李麗年，吳桂松

（中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津300452）

0 海上石油平臺(tái)通信現(xiàn)狀

海上石油平臺(tái)通信系統(tǒng)的建立是為了保證海上石油、天然氣開發(fā)生產(chǎn)過程中的安全、生產(chǎn)和生活信息的采集和傳輸，是海上平臺(tái)不可缺少的重要設(shè)施。目前，海上無線通信主要是指平臺(tái)上工作人員用于對周圍船只及直升機(jī)上人員通信聯(lián)系的無線電話、平臺(tái)對陸地的衛(wèi)星通信和平臺(tái)間的微波通信等。主要設(shè)備有衛(wèi)星地球站、微波擴(kuò)頻系統(tǒng)、全向無線電導(dǎo)航機(jī)、甚高頻調(diào)頻（VHF-FM）無線電話、甚高頻調(diào)幅（VHF-AM）無線電話、特高頻調(diào)頻（UHF-FM）無線電話、應(yīng)急無線通信設(shè)備等。由于無線通信其通信頻率數(shù)量有限，同時(shí)容納的用戶非常少；雖然衛(wèi)星通信設(shè)備都是數(shù)字化設(shè)備相對技術(shù)含量高一些，然而衛(wèi)星通信延遲大，不利于進(jìn)行語音通信。

海上石油平臺(tái)（或平臺(tái)群）由于受到環(huán)境條件的限制，其規(guī)模不可能太大，生產(chǎn)定員通常在百人左右。因此，采用的通信系統(tǒng)的規(guī)模也就相對較小。由于技術(shù)的限制，海上的通信設(shè)備還不能自由地進(jìn)行像陸地上那樣的常規(guī)通信。

移動(dòng)體之間通信聯(lián)系的傳輸手段只能依靠無線電通信,因此,無線通信是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。WiMAX 技術(shù)是一項(xiàng)無線通信的新技術(shù)，目前正在陸地上推廣。根據(jù)分析海上設(shè)施的特點(diǎn)和WiMAX 技術(shù)的特點(diǎn)，WiMAX 技術(shù)在海上石油平臺(tái)的應(yīng)用是可行的，目前已在文昌13-1&13-2油田得到了成功應(yīng)用。

1 海上石油平臺(tái)現(xiàn)有無線系統(tǒng)的應(yīng)用問題分析

1.1 FPSO無線技術(shù)的應(yīng)用問題分析

當(dāng)FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪）移動(dòng)時(shí)，特定平臺(tái)在特定的角度會(huì)存在無線鏈路中斷。FPSO 天線安裝點(diǎn)、火炬塔和對應(yīng)平臺(tái)呈三點(diǎn)一線的情形，火炬塔比FPSO 天線安裝點(diǎn)高15～20 m，且是金屬結(jié)構(gòu)，其對無線信號(hào)的阻擋和吸收很大，造成接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI 值下降到接收門限下而無線鏈路中斷，因此圍繞在其周圍所有平臺(tái)的無線信號(hào)質(zhì)量均無法保持恒定，ping 數(shù)據(jù)丟包情況時(shí)有發(fā)生。由于現(xiàn)有無線系統(tǒng)使用802.11a 協(xié)議，不支持移動(dòng)式應(yīng)用，因此海上生產(chǎn)設(shè)施急需一種新型無線通信技術(shù)。

1.2 微波技術(shù)的應(yīng)用問題分析

微波擴(kuò)頻通信（SSR）一般接入速率為64 kB/s～2 MB/s，使用頻段為2.4～2.483 5 GHz，該頻段為工業(yè)自由輻射頻段，目前不需要有關(guān)部門的批準(zhǔn)。其特點(diǎn)是利用偽隨機(jī)碼對輸入信息進(jìn)行擴(kuò)展頻譜編碼處理，然后在某個(gè)載頻進(jìn)行調(diào)制以便傳輸。由于系統(tǒng)工作在2.4 GHz 頻段，易受到較為嚴(yán)重的干擾。2.4 GHz 頻段屬于ISM 免申請頻率頻段，同頻干擾較為嚴(yán)重。干擾來源主要有：1）FPSO 辦公區(qū)內(nèi)2.4 GHz 無線辦公網(wǎng)絡(luò)AP、平臺(tái)自用2.4 GHz 無線路由等。2）受到來自陸地的大功率2.4 GHz 系統(tǒng)的干擾。

