魏永剛，安 然，劉會(huì)峰

（長(zhǎng)慶油田分公司 通信處，西安 716000）

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)的應(yīng)用

魏永剛，安 然，劉會(huì)峰

（長(zhǎng)慶油田分公司 通信處，西安 716000）

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)是基于223～235MHz工作頻段，唯一全面支持230MHz1.4GHz1.8GHz混合組網(wǎng)的方案，頻譜資源利用率高，靈活滿足窄帶和寬帶業(yè)務(wù)并存，單基站覆蓋能力強(qiáng)，大幅降低通信站密度，設(shè)備建設(shè)數(shù)量少，同時(shí)大大降低配套、維護(hù)投入，適合感知終端數(shù)量龐大的工業(yè)應(yīng)用要求。本文主要介紹了LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)在油區(qū)測(cè)試中的效果，以及在后期應(yīng)用可行性分析。

無(wú)線應(yīng)急；廣覆蓋；低成本；海量接入

為了持續(xù)推進(jìn)數(shù)字化油田建設(shè)，綠色油田和數(shù)字化建設(shè)；全面推行新型勞動(dòng)組織架構(gòu)，不斷優(yōu)化勞動(dòng)組織和人力資源配置；推行集約發(fā)展、清潔發(fā)展、低碳發(fā)展；為此，將引進(jìn)新的技術(shù)LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)的可行性試驗(yàn)。

1　現(xiàn)　狀

安塞油田地處黃土高原，地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 200米左右。溝壑縱橫，山大溝深，地面非常破碎，無(wú)線衰落和陰影嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)的黃土高原地貌。安塞油田目前管理1 700多個(gè)井場(chǎng)，216個(gè)站點(diǎn)，95%以上井場(chǎng)安裝了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所有的站點(diǎn)，重點(diǎn)的井場(chǎng)都安裝了視頻監(jiān)控設(shè)備。多型號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)、采集設(shè)備，品牌不一，多終端設(shè)備接口形式模擬、串口、網(wǎng)口。要求單井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)性在毫秒級(jí)，系統(tǒng)調(diào)度實(shí)時(shí)性為分鐘級(jí)，后臺(tái)處理和存儲(chǔ)在小時(shí)級(jí)。目前安塞油田的井場(chǎng)，站點(diǎn)的數(shù)字化建設(shè)都是通過(guò)架設(shè)光纜進(jìn)行的，由于地貌的復(fù)雜特點(diǎn)，架設(shè)光纜的工作繁重，成本十分高昂，更有一些井場(chǎng)地理位置過(guò)于偏遠(yuǎn)，分散，數(shù)字化建設(shè)的成本高于利潤(rùn)，不適合進(jìn)行光纜建設(shè)，無(wú)法進(jìn)行有效的監(jiān)控，需要人員進(jìn)行原始的操作。

光纜的后期運(yùn)行維護(hù)要由專業(yè)的光纜維護(hù)隊(duì)伍進(jìn)行負(fù)責(zé)。生產(chǎn)單位一旦發(fā)現(xiàn)光纜中斷情況，需要上報(bào)上級(jí)數(shù)字化單位，再聯(lián)系光纜維護(hù)隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作，同時(shí)，井場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)法正常采集，圖像中斷，會(huì)影響生產(chǎn)單位每天正常的油氣生產(chǎn)，對(duì)員工的績(jī)效考核也會(huì)有負(fù)面的影響，一些嚴(yán)重的光纜情況可能需要超過(guò)24小時(shí)的維修工作，導(dǎo)致油氣生產(chǎn)產(chǎn)生了不必要的成本，一些不安全的隱患，無(wú)法正常系統(tǒng)運(yùn)行狀況的量化考核等弊端。

2　LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)簡(jiǎn)介

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由業(yè)務(wù)平臺(tái)，核心網(wǎng)設(shè)備，網(wǎng)管，接入設(shè)備，和終端設(shè)備組成。

2.1核心技術(shù)

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)主要采用載波聚合，OFDM技術(shù)，頻譜感知，軟件無(wú)線電，干擾協(xié)調(diào)自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等LTE核心技術(shù)?？梢詽M足不同容量需求，適應(yīng)多樣性業(yè)務(wù)，提高系統(tǒng)和終端設(shè)備的峰值傳輸速率，頻率選擇性增益、多服務(wù)隊(duì)列聯(lián)合調(diào)度增益。

