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TD—LTE無(wú)線通信技術(shù)用于油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸

郭延海中海油信息科技有限公司天津分公司

TD—LTE無(wú)線通信系統(tǒng)采用了單邊帶信號(hào)調(diào)制、TDD、傳輸通道抗衰落、編碼調(diào)制、移動(dòng)天線射頻等技術(shù)，在油田數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)中連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)資料的共享。數(shù)據(jù)在通信信道傳輸中能減弱外界電磁場(chǎng)的干擾力度，保證傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的有效性。該系統(tǒng)的傳輸信道分成等間隔的32個(gè)信道，其中上行信道16個(gè)，下行信道16個(gè)。上行信道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的編碼，下行信道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)線局域網(wǎng)的組建要根據(jù)不同的IP地址進(jìn)行劃分，以達(dá)到共享石油專網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)資源的目的。

TD—LTE；通信；專網(wǎng)；編碼；數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)前油田企業(yè)基于TD—LTE（分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)組建的小型局域信息網(wǎng)能夠有效共享內(nèi)部數(shù)據(jù)資源，會(huì)根據(jù)不同的IP地址以及TCP/IP協(xié)議完成相應(yīng)的配置。油田內(nèi)部數(shù)據(jù)信息在傳輸信道中經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制、信源編碼、增大終端機(jī)的發(fā)射功率等環(huán)節(jié)處理，可以減緩傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的比特?cái)?shù)據(jù)流延緩現(xiàn)象；另外，TD—LTE技術(shù)可以擴(kuò)展油田傳輸系統(tǒng)中的傳輸信道帶寬，當(dāng)頻分和時(shí)分共同占用一個(gè)信道時(shí)，傳輸?shù)膸忍亓髂軌蛲瓿刹煌诺乐g的轉(zhuǎn)換[1]。

1 TD—LTE的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 單邊帶信號(hào)調(diào)制

油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信號(hào)從信源設(shè)備發(fā)射后，需要經(jīng)過(guò)帶通濾波器完成傳輸信號(hào)波形的轉(zhuǎn)換。傳輸信號(hào)波形分為正弦波和余弦波兩種。其中單邊帶信號(hào)調(diào)制的幅值為±1，波形信號(hào)幅值到達(dá)1時(shí)，抑制信號(hào)調(diào)制器把波形的峰值降為最低（-1）；同時(shí)波形信號(hào)的波谷達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的也能將其峰值調(diào)制到最大值1[2]。

1.2 TDD（時(shí)分雙工）技術(shù)

油田生產(chǎn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)按時(shí)間傳輸間隔交換，交換時(shí)間間隔3～4 s。數(shù)據(jù)源從傳輸系統(tǒng)中的終端設(shè)備傳至信源設(shè)備時(shí)，需要完成兩次時(shí)間的累積。這種雙工技術(shù)模式與傳統(tǒng)油田系統(tǒng)中的單工技術(shù)相比，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)延縮減為原來(lái)的一半[3]。雙工技術(shù)模式的傳輸路徑為兩條，一條傳輸至終端設(shè)備處理器，另一條為回路數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)模式如圖1所示。由于油田生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)采用的是全雙工技術(shù)雙向傳輸模式，因此信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性能高，能夠?qū)崿F(xiàn)終端設(shè)備與信源設(shè)備同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)比特流。該技術(shù)采用傳輸與接收兩個(gè)信道，上層信道為數(shù)據(jù)傳輸信道，下層為數(shù)據(jù)接收信道。在上層信道中，數(shù)據(jù)比特流經(jīng)移動(dòng)臺(tái)傳輸至移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心，信息數(shù)據(jù)碼流被壓縮成數(shù)據(jù)塊，經(jīng)交換設(shè)備路由傳輸至終端機(jī)。下層信道則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼流讀取及傳輸?shù)墓δ?，在接收?shù)據(jù)信息后，處理器會(huì)讀取幀比特率的有效信息，分析后將讀取的信息反饋至傳輸設(shè)備，檢查數(shù)據(jù)讀取的完整性。這種傳輸結(jié)構(gòu)模式縮短了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)难訒r(shí)，數(shù)據(jù)信息反饋時(shí)間縮短為0.8 s。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)模式示意圖

