鄧 靜，黃海宏，陳 磊，李 瑩

（中海油上海分公司，上海 200335）

遠(yuǎn)海海域油氣平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究

鄧 靜，黃海宏，陳 磊，李 瑩

（中海油上海分公司，上海 200335）

遠(yuǎn)海海域海上油氣田平臺(tái)與陸地距離較遠(yuǎn)，受地理位置影響，海上主要的通信方式與陸地傳統(tǒng)通信方式區(qū)別較大，隨著海上“智能油田”的規(guī)劃發(fā)展和建設(shè)，需要研究建立一套先進(jìn)可用的遠(yuǎn)海海域油氣平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案，為海上“數(shù)字油田”、“智能油田”的建設(shè)提供可靠、有效、低成本的信息通信保障。

海陸通信；智能油田

1　引言

遠(yuǎn)海海域海上油氣平臺(tái)與陸地距離較遠(yuǎn)，海上平臺(tái)與陸地間距離遠(yuǎn)達(dá)數(shù)百千米，海陸之間通信受到地理環(huán)境的限制，通信手段和效果受到極大制約。隨著海上“智能油田”的建設(shè)，海上平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求日益增加，因此，根據(jù)遠(yuǎn)海海域油氣田群特定環(huán)境條件，頂層設(shè)計(jì)、宏觀考慮遠(yuǎn)海海域油氣平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施應(yīng)用方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)海上石油、天然氣開發(fā)過程中的生產(chǎn)和生活數(shù)據(jù)的采集與傳輸、保障海上人員和設(shè)施安全具有重大意義和應(yīng)用價(jià)值。

2　海上油氣田通信現(xiàn)狀和需求

2.1海上通信現(xiàn)狀

目前，某海域由于受地理位置影響，海上油氣田生產(chǎn)平臺(tái)群距離陸地較遠(yuǎn)，海陸間的基礎(chǔ)骨干通信網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星網(wǎng)構(gòu)成。海域內(nèi)又劃分為3個(gè)區(qū)域中心，各區(qū)域中心平臺(tái)間的骨干通信網(wǎng)絡(luò)也由衛(wèi)星網(wǎng)構(gòu)成。各區(qū)域中心內(nèi)部平臺(tái)間的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是以井口平臺(tái)向中心平臺(tái)匯聚，中心平臺(tái)與井口平臺(tái)間由短距離光纖鏈路連接，通過中心平臺(tái)集中后，再通過衛(wèi)星鏈路與陸地進(jìn)行通信，總體上呈現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為該海域的通信及生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供了最基本的保障。目前，該海域主要中心平臺(tái)海陸骨干鏈路帶寬應(yīng)用情況如表1所示。

表1 骨干通信帶寬現(xiàn)狀

從表1可以看出，目前該海域通信骨干網(wǎng)絡(luò)主要依靠衛(wèi)星通信，通信手段較為單一。衛(wèi)星通信存在時(shí)延、日凌、雨衰等不利因素，同時(shí)通信備份鏈路不足，面對(duì)突發(fā)故障，通信將難以得到可靠保障；同時(shí)由于衛(wèi)星骨干鏈路帶寬多為窄帶帶寬，無法滿足未來大規(guī)模生產(chǎn)的業(yè)務(wù)需求。

2.2通信帶寬分析

表2為目前該海域的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，海上中心平臺(tái)在開啟一路視頻會(huì)議（1M）和一路視頻監(jiān)控（1M）時(shí)，基本網(wǎng)絡(luò)帶寬至少需要達(dá)到3.75Mb/s。同時(shí)，基于電信運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量年增長(zhǎng)率約為20%～30%。綜合智慧油田規(guī)劃的提出以及海上業(yè)務(wù)系統(tǒng)不斷發(fā)展要求，我們預(yù)測(cè)到2020年，海上中心平臺(tái)的總帶寬需求將達(dá)到38～50Mb/s，這種需求與目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)際情況存在較大的缺口。

表2 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)帶寬需求分析

2.3通信距離分析

遠(yuǎn)海海域海上平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)對(duì)通信傳輸?shù)囊鬄椋哼h(yuǎn)距離、大容量、全天候，其中，遠(yuǎn)距離是阻礙遠(yuǎn)海海域海陸間通信帶寬發(fā)展的最主要的因素。本文所研究的海域，海上油氣田平臺(tái)與陸地之間距離長(zhǎng)達(dá)300千米以上，建設(shè)骨干長(zhǎng)距離通信網(wǎng)絡(luò)可選用的技術(shù)手段較少，原來通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，面臨著平臺(tái)與陸地之間通信帶寬的瓶頸限制，而進(jìn)行長(zhǎng)距離海纜鋪設(shè)，又面臨著投資與收益平衡的問題。綜上可知，如何通過優(yōu)選通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)有效地規(guī)劃建設(shè)好遠(yuǎn)海海域海上油氣平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)，是目前急待解決的實(shí)際問題。

