長距離跨海大容量微波傳輸分析研究

摘要：作為海上油田連接大陸的重要通信手段，點對點微波傳輸面臨長距離跨海的視通和多徑衰落的問題，通過分析和實際部署的鏈路性能測試，證明在采用合適的設(shè)備及配置下，能夠解決視通和多徑等問題，實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離的跨海傳輸。

關(guān)鍵詞：長距離跨海微波傳輸；超視距傳播；衍射損耗；多徑衰落；空間分集

一、引言

隨著智能化油田建設(shè)的推進(jìn)，需要利用高帶寬網(wǎng)絡(luò)支持大量數(shù)據(jù)的實時收集和傳輸，包括鉆井?dāng)?shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控。

由于鉆井平臺遠(yuǎn)離大陸，中心平臺與陸基之間相隔數(shù)百公里，與周邊井架平臺也有數(shù)十公里的距離，給數(shù)據(jù)的傳輸帶來了挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信覆蓋廣闊的范圍，但帶寬較低且成本高；光纖通信能提供高帶寬、低延時的通信傳輸，但成本高且建設(shè)周期長。因此，數(shù)字微波通信技術(shù)利用電磁波的直線傳播特性，提供大帶寬、長距離、低時延、部署迅速且成本有效的傳輸解決方案。

二、長距離跨海傳輸?shù)奶魬?zhàn)

海上鉆井平臺采用微波傳輸技術(shù)時面臨多方面的挑戰(zhàn)：

首先，由于地球曲面會阻擋微波的傳輸路徑，要確保視距傳輸，陸地側(cè)天線需安裝在比較高的位置，而通常海邊地區(qū)不容易找到滿足建站條件的高地。

其次，海面反射的多徑傳播，會造成鏈路性能不穩(wěn)定。為了解決上述問題，海油信科與微波設(shè)備制造商一起，通過理論分析和大量的實踐鏈路部署，積累了適合長距離、大容量跨海傳輸鏈路的經(jīng)驗，為中海油油氣田數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展、海上油田高效運營提供了強(qiáng)有力的支持。

三、克服長距離的視通問題

理論上，微波傳輸要求滿足視通的條件。由于電磁波約有一半的能量通過菲涅爾橢球傳播，因此任何在第一菲涅爾半徑內(nèi)的障礙物對接收信號強(qiáng)度都會有一定的影響。在陸地到海上平臺的長距離傳輸鏈路上，平臺高度固定約40～55米，當(dāng)陸地天線掛高不夠高時，由于地球曲率的影響，視通條件無法完全滿足，以下2種手段可以克服視通問題：

其一，利用大氣波導(dǎo)實現(xiàn)超視距傳輸；其二，采用超高發(fā)射功率的微波設(shè)備補償衍射損耗。

（一）大氣波導(dǎo)

在一般對流層大氣環(huán)境條件下，微波通常為視距傳播，電磁波在對流層傳播過程中與大氣不均勻體和漸變層結(jié)相互作用，會產(chǎn)生對流層大氣電磁波超折射現(xiàn)象，特殊條件下可以形成大氣波導(dǎo)。對流層大氣波導(dǎo)是在對流層內(nèi)特別是在對流層大氣邊界層內(nèi)形成的一種可以實現(xiàn)電磁波超視距遠(yuǎn)距離傳播的特殊超折射大氣層狀結(jié)構(gòu)，利用此波導(dǎo)可實現(xiàn)微波超視距通信。作為一種特殊大氣現(xiàn)象，大氣波導(dǎo)形成和變化是大氣與海面環(huán)境相互作用，以及大氣內(nèi)部相互作用的結(jié)果，與不同尺度的氣象系統(tǒng)密切相關(guān)。

大氣波導(dǎo)超視距傳播在100～300公里的近程距離上，以表面波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)為主。蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的一種特殊的表面波導(dǎo)，它是海面強(qiáng)烈蒸發(fā)，使表層水蒸氣飽和，隨高度增加濕度迅速減小，使大氣折射指數(shù)自海面向上逐漸減小而形成較薄的貼海蒸發(fā)波導(dǎo)層。

當(dāng)海面上存在大氣波導(dǎo)，電波在傳播過程中發(fā)生超折射，使電磁波在傳播過程中向下折射，在波導(dǎo)中來回反射傳播，消除了地球曲率帶來的對微波通信距離的影響，并增加了其傳播路徑中的電場強(qiáng)度，降低了電磁波的能量衰耗，使得接收端能在更遠(yuǎn)的距離上接收到來自發(fā)端的信號，形成超視距傳播。

（二）衍射損耗

按照ITU-R Rec. P-530的路徑視通標(biāo)準(zhǔn)：

1.主天線在標(biāo)準(zhǔn)K值（1.33）時滿足第一菲涅爾區(qū)100%視通；最小K值時，主天線滿足60%F1視通。

2.分集天線滿足第一菲涅爾區(qū)60%視通。

當(dāng)天線陸地天線高度不夠，導(dǎo)致鏈路無法完全滿足視通條件，根據(jù)鏈路的地形剖面圖的幾何形狀，使用現(xiàn)行插值法在剖面上添加臨時點，精確地表示有效地球半徑，進(jìn)行衍射損耗的計算。