1.3 傳輸通道抗衰落

油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的移動(dòng)臺(tái)與通信基站之間的傳輸主要依靠無(wú)線電磁波，在傳輸過(guò)程中，周圍電力線發(fā)射的電磁波會(huì)干擾信號(hào)強(qiáng)度。移動(dòng)臺(tái)發(fā)射無(wú)線電磁波的衰減率為N=V/(λ/2)，其中V為數(shù)據(jù)信息在傳輸信道內(nèi)的速率，λ為外界電磁波的波長(zhǎng)。如果增大電磁波波長(zhǎng)便能有效地控制抗衰減系數(shù)，一般采取增大信源設(shè)備發(fā)射功率的方法來(lái)提高傳輸速率[4]。

在傳輸系統(tǒng)一級(jí)電路信號(hào)功率放大過(guò)程中，數(shù)據(jù)信號(hào)容易在通信線路中發(fā)生全反射現(xiàn)象，使數(shù)據(jù)信號(hào)的碼片呈現(xiàn)離散狀態(tài)。在距終端處理器3/4位置處，繼續(xù)進(jìn)行二級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)功率的放大，使傳輸線路中產(chǎn)生電磁波的強(qiáng)度高于外界干擾電磁波的強(qiáng)度，讓傳輸信道內(nèi)的電磁波與外圍電磁波相互抵消，可降低其電磁波的外圍強(qiáng)度。并且電磁波在相互抵消過(guò)程中，也進(jìn)行了一部分的疊加，從而增強(qiáng)了通信信號(hào)強(qiáng)度。

1.4 編碼調(diào)制

油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)編碼調(diào)制分為二進(jìn)制編碼調(diào)制、十進(jìn)制編碼調(diào)制以及十六進(jìn)制編碼調(diào)制。

十進(jìn)制編碼調(diào)制的輸入端有10個(gè)數(shù)據(jù)連接點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表不同的數(shù)據(jù)值。輸出部分的連接點(diǎn)共有4個(gè)，形成為8421十進(jìn)制編碼。該數(shù)據(jù)連接點(diǎn)的排布從左向右為I0～I(xiàn)9，當(dāng)編碼的數(shù)字首位為0，其他數(shù)字為1時(shí)，輸出端編出的碼型序列為0；當(dāng)編碼的數(shù)字第二位為0，其他數(shù)字為1時(shí)，輸出端編出的碼型序列為1；當(dāng)編碼的數(shù)字第三位為0，其他數(shù)字為1時(shí)，輸出端編出的碼型序列為2，以此類推，即為十進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換原則。十進(jìn)制編碼比二進(jìn)制編碼過(guò)程復(fù)雜，但保密性能比二進(jìn)制好。

十六進(jìn)制編碼與十進(jìn)制編碼過(guò)程相類似，但是對(duì)9以后的數(shù)字編碼要用ABCDEFG進(jìn)行編制，當(dāng)編制的數(shù)據(jù)信息為103131156時(shí)，那么接收到的編碼序列即為A3D1F6。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中二進(jìn)制編碼技術(shù)通常應(yīng)用于傳輸話音信號(hào)，其優(yōu)勢(shì)為編碼技術(shù)簡(jiǎn)化，占用的信道寬；十進(jìn)制編碼和十六進(jìn)制編碼技術(shù)應(yīng)用于傳輸視頻信息與數(shù)據(jù)信息，這兩種編碼技術(shù)保密性能佳，并且在傳輸數(shù)據(jù)信息中添加了冗余碼與糾錯(cuò)碼，可保證傳輸信息的有效性。