3　海陸遠(yuǎn)距離通信技術(shù)分析

為了建設(shè)海上通信“高速公路”，需要選擇性能、安全及成本都能滿足海上石油開采環(huán)境特殊性要求的通信技術(shù)，有效改善陸地與平臺(tái)之間、海上平臺(tái)群之間存在的通信問題，可選用的海陸骨干網(wǎng)技術(shù)主要有衛(wèi)星通信、海纜通信、微波通信、超視距微波通信等幾種。本文將對(duì)各種通信技術(shù)進(jìn)行分析和比較，多維度論證最適合遠(yuǎn)海海域油氣田應(yīng)用的基礎(chǔ)骨干組網(wǎng)技術(shù)。

3.1衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣、可靠性高、開通電路迅速等特點(diǎn)，在海洋石油開發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前，中海油遠(yuǎn)海海域生產(chǎn)作業(yè)平臺(tái)與陸地間的通信主要是依靠衛(wèi)星通信技術(shù)，而且在海纜系統(tǒng)建設(shè)完成之前衛(wèi)星技術(shù)都將是海上作業(yè)的主干通道，特別是遠(yuǎn)洋作業(yè)平臺(tái)及移動(dòng)船舶只有依賴衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行海陸通信。但衛(wèi)星通信存在時(shí)延、日凌、雨衰等問題，特別是在高降雨區(qū)很難避免由雨衰造成的通信中斷。

中海油所組建的衛(wèi)星網(wǎng)主要采用C/Ku波段，C波段一般可用帶寬為500～800MHz，Ku波段可用帶寬為500～1000MHz。常用的C波段每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器提供36MHz帶寬，Ku波段每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器提供54MHz帶寬。不久我國將部署Ka波段衛(wèi)星，Ka波段衛(wèi)星具有可用帶寬寬、傳輸容量大、干擾少、設(shè)備體積小等特點(diǎn)，可用帶寬將可達(dá)3500MHz，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器可提供425MHz帶寬，這些特點(diǎn)使得其成為未來寬帶衛(wèi)星的發(fā)展方向。

3.2海纜通信

海底光纜以其大容量、高質(zhì)量、高清晰度、低價(jià)格，成為目前國際間主要的通信手段。由于光纖具有頻帶寬，抗干擾小，容量大等特點(diǎn)，因此在跨洋國際通信領(lǐng)域，衛(wèi)星通信只作為海纜通信的補(bǔ)充手段，只有當(dāng)海纜出現(xiàn)故障影響通信時(shí)，才通過衛(wèi)星來傳輸，或是通過海纜系統(tǒng)的其他路由來恢復(fù)。同時(shí)，海底光纜系統(tǒng)是應(yīng)用于特殊物理環(huán)境中的光通信系統(tǒng)，與陸地光纜系統(tǒng)相比設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，技術(shù)水平也更加先進(jìn)。

在海上油氣田開發(fā)領(lǐng)域推廣海纜通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：系統(tǒng)具有高可靠性，海纜一般不受海上變化的惡劣天氣影響，信號(hào)穩(wěn)定性高，光保密性強(qiáng)；而密集波分傳輸技術(shù)的發(fā)展使得通信帶寬具有無限擴(kuò)展性；同時(shí)，頻譜資源具備天然可獲得性，與無線方案相比比，無需申請(qǐng)頻譜。

顯而易見，海底光纜對(duì)海上油氣田通信服務(wù)保障水平的提高是非常直觀和明顯的，但由于投資巨大，回收周期長(zhǎng)，需要根據(jù)油藏分布，提前進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。

3.3微波通信

微波通信是使用波長(zhǎng)在0.1毫米至1米之間的電磁波進(jìn)行的通信，數(shù)字微波系統(tǒng)可以提供E1-2XSTM-1速率的通信帶寬，常用頻率為3.3GHz～11GHz范圍內(nèi)。微波通信具有部署快捷、安裝靈活、設(shè)備緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)方便等優(yōu)勢(shì)，在考慮大氣吸收、雨霧、水面反射等因素產(chǎn)生的衰落影響后，在覆蓋范圍內(nèi)可以滿足各類業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，在近海油氣田生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是海上油氣田常用的通信手段之一。