2.2系統(tǒng)特點(diǎn)

LTE230M系統(tǒng)具有廣覆蓋，海量用戶，高可靠性，高速率傳輸，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全性強(qiáng)，頻譜適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2.1廣覆蓋

LTE230無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)使用230MHz頻段，與高頻段相比，信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，繞射能力強(qiáng)；更加高效的終端發(fā)射機(jī)技術(shù)和高靈敏度的接收機(jī)技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)的覆蓋能力，單基站覆蓋地域廣，單位面積通信站點(diǎn)少，大幅度降低通信設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)的投資規(guī)模和運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜度，尤其適用于油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線通信需求。

LTE230系統(tǒng)的系統(tǒng)資源帶寬粒度滿足不同類型業(yè)務(wù)的承載，提高終端的發(fā)送功率譜密度，有效提高終端上行覆蓋能力，解決一般無(wú)線通信系統(tǒng)中上行受限問(wèn)題。物理層系統(tǒng)方案大幅度提高接收機(jī)的信道均衡質(zhì)量，有效改善解調(diào)門(mén)限，提高單站覆蓋能力。通過(guò)大幅度的提高基站的覆蓋距離，大大減少了單位面積內(nèi)的基站部署數(shù)量，減少了因基站站址征地、塔架架設(shè)、機(jī)房建設(shè)、電源配套、傳輸配套、運(yùn)行開(kāi)銷、維護(hù)開(kāi)銷等一系列的相關(guān)建設(shè)投資，大幅度的降低了系統(tǒng)建設(shè)的總體成本。

2.2.2大容量

油氣井生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)下，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)接入點(diǎn)需要靈活的接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈中，要求單基站能夠支持終端數(shù)量越來(lái)越大，依據(jù)可擴(kuò)展性要求，通信傳輸通道數(shù)量是通信系統(tǒng)關(guān)鍵性指標(biāo)。LTE230系統(tǒng)全部終端實(shí)時(shí)在線，共享資源，每個(gè)邏輯小區(qū)最高支持2 000個(gè)終端，單接入設(shè)備最多支持6 000個(gè)終端。由于單基站容納終端數(shù)量的增加，部署和建設(shè)成本顯著降低

系統(tǒng)容量設(shè)計(jì):預(yù)留的隨機(jī)接入資源；實(shí)時(shí)在線，采用半靜態(tài)調(diào)度，減少調(diào)度資源的開(kāi)銷；在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，用非常低的速率，保持無(wú)線鏈路的連接 。

2.2.3高頻譜效率采用4G關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)領(lǐng)先的頻率復(fù)用技術(shù)、載波聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜效率最優(yōu)。當(dāng)頻譜是離散的窄帶的時(shí)候，可以將每個(gè)離散的信道看作一個(gè)成員載波，將不連續(xù)分配的成員載波進(jìn)行聚合，并統(tǒng)一分配給一個(gè)用戶使用，這樣可以產(chǎn)生大于原來(lái)窄帶系統(tǒng)幾倍的傳輸帶寬，從而達(dá)到寬帶傳輸?shù)男Ч＝Y(jié)合高階調(diào)制等其他通信技術(shù)，單個(gè)終端的最大上行速 率可以達(dá)到1.76Mbps/MHz。同時(shí)，載波聚合能力允許根據(jù)終端業(yè)務(wù)的需求，提供不同聚合能力等級(jí)，優(yōu)化終端成本，提升頻率使用效率。

2.2.4高可靠性

高安全性系統(tǒng)采用多種加密機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了鑒權(quán)，空口加密，NAS信令加密；滿足無(wú)線通信系統(tǒng)安全傳輸?shù)男枰?，同時(shí)，系統(tǒng)支持用戶端到端密碼設(shè)備，保障用電信息的端到端加密傳輸。

先進(jìn)的加密技術(shù):用戶終端和通信網(wǎng)絡(luò)之間的雙向認(rèn)證；擴(kuò)展的MTS AKA可信協(xié)議信令流程；認(rèn)證密鑰的一次一密；支持128比特的認(rèn)證密鑰。