微波通信有容量大、投資費(fèi)用低、建設(shè)速度快、抗災(zāi)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，多用于近距離海上平臺(tái)間的通信。微波擴(kuò)頻傳輸技術(shù)與常規(guī)的微波傳輸技術(shù)相比，具有抗干擾能力強(qiáng)，抗噪聲能力強(qiáng)和保密性好等特點(diǎn)。但在海上應(yīng)用時(shí)，受到海面多徑干擾較嚴(yán)重，因此對于較遠(yuǎn)距離的平臺(tái)間通信效果不好。

微波通信在海面復(fù)雜的傳播環(huán)境下衰落嚴(yán)重，RSSI信號(hào)較弱且不穩(wěn)定。海面是無線傳播最差和最復(fù)雜的一種環(huán)境，海面衰落也是最嚴(yán)重的一種衰落現(xiàn)象，海面衰落主要由多徑引起。海面衰落大都發(fā)生在風(fēng)平浪靜、大氣層相對變化比較小的氣候條件下，持續(xù)時(shí)間不等，這種時(shí)候多徑最嚴(yán)重，只有等海面衰落消失后，無線鏈路接收信號(hào)電平才恢復(fù)到正常狀態(tài)。

由于海上生產(chǎn)設(shè)施無線系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)間較長，還存在設(shè)備老化、性能下降、室外設(shè)備外殼腐蝕等其他問題，影響使用效果。當(dāng)某個(gè)平臺(tái)鏈路中斷后，備用鏈路無法啟用導(dǎo)致平臺(tái)與FPSO 數(shù)據(jù)徹底中斷。

1.3 現(xiàn)有無線系統(tǒng)的主要問題

現(xiàn)有無線系統(tǒng)工作在2.4 GHz，使用IEEE802.11 g 空口協(xié)議。在作業(yè)區(qū)FPSO 移動(dòng)、火炬塔阻擋、海面深衰落、外界干擾等因素綜合影響下、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作是無法保證的。

2 WiMAX 簡介及特點(diǎn)分析

2.1 WiMAX簡介

WiMAX 是全球微波互聯(lián)接入的縮寫，WiMAX 又稱為802·16 無線城域網(wǎng)，是又一種為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。因在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的高覆蓋范圍，該技術(shù)以IEEE 802.16 的系列寬頻無線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。它是一項(xiàng)無線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，最終能夠在不需要直接視距基站的情況下提供移動(dòng)無線寬帶連接。如何實(shí)現(xiàn)FPSO 與平臺(tái)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷信號(hào)的穩(wěn)定傳輸是一個(gè)關(guān)鍵問題。

2.2 WiMAX技術(shù)的組成

WiMAX 技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

1）支持移動(dòng)性應(yīng)用。核心技術(shù)是OFDM 和OFDMA即正交頻分復(fù)用和正交頻分復(fù)用介入技術(shù)?？梢詫挂苿?dòng)所帶來的傳播環(huán)境快速變化，實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

2）HARQ 技術(shù)因?yàn)樘岣吡祟l譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)因?yàn)橹貍骺梢詭砗喜⒃鲆?，所以擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍。

2.3 WiMAX中的多天線技術(shù)

移動(dòng)WiMAX 中的多天線技術(shù)可以分為3 類，分別是波束賦形、空時(shí)編碼和空間復(fù)用。波束賦形是智能天線的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對準(zhǔn)期望用戶從而提高信噪比，有效抑制共道干擾。空時(shí)編碼分為空時(shí)格碼和空時(shí)塊碼，空時(shí)格碼可以使系統(tǒng)同時(shí)獲得編碼增益和分集增益，空時(shí)塊碼降低了譯碼復(fù)雜度，同時(shí)可以獲得分集增益?？臻g復(fù)用在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，可以最大化MIMO 系統(tǒng)的平均發(fā)射速率。多天線系統(tǒng)可選用分集增益以提高信噪比和信道質(zhì)量，也可選用復(fù)用增益以提高吞吐量。