1.5 移動(dòng)天線射頻

移動(dòng)天線射頻技術(shù)中的設(shè)備根據(jù)俯仰角度不同，分為全向天線與定向天線兩種類型。全向天線由于覆蓋范圍大，發(fā)射功率低，所以容易受到大氣層中電磁波的干擾，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)失真，這種設(shè)備多用于油田空曠地區(qū)。定向天線覆蓋范圍小，傳輸距離遠(yuǎn)，但是發(fā)射的功率信號(hào)只能朝一個(gè)傳播方向，如果在大型油田建筑群體設(shè)立單獨(dú)的定向天線，發(fā)射的信號(hào)就會(huì)被障礙物吸收，因此每個(gè)建筑通常設(shè)立3個(gè)天線，每個(gè)定向天線覆蓋的范圍為120°，組成一個(gè)全向覆蓋范圍區(qū)域。每個(gè)定向天線的俯仰角度控制在15°范圍內(nèi)，定向發(fā)射的頻率為8 000Hz。在發(fā)射射頻功率過(guò)程中，發(fā)揮主要功能的設(shè)備為耦合器，其結(jié)構(gòu)組成為直流耦合端、輸入端、隔離端及耦合輸出端。

2 TD—LTE技術(shù)的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)傳輸信道

TD—LTE無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸信道分成等間隔的32個(gè)信道，其中上行信道16個(gè)，下行信道16個(gè)。上行信道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的編碼，下行信道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。上行信道具有數(shù)據(jù)信息編碼和譯碼功能，可以在數(shù)據(jù)編碼過(guò)程中添加冗余碼和糾錯(cuò)碼。在數(shù)據(jù)字符串間添加冗余碼的過(guò)程中，上行信道會(huì)根據(jù)冗余碼的排列順序進(jìn)行翻譯，若對(duì)等的字符串沒(méi)有得到有效的翻譯，編碼器便會(huì)重新接收冗余碼，再一次進(jìn)行翻譯表達(dá)，直到油田數(shù)據(jù)終端設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)信息與信源設(shè)備輸出的信息一致，才會(huì)完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的譯碼。

2.2 油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)

無(wú)線局域網(wǎng)的組建要根據(jù)不同的IP地址進(jìn)行劃分，以達(dá)到共享石油專網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)資源的目的。IP地址段分為4個(gè)區(qū)域段，A類IP地址段為0～127，B類IP地址段為128～191，C類IP地址段為192～223，D類IP地址段為224～239，每個(gè)區(qū)域段之間的主機(jī)設(shè)備都能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端控制功能。

3 結(jié)語(yǔ)

TD—LTE無(wú)線通信系統(tǒng)采用了單邊帶信號(hào)調(diào)制、TDD、傳輸通道抗衰落、編碼調(diào)制、移動(dòng)天線射頻等技術(shù)，在油田數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)中連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)資料的共享。數(shù)據(jù)在通信信道傳輸中能減弱外界電磁場(chǎng)的干擾力度，保證傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的有效性。

我國(guó)石油行業(yè)發(fā)展迅速，應(yīng)用TD—LTE技術(shù)建設(shè)石油信息化專網(wǎng)，為石油通信行業(yè)帶來(lái)新的希望，也為整個(gè)石油系統(tǒng)通信提供一個(gè)安全可靠的工作環(huán)境。這種技術(shù)不單用于石油行業(yè)中，在其他行業(yè)也正逐步擴(kuò)展，為我國(guó)通信行業(yè)開辟了廣闊的發(fā)展前景。

[1]容濤，張乃祿，劉祥周，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：27-28.

[2]呂紅衛(wèi)，馮征．EPC架構(gòu)核心組網(wǎng)方式分析[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，23（11）：13-15.

[3]彭木根，王文博．3G無(wú)線資源管理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化[M]．北京：人民郵電出版社，2006.

[4]魏更宇，張冬梅，王縱，等．時(shí)間關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)分析[J]．電信技術(shù)，2009（12）：24-26.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.042