3　LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)的應(yīng)用

3.1LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)應(yīng)用時(shí)的組網(wǎng)拓?fù)?/p>

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)運(yùn)行于延安總站的機(jī)房，通過(guò)從花皮卯和王南兩個(gè)一體化的基站，機(jī)房?jī)?nèi) 核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備，LTE230交換機(jī)組網(wǎng)形成局域網(wǎng)獲得數(shù)據(jù)信號(hào)。系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

組網(wǎng)描述:系統(tǒng)由LTE230核心網(wǎng)（CP EPC02-230），基站設(shè)備CP eNodeB02-230，LTE 內(nèi)置終端產(chǎn)品CP LCM02-20X組成。

我們?cè)谟蛥^(qū)花皮卯與王南兩個(gè)站點(diǎn)分別作了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將接收機(jī)固定在車(chē)輛上，連接電腦，配合機(jī)房操作人員由近及遠(yuǎn)進(jìn)行信號(hào)的測(cè)試。對(duì)花皮卯站做RSRP仿真覆蓋估計(jì)如圖2。

仿真結(jié)果與規(guī)劃區(qū)域的無(wú)線環(huán)境密切相關(guān)，由于仿真中地形、天線及電子地圖等因素的影響，仿真結(jié)果與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試性能存在一定偏差，由于花皮卯站周?chē)匦我陨矫}為主，地形復(fù)雜，通過(guò)仿真結(jié)果，可以看出，花皮卯站最遠(yuǎn)覆蓋可達(dá)10km左右，但在有一些5km內(nèi)的陰影處和溝壑內(nèi)都無(wú)法正常接收信號(hào)，此系統(tǒng)覆蓋率為68%左右。

3.2系統(tǒng)功能在油區(qū)應(yīng)用簡(jiǎn)介

LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，視頻監(jiān)控和應(yīng)急通信等功能。如井口功圖計(jì)量、數(shù)據(jù)采集上傳、電子自動(dòng)巡井、井口自動(dòng)投球、報(bào)表自動(dòng)生成、管線泄漏檢測(cè)以及預(yù)警信息共享等。

4　效　果

通過(guò)LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)的應(yīng)用，極大地降低了油田數(shù)字化建設(shè)和維護(hù)的成本，提高了油氣生產(chǎn)的實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性。使用了少量的寬帶和成本，完成了巨大終端數(shù)量的數(shù)據(jù)采集，傳感，自動(dòng)化控制等要求，覆蓋了大多數(shù)地理位置復(fù)雜的井場(chǎng)，站點(diǎn)，完成了對(duì)油氣生產(chǎn)所上升需要的語(yǔ)音，視頻，圖像的業(yè)務(wù)要求。使數(shù)字化建設(shè)在油氣生產(chǎn)上更加方便，快捷。此外，在很大程度上解放了勞動(dòng)力，提高了運(yùn)維人員的工作效率，而且生產(chǎn)人員可以更加高效性，一職多能，將每日準(zhǔn)確有效生產(chǎn)報(bào)表進(jìn)行上報(bào)，完成油氣的數(shù)據(jù)采集。

圖2　RSRP仿真覆蓋估計(jì)圖

5　后期展望

針對(duì)LTE230M無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)在油區(qū)的實(shí)際應(yīng)用情況，并與廠家保持溝通，認(rèn)為此系統(tǒng)是光纜系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，可以快速有效進(jìn)行部署使用，對(duì)偏遠(yuǎn)的水源井和油井進(jìn)行有效的監(jiān)控。在重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，正常通信中斷的情況下，也可以用作此系統(tǒng)為應(yīng)急通信。

在一些井場(chǎng)位于距離基站的大山陰影或是山溝處，信號(hào)衰減過(guò)大，終端無(wú)法正常工作，首先，可以在井場(chǎng)山頂處或是開(kāi)闊地，增加無(wú)線通信中繼，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度；其次，為了降低成本，可采用工程手段，根據(jù)實(shí)際地理環(huán)境，可以靈活移動(dòng)豎立桿子的位置和增加桿子高度，最好面對(duì)基站的開(kāi)闊位置，接收信號(hào)強(qiáng)。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.04.057

TE937

A

1673-0194（2015）04-0072-02

2015-01-07