2.4 WiMAX中的可擴(kuò)展性

WiMAX 技術(shù)的MAC 層具有帶寬分配和QoS 機(jī)制，支持各種不同的用戶環(huán)境，允許在同一信道上出現(xiàn)上千個(gè)不同的用戶。

2.5 WiMAX中的睡眠模式

睡眠模式，16e 協(xié)議為了適應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，增加了終端睡眠模式：Sleep 模式和Idle 模式。

3 WiMAX 技術(shù)與VHF 通信技術(shù)的對比

海上石油平臺(tái)上的高頻無線電設(shè)備主要用于移動(dòng)通信，移動(dòng)通信使用一定的電波頻率，也就是超短波與微波之間的頻率，通常在甚高頻（VHF）、特高頻（UHF）的頻率范圍。

甚高頻調(diào)頻無線電話（VHF-FM）和手持對講機(jī)用于日常與過往船只（工作船、供應(yīng)船等）的通信聯(lián)系、安全生產(chǎn)和緊急情況的聯(lián)絡(luò)，它的第16 信道是國際海協(xié)指定用于遇險(xiǎn)通訊的特殊信道。此設(shè)備設(shè)有雙工濾波器，采用微機(jī)控制頻率合成技術(shù)，有20 個(gè)專用編程信道。

甚高頻調(diào)幅無線電話（VHF-AM）用于平臺(tái)對直升機(jī)的話音聯(lián)系與導(dǎo)航，平臺(tái)為直升機(jī)提供方位、海域天氣情況、將上載的重量等，直升機(jī)飛行員向平臺(tái)報(bào)告飛機(jī)到達(dá)時(shí)間、飛行高度等，保障飛行安全。

WiMAX 技術(shù)與VHF 通信技術(shù)對比見表1。

表1 WiMAX 技術(shù)與VHF 通信技術(shù)對比

因此，WiMAX 采用mesh、beam-forming、MIMO 等先進(jìn)的技術(shù)改善了非視距性能，出眾的系統(tǒng)增益可提供更強(qiáng)的遠(yuǎn)距離穿透阻擋物能力。

4 WiMAX 在海上石油文昌油田的成功應(yīng)用介紹

文昌油田作業(yè)區(qū)采用WiMAX 較好地解決了移動(dòng)式FPSO 與固定平臺(tái)間的傳輸鏈路問題。該系統(tǒng)在中海油文昌油田已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。

文昌13-1&13-2 油田由南海奮進(jìn)FPSO 和兩個(gè)海上采油平臺(tái)組成。原有工業(yè)控制數(shù)據(jù)及辦公網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)均由5.8 GHz 無線網(wǎng)橋（IEEE802.11a）完成，系統(tǒng)建成多年一直工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響海上油田的安全生產(chǎn)，2010 年引入WiMAX 系統(tǒng)后，無線鏈路一直保持穩(wěn)定，各種工業(yè)及辦公數(shù)據(jù)傳輸正常。其原有無線系統(tǒng)的問題均得到完美解決。

5 結(jié) 語

綜上所述，WiMAX 技術(shù)的其中一個(gè)特點(diǎn)就是覆蓋范圍廣泛，可達(dá)50 km。WiMAX 技術(shù)帶寬寬，數(shù)據(jù)傳輸速率快，并且支持移動(dòng)性要求。同時(shí)還可提供語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻服務(wù)。WiMAX 無線通信技術(shù)既具有陸地通信的要求，又有船舶通信的特色；同時(shí)滿足海上石油平臺(tái)生產(chǎn)和安全的要求。其距離長、速率高、部署簡便、受地理?xiàng)l件限制少的技術(shù)特點(diǎn)能夠很好的在海洋石油環(huán)境體現(xiàn)其優(yōu)越性，且WiMAX 技術(shù)兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)寬帶技術(shù)和無線移動(dòng)性特點(diǎn)，將會(huì)在以后的海上石油平臺(tái)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］ 啜剛，王文博，常永宇，等.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

［2］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程電氣、儀控、通訊設(shè)計(jì)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［3］ 王欣.WiMAX 技術(shù)在海上通信中的應(yīng)用與展望［J］.世界海運(yùn)，2005（3）：7-9.

［4］ 王現(xiàn)兵.WiMAX 在海上通信中的適用性分析［J］.中國水運(yùn)，2009（4）：84-85.