以一條173.3公里的跨海鏈路為例，雖然陸地側(cè)天線安裝高度可達(dá)到海拔1270米，但海上平臺天線安裝高度僅有46米，這樣的天線高度無法達(dá)到完全視通的要求。經(jīng)計算，在正常大氣條件下，該鏈路的衍射損耗達(dá)到約10.7dB。

在該鏈路部署高發(fā)功的射頻微波點對點傳輸設(shè)備及2.4米和1.8米的天線，接收電平絕大部分時間在-45dBm ～ -68dBm之間變化，滿足接收電平的設(shè)計要求。

四、克服多徑衰落的影響

對于跨海鏈路，海面的反射對傳輸?shù)挠绊懕容^嚴(yán)重，接收機(jī)除收到來自發(fā)射機(jī)的直射波信號，還會收到經(jīng)海面反射到達(dá)接收機(jī)的反射波，全部接收信號是直射波和反射波的矢量和。

由于每個反射波有不同的傳輸路徑長度，到達(dá)接收機(jī)的各個信號有不同的延時（即不同的相位），這種多徑傳播現(xiàn)象可能造成信號性能下降，甚至抵消接收信號。圖1顯示了經(jīng)2個不同路徑傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的合成波的傳輸函數(shù)。

某些頻率上，2個波相位差180度，造成信號的相互抵消。而在其他頻率上，2個波同相，造成信號增強(qiáng)。當(dāng)信號抵消的頻率落入發(fā)射信號頻譜內(nèi)，接收信號的頻譜會變形，這就是所謂的選擇性衰落。選擇性衰落可能發(fā)生在某個頻率、某個時間或某個位置上，為克服多徑選擇性衰落對鏈路性能的影響，上述173.3公里鏈路采用了空間分集的配置。

空間分集采用第二面接收天線，在垂直方向上安裝在于第一面天線一定距離的位置，使其收到信號的延時組合與第一個天線的延時組合不相關(guān)，這樣，當(dāng)一個天線收到選擇性衰落信號，另一天線收到衰落信號的概率會很小，從而保證合成的接收信號為正常的信號。

本鏈路采用了基帶合成的空間分集，2面天線接收下來的信號分別進(jìn)行下變頻和相干解調(diào)，然后通過2個分?jǐn)?shù)間隔均衡器（FSE）進(jìn)行合成，2個自適應(yīng)濾波器調(diào)節(jié)2個信號的增益和相位，使均方誤差（MSE）

最低。

除了對抗多徑衰落外，采用基帶合成的空間分集還可提供最高3dB的系統(tǒng)增益改善。對于上述173.3公里的跨海鏈路，采用空間分集后，該鏈路能比較穩(wěn)定地工作在64QAM上，鏈路的可用度從～99.95%大幅提升到99.999%。采用3+0配置，鏈路容量超過500Mbps，大大地提升了兩個站點間的傳輸容量。

五、鏈路性能和容量的提升

為了進(jìn)一步提升鏈路的容量和性能，考慮采用增強(qiáng)型空間分集（ASD）提升鏈路的可用度和容量。增強(qiáng)型空間分集實現(xiàn)包含2個部分：

1.接收分集：標(biāo)準(zhǔn)的基帶合成空間分集；

2.發(fā)送分集：相位同步波束成形的分集方式。

當(dāng)兩個站點都采用4面天線時，兩個傳輸方向同時有發(fā)送分集和接收分集的效果，可為每個方向的傳輸帶來9dB的系統(tǒng)增益改善。

采用增強(qiáng)型空間分集，接收機(jī)可以收到2倍路徑的信號，在所有路徑上都出現(xiàn)衰落凹口的概率會大大地降低，如圖3所示。而改變鏈路一端的主天線和分集天線的間隔，能進(jìn)一步改善鏈路整體的分集效果和靈活性。

六、結(jié)束語

通過長距離跨海鏈路實踐表明，對于某些理論分析上無法完全視通的鏈路，利用大氣波導(dǎo)的超視距傳播特性，結(jié)合超高發(fā)射功率的設(shè)備及合適的配置和天線，克服衍射損耗對鏈路性能的一些影響，配合自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)一定容量的可靠傳輸。

空間分集是克服跨海鏈路多徑傳播的主要手段，基帶合成的空間分集除帶來3dB系統(tǒng)增益改善外，能避免2面天線接收信號同時產(chǎn)生衰落，大幅地提高鏈路的可用度。未來，通過采用增強(qiáng)型空間分集技術(shù)，提供高達(dá)9dB的系統(tǒng)增益改善，能進(jìn)一步提升鏈路性能和傳輸容量。

作者單位：劉瑋 中海油信息科技有限公司上海分公司

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