但由于微波的頻率高、波長(zhǎng)短，其在空中的傳播特性與光波相近，具有直線傳播的特性，因此在電波波束方向上不能有障礙物阻擋，遇到阻擋信號(hào)就會(huì)被反射或被阻斷，加上受地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，微波信號(hào)每隔50～100千米就需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。受此影響，在超過100km的遠(yuǎn)海海域，微波通信難以作為海陸間骨干網(wǎng)技術(shù)加以應(yīng)用，往往作為平臺(tái)群內(nèi)部的區(qū)域網(wǎng)通信技術(shù)。

3.4超視距微波通信

超視距微波通信是利用大氣層中傳播媒介的不均勻性對(duì)無線電波的散射作用而進(jìn)行的通信，它根據(jù)散射媒質(zhì)的不同，一般分為對(duì)流層散射通信和電離層散射通信。通常所說的超視距微波通信大多是指對(duì)流層散射通信，它具備以下的特點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)，單跳距離可達(dá)約300千米；抗干擾能力強(qiáng)，不受核爆炸和太陽耀斑的影響；傳輸可靠度高，可達(dá)99～99.9%；通頻帶較寬，可達(dá)10兆赫以上；能實(shí)現(xiàn)多路通信，可以傳送電話、電報(bào)和數(shù)據(jù)等。

但超視距微波通信也有其固有的缺點(diǎn)：傳輸損耗大，且隨著通信距離的增加而劇增，因而要用大功率的發(fā)射機(jī)、高靈敏的接收機(jī)及龐大的天線，在海上平臺(tái)安裝場(chǎng)地受限；信號(hào)有較深的快衰落，信號(hào)電平有明顯的季節(jié)和晝夜的變化；同時(shí)，超視距微波技術(shù)是軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，使用前需要向無線電管理部門申請(qǐng)頻段?？傊?，超視距微波通信技術(shù)的擴(kuò)展性不如海纜通信，但單跳傳輸距離遠(yuǎn)大于微波通信。經(jīng)過測(cè)試，該技術(shù)適合在100～200千米的海陸距離內(nèi)使用，與衛(wèi)星通信技術(shù)相互備份，可保證海上油氣田的全年通信不中斷。

4　遠(yuǎn)海海域油氣平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)解決方案

針對(duì)遠(yuǎn)海海域地理位置的特征和未來油氣田發(fā)展的需求，在構(gòu)建遠(yuǎn)海海域通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要采取自上而下整體規(guī)劃，分層分階段進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)的策略，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從骨干層、匯聚層和接入層幾個(gè)層級(jí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層規(guī)劃和部署。

圖1 海上網(wǎng)絡(luò)分層

4.1骨干層方案

在本海域中，骨干通信網(wǎng)是指陸地通信中心到海上作業(yè)區(qū)域中心平臺(tái)之間，以及海上各區(qū)域中心平臺(tái)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，它承擔(dān)著海上作業(yè)區(qū)各中心平臺(tái)到陸地的生產(chǎn)和通信信號(hào)、以及各區(qū)域中心平臺(tái)之間生產(chǎn)關(guān)斷信號(hào)的傳輸功能。該海域各作業(yè)平臺(tái)至陸地通信端站的距離均超過300千米，通信鏈路跨距遠(yuǎn)，承載的業(yè)務(wù)類型多，傳輸?shù)男盘?hào)的重要程度高。而目前該區(qū)域的骨干通信網(wǎng)是依托衛(wèi)星通信技術(shù)所組建的衛(wèi)星通信網(wǎng)，在帶寬的拓展和安全性方面存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著該海域未來油氣田的發(fā)展規(guī)劃，特別是要考慮到為未來智能油田的各種寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用提供全天候的通信鏈路支撐，該海域的通信帶寬需求量將逐步增大，網(wǎng)絡(luò)的安全性要求也會(huì)越來越高。根據(jù)這些特點(diǎn)和需求，綜合經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展性兩方面因素，對(duì)該海域的骨干網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行三期規(guī)劃：

近期依托完善現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)，采用C波段衛(wèi)星鏈路作為骨干網(wǎng)絡(luò)通道，通過星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結(jié)合的衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足海域內(nèi)現(xiàn)有油氣平臺(tái)群的通信需求。同時(shí)積極關(guān)注Ka寬帶衛(wèi)星技術(shù)和超視距微波通信的發(fā)展情況，在技術(shù)成熟、具備應(yīng)用條件的情況下將這兩種技術(shù)加以綜合推廣應(yīng)用。

