠海域的趨勢，海上作業裝備的可移動化、采油平臺的無人化、油氣田的一體化運營以及更嚴格的安全和環境法規等原因，提高了對高靈活性、高安全性、高可靠性和高容量的通信系統的需求[12]。基于PointLink 系統的海上微波通信系統的構建及應用可以為海上作業設施和陸地，海上作業設施之間提供兼具可靠性與成本效益的通信支持，為海洋油氣田的開發提供可靠的通訊保障。