基于點對多點微波視頻回傳技術的應用研究

姜翔飛 林其明 唐軍 張螢 張玉蓉

1中國石油天然氣管道工程有限公司

2國家管網集團廣東省管網有限公司

近年來，智慧管網發展迅速，輸油氣管道運行管理更加智能化。輸油氣管道多穿跨越河流、山體等重點區域，這些地區不僅地形復雜，且為自然災害頻發地段，當發生河流沖刷、河流中挖沙及山體滑坡等事件時，極有可能對輸油氣管道造成破壞[1-2]。為了給智能管道大數據分析提供大量基礎數據，保證管道安全運行，真正做到“感知交互可視、預測預警可控”，可在管道沿線高后果區、河流穿跨越等重點區域全面覆蓋視頻監控點，對重點區域進行重點監視，實現實時、可視化監控[3]，這些舉措有利于加強對輸油氣管道沿線的風險防控，可為重點區域安全管控的智能應用提供可靠的信息源[4]。

然而，監控站點數量的不斷增加和智能高清視頻業務的不斷推進使單個視頻站點的視頻數據回傳帶寬大幅增長，并且在面對環境嚴酷、地形復雜、人口密集等情況時，站點傳輸設備會經受惡劣條件的考驗，需具備極強的抗干擾性。為了在高清視頻監控站點數量較大的前提下降低單個站點部署成本、縮短建設周期、高效運維，以視頻監控為主的監控站點迫切需要高效、可靠的傳輸方案，本文提出了一種基于點對多點（Point To Multipoint，簡稱PMP）微波技術的無線傳輸方案，此方案為寬帶數據傳輸提供了基礎，既保證監控數據傳輸的穩定性，又可以避免光纜敷設施工的復雜性，同時可減少征地，提高經濟性，為智能管道的建設奠定了堅實的基礎。

1 PMP微波傳輸技術原理

基于點對多點微波技術視頻回傳方案的系統組成如下：前端采集器（智能高清攝像機）、發射端（RT）、無線鏈路、接收端（AP）、交換機及PC 端（圖1）。由于傳輸采用4.91～5.97 G 固定的免費頻段，因此是基于時分多址技術（TDMA）的點對多點微波技術[5]。該技術可為多路數據有序分配時隙資源，確保多個接入點都能與AP 建立持續可靠的連接，實現多用戶間的有序連接。與基于頻分多址的（FDMA）點對多點微波技術相比，頻譜利用率更高，節省頻率資源，RT端傳輸速率可達250 Mbps，AP端接收速率可達750 Mbps。

圖1 PMP微波技術傳輸架構Fig.1 PMP microwave technology transmission architecture

2 PMP微波技術應用

PMP微波技術在油氣管道物聯網試點項目——中衛-貴陽聯絡線工程可行性研究階段進行了應用。中衛-貴陽聯絡線工程的犀牛江、廣坪河、湘江三處河流河面較寬，為了更好地監視管道經過河流的情況，在輸氣管道跨越河流兩側各設置1處監控站點以方便可視化監控經過河流的管道情況（如漂管、人員挖沙等）。目前有三種方案可考慮。

方案一：河流兩側分別從與輸氣管道同溝敷設的干線光纜引接1 路光纜至河流跨越兩側監控點，將視頻數據通過光纜傳輸至作業區，傳輸架構如圖2所示。

圖2 引接光纜傳輸架構Fig.2 Lead-in optical cable transmission architecture

方案二：河流跨越兩側監控點分別通過4G 方式將視頻傳至作業區[6]，傳輸架構如圖3所示。

圖3 4G傳輸架構Fig.3 4G transmission architecture

方案三：河流兩側監控點通過PMP 微波技術將視頻數據傳輸至作業區，傳輸架構如圖4所示。

圖4 某試點項目PMP微波技術傳輸架構Fig.4 PMP microwave technology transmission architecture of a pilot project

三種傳輸方案對比見表1。

表1 三種方案對比Tab.1 Comparison of three schemes

方案一為傳統有線回傳方式，一方面需對與輸氣管道同溝敷設的光纜進行2次熔接，增加了光纜傳輸故障點，影響干線光纜的傳輸質量，另一方面兩處引接光纜施工操作較困難，特別在地形復雜地區，臨時征地成本增加，且后期引接光纜維護工作量增加，這個缺點在未鋪設光纜的老管道智能化升級改造項目上體現尤為明顯，但是該方案數據安全性有保證，最大傳輸速率不低于155 Mbps。

方案二過多受制于運營商的服務范圍和服務質量，最大傳輸速率可達100 Mbps。

方案三減少了光纜熔接次數，降低了施工難度，同時保證數據傳輸質量，最大傳輸速率可達250 Mbps。

根據前期現場調研，犀牛江、廣坪河、湘江三處河流跨越地形復雜、征地難度較大，管線運行多年，原有光纜查找困難，尋找干線光纜接頭盒亦較為困難，且經過實地勘測，三處河流跨越4G 信號覆蓋不穩定。