中期隨著新的油氣平臺(tái)的建設(shè)規(guī)劃，進(jìn)行單跨段海纜方案設(shè)計(jì)，充分利用已建或新建的登陸海管路由，采用無中繼海纜系統(tǒng)技術(shù)方案，鋪設(shè)一條陸地端站到海上某中心平臺(tái)間的登陸海纜。根據(jù)最新行業(yè)內(nèi)研究，無中繼海纜技術(shù)單跨距離已可達(dá)450千米，完全滿足該海域登陸海纜建設(shè)的技術(shù)要求。而海域內(nèi)各中心平臺(tái)之間，則可采用平臺(tái)中繼方式進(jìn)行海纜互通，同時(shí)保留現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)的少量通信帶寬，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與海纜的鏈路互備，以確保油氣生產(chǎn)對(duì)通信帶寬和網(wǎng)絡(luò)可靠性的雙重要求，最終形成“全覆蓋、大容量、全天候”寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)另一路由方向的登陸海纜，從而形成該海域的海纜通信環(huán)網(wǎng)，以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，保證各類寬帶業(yè)務(wù)的持續(xù)傳輸。

4.2匯聚層方案

匯聚層是指海域內(nèi)各中心平臺(tái)與各井口平臺(tái)間的通信網(wǎng)絡(luò)，由于各平臺(tái)間距離較短，可采用的通信技術(shù)手段較多。若平臺(tái)間鋪設(shè)有油氣管線，則可循著管線路由敷設(shè)通信海纜，或敷設(shè)光電復(fù)合海纜，利用SDH和PDH等傳輸方式進(jìn)行業(yè)務(wù)透?jìng)?，從而滿足高帶寬、高可靠性的匯聚層內(nèi)部各類業(yè)務(wù)的靈活應(yīng)用。

若平臺(tái)間沒有敷設(shè)油氣管線和動(dòng)力電纜，則可通過在平臺(tái)間建設(shè)高速微波鏈路完成業(yè)務(wù)傳輸，在100千米以內(nèi)，微波鏈路帶寬可達(dá)10Mb/s以上。

4.3接入層方案

傳統(tǒng)的海上油氣平臺(tái)內(nèi)接入層主要采用固網(wǎng)方式，將語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入C波段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，平臺(tái)附近海域作業(yè)船只通過Ku衛(wèi)星接入。隨著通信技術(shù)發(fā)展，最先進(jìn)的第四代通信LTE技術(shù)進(jìn)入方興未艾階段。在接入層方案規(guī)劃中，建議引入LTE寬帶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)無線覆蓋。LTE寬帶接入的下行吞吐量可達(dá)100Mb/s，上行吞吐量達(dá)50Mb/s，可覆蓋通信和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，支持移動(dòng)辦公、多媒體集群調(diào)度、移動(dòng)巡檢生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取、高清視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等多種無線寬帶業(yè)務(wù)，從而能為海上智能油田建設(shè)助力。

LTE技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無線覆蓋，可以覆蓋到相鄰的生產(chǎn)平臺(tái)和移動(dòng)船舶，滿足平臺(tái)周邊30千米的平臺(tái)和移動(dòng)船舶的寬帶接入，安裝部署快捷，擴(kuò)容方便，維護(hù)成本低，可作為新型海上平臺(tái)接入網(wǎng)建設(shè)方案重點(diǎn)推廣。

圖2 遠(yuǎn)海海域通信規(guī)劃全景示意圖

5　結(jié)束語

本文從海上油氣田通信業(yè)務(wù)需求出發(fā)，針對(duì)遠(yuǎn)海海域海上平臺(tái)海陸距離長(zhǎng)，壞境惡劣的現(xiàn)狀，對(duì)多種可行的通信技術(shù)進(jìn)行分析比較，提出分層推進(jìn)的遠(yuǎn)海海域海上油氣田通信網(wǎng)絡(luò)解決方案，為海上油氣田的開發(fā)及生產(chǎn)提供最佳的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐。

Study on Application of Communication Network Technology in Oil and Gas Platform in Far Offshore Area

Deng Jing, Huang Haihong, Chen Lei, Li Ying
(CNOOC Shanghai Branch, Shanghai 200335)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.11.001

TN92，TN913 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）11-0001-04