綜合考慮三種方案，為了保證視頻數據可靠及穩定傳輸，更好地保證管道運行可視化監控，盡可能減少傳統有線回傳方案在油氣管道跨越河流區域實施的種種困難，同時避免4G 信號傳輸不穩定的問題，推薦采用PMP 微波方式。PMP 微波傳輸其工作原理如下：①在三處河流跨越一側設置RT端，包括安裝桿以及安裝在桿上的攝像機、發射器和調制器；②另一側設置AP 端，包括安裝桿以及安裝桿上的攝像機、接收器和解調器；③RT 端將采集的視頻數據調制后通過無線微波傳輸至AP端；④AP 端接收到視頻數據后由解調器解調，經由以太網交換機與4芯引接光纜相接，然后在干線光纜接頭盒里將4芯引接光纜與中貴線干線光纜進行熔接，最終將視頻數據傳輸至成都分控中心PC端進行管理，實現高清實時監控。

在實際應用中，PMP微波技術的傳輸質量會受到地面遮擋、地形起伏、大氣中各種衰落（如多徑衰落、波導衰落等）等因素的影響，需綜合考慮各種外界影響因素，建立合理的計算模型，微波鏈路增益損耗計算過程為

式中：P為整體功率，W；L為整體的傳輸損耗，dB；FM為微波鏈路儲備余量，dB；PTX為設備射頻輸出功率，dB；PRTH為接收靈敏度，dB；GTX為發射端的天線增益，dB；GRX為接收端的天線增益，dB（一般來說，發射天線和接收天線采用相同的天線口徑[7-13]，即GTX=GRX）；L0為電磁波在自由空間中的傳輸損耗，dB；LTX為發送端線路損耗，dB；LRX為接收端線路損耗，dB。

式中：f為發射頻率，Hz；d為傳輸距離，km。

將以上代入公式（1）中可得

首先，微波在自由空間中為視距傳播，接收端和發射端之間不應有遮擋，其次，實際應用中計算往往采用兩種方法。

方法一是結合現場實際情況，根據鏈路備余量確定合理的傳輸距離，進而來確定發射端和接收端的安裝位置[14-15]。計算流程如下：①根據設備靈敏度及天線計算整體功率P；②根據微波鏈路儲備余量FM及P計算L；③根據L計算自由空間中傳輸損耗L0；④根據L0推導傳輸距離d。

方法二是結合現場情況，選定合適的位置，根據以上公式計算出微波鏈路儲備余量，若為正值則安裝位置合理，若為負值則需要重新選定位置。計算流程如下：①根據傳輸距離d得出自由空間中的傳輸損耗L0；②根據自由空間中傳輸損耗L0計算整體的傳輸損耗L；③根據設備靈敏度及天線計算整體功率P；④根據P及L計算微波鏈路儲備余量FM。

方法二需根據假設的位置計算微波鏈路儲備余量，根據微波波鏈路儲備余量調整安裝位置，因為這種方法計算稍顯復雜，在實際工程中往往采用方法一。

為了保證微波鏈路穩定性，實際應用中微波鏈路儲備余量在不同區域應留有足夠的余量，根據具體工程實際確定，余量多的區域建議不少于3 dB，余量少的區域建議不少于5 dB。確定收發端設備類型、工作頻率、微波鏈路儲備余量，通過公式（1）～（5）可計算收發端站點距離，從而達到傳輸需求?？梢婞c對點微波傳輸技術更適合在環境干擾較小、四周遮擋物較少、地勢起伏較低、不便于敷設光纜時選用。該項技術適用于各種點對多點物聯網窄帶和寬帶數據傳輸，有助于智能管道、油氣田地面工程、海上平臺大數據采集，常見應用場景如圖5所示。

圖5 點對多點微波應用場景Fig.5 Point-to-multipoint microwave application scenarios

3 結束語

本文基于PMP 微波技術為輸油氣管道在河流穿跨越區域兩側設置的高清監控站點，提供了一種實時、可靠、部署靈活的視頻回傳方案。在降低建設成本的前提下，保證了視頻回傳質量，為進一步加強管道沿線可視化監視、提升生產管控水平、推動智能管道的發展奠定了堅實基礎。

在油氣田地面工程中，由于井場數目較多，且傳輸數據類型較為單一，一般僅包括生產數據和視頻數據，采用光纜＋以太網交換機的形式進行數據傳輸時，以太網交換機成鏈組網，井場串接數目過多，數據傳輸發生時延，從而導致自控系統無法實時遠程控制。而在海上油氣工程中，4G 信號覆蓋范圍很難達到實際需求，同時敷設海纜成本較高，每千米造價可達11 萬人民幣左右，且施工及后期維護難度大。通過采用基于PMP 微波技術的視頻回傳方案，具有高效的視頻數據回傳能力，僅需點對多點部署無線收發設備，縮短了建設周期，克服了有線回傳困難的瓶頸，也降低了建設及維護成本。