張宏展 普天信息技術(shù)有限公司高級(jí)方案架構(gòu)師

馮世英 普天信息技術(shù)有限公司高級(jí)方案架構(gòu)師

產(chǎn)品與技術(shù)方案

LTE系統(tǒng)在油氣信息采集中的應(yīng)用

張宏展 普天信息技術(shù)有限公司高級(jí)方案架構(gòu)師

馮世英 普天信息技術(shù)有限公司高級(jí)方案架構(gòu)師

隨著石油行業(yè)油氣信息采集系統(tǒng)建設(shè)的展開(kāi)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，選擇什么樣的無(wú)線通信技術(shù)建設(shè)油氣信息采集系統(tǒng)成為了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。本文通過(guò)分析油氣生產(chǎn)信息采集中無(wú)線通信的需求，對(duì)比TD-LTE 230和1800系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)、覆蓋能力、組網(wǎng)成本等幾個(gè)方面，提出了TD-LTE230和1800的混合組網(wǎng)方案。

TD-LTE 230 TD-LTE 1800 頻譜選擇 覆蓋 混合組網(wǎng)

1 引言

油氣生產(chǎn)中主要涉及生產(chǎn)數(shù)據(jù)、調(diào)度語(yǔ)音和監(jiān)控視頻等信息的采集和承載。隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)的支持、以及自身的產(chǎn)業(yè)化程度都已經(jīng)得到了較大的提高，越來(lái)越多的油氣信息采集業(yè)務(wù)可以考慮使用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行承載。

面對(duì)種類繁雜的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線通信體制的選擇成為了一個(gè)難題。從油氣生產(chǎn)行業(yè)通信需求看，無(wú)線頻譜的可用性、系統(tǒng)的覆蓋能力和高帶寬成為了選擇無(wú)線通信技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)租用移動(dòng)運(yùn)用商的網(wǎng)絡(luò)采用GPRS方式，因帶寬限制只能傳遞生產(chǎn)數(shù)據(jù)，難以有效傳遞語(yǔ)音和視頻數(shù)據(jù)。

4G LTE技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是其廣覆蓋和高帶寬的性能，對(duì)油氣生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。若租用運(yùn)營(yíng)商的LTE網(wǎng)絡(luò)，在付出巨額租賃費(fèi)用的同時(shí)，還要承受通話高峰期信息采集受阻的風(fēng)險(xiǎn)。目前，石油行業(yè)更愿意建立自己的LTE無(wú)線專網(wǎng)，做到專網(wǎng)專用。

2 現(xiàn)有的石油行業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，石油行業(yè)中LTE無(wú)線寬帶傳輸?shù)闹饕尚屑夹g(shù)方案有TD-LTE 230和TD-LTE 1800，分別工作在230MHz和1800MHz頻段，簡(jiǎn)稱230系統(tǒng)和1800系統(tǒng)。

●TD-LTE 230系統(tǒng)

TD-LTE 230新型無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TD-LTE 230系統(tǒng)）是基于230MHz頻段無(wú)線頻譜，利用TD-LTE先進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)，為石油行業(yè)用戶深度定制的石油無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(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)。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括OFDMA、載波聚合、頻譜感知、自適應(yīng)編碼調(diào)制、同頻組網(wǎng)、HARQ、軟件無(wú)線電、空口頭壓縮、動(dòng)態(tài)資源分配等。

●TD-LTE 1800系統(tǒng)

TD-LTE 1800無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TD-LTE 1800系統(tǒng)）是一個(gè)以TD-LTE為核心技術(shù)，將TD-LTE技術(shù)的高速率、大帶寬應(yīng)用于無(wú)線專網(wǎng)建設(shè)的無(wú)線通信系統(tǒng)?？蓾M足大容量、大帶寬、高速率、高頻譜利用率的無(wú)線接入業(yè)務(wù)。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括OFDMA、MIMO、智能天線、同頻組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)資源分配、軟件無(wú)線電、空口頭壓縮、動(dòng)態(tài)資源分配等。

TD-LTE 230和TD-LTE 1800的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況如表1所示。

3 TD-LTE 230與1800系統(tǒng)對(duì)比分析

3.1 230MHz與1800MHz頻譜特點(diǎn)對(duì)比

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

頻譜選擇是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)選擇的第一步。

●230頻段

在《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》中，國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)規(guī)定223～235MHz頻段作為遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段，目前主要被能源、軍隊(duì)、氣象、地震、水利、地礦、輕工等行業(yè)使用。其中，40個(gè)頻點(diǎn)分配給了能源部，可用于石油行業(yè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中，每個(gè)頻點(diǎn)25KHz，通過(guò)頻譜聚合技術(shù)可形成1MHz帶寬用于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中。

●1800頻段

1785 ～1805 MHz頻段用于TDD方式無(wú)線接入系統(tǒng)，（見(jiàn)圖1）主要用于本地公眾網(wǎng)無(wú)線接入，對(duì)確有需要的本地專用網(wǎng)也可用于無(wú)線接入。具體頻率指配和無(wú)線電臺(tái)站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

圖1 1800MHz頻譜分布

該頻段的高頻段是GSM的下行頻率，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的1800系統(tǒng)基本不能與GSM基站共址，必須通過(guò)特殊措施或者讓出5M或10M帶寬，才能保證應(yīng)用。由于中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通有大量的GSM基站，因此1800系統(tǒng)的部署存在一定難度。

該頻段的可用頻率實(shí)際上僅有10MHz，頻譜范圍是1790～1800MHz。并且，該頻段僅能有一個(gè)系統(tǒng)（用戶）存在，如果兩系統(tǒng)共存干擾會(huì)非常嚴(yán)重。

3.2 覆蓋能力和組網(wǎng)成本對(duì)比

無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋能力是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，直接影響到網(wǎng)絡(luò)成本，這成本不僅包括硬件成本，同時(shí)包括站址的租金、工程安裝、供電、人員維護(hù)成本。覆蓋半徑越大，覆蓋面積更是與覆蓋半徑之間呈平方倍數(shù)關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，如果A系統(tǒng)單站的覆蓋半徑是B系統(tǒng)的3倍多，那么A系統(tǒng)單站的覆蓋面積就有B系統(tǒng)的10倍，覆蓋同樣面積所需的基站數(shù)量，A系統(tǒng)只有B系統(tǒng)的1/10——從網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)生命周期來(lái)看，運(yùn)維100個(gè)基站和運(yùn)維10個(gè)基站，成本相差很大，除了節(jié)省站址租金、光纖資源之外，日常運(yùn)維過(guò)程中所需要的時(shí)間和人力成本更是相差極大。

3.3 相同路損情況下覆蓋對(duì)比

在無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)中，常采用電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型來(lái)計(jì)算無(wú)線路徑的傳播損耗，確定無(wú)線蜂窩小區(qū)的服務(wù)覆蓋區(qū)。常用的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型有Okumuram-Hata、COST-231 Hata、LEE等。

Okumuram-Hata模型是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的模型，該模型提供的數(shù)據(jù)較齊全，應(yīng)用較廣泛，適用于150～1500MHz頻段。該模型的特點(diǎn)是：以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對(duì)不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。

COST-231 Hata模型是EURO-COST組成的COST工作委員會(huì)開(kāi)發(fā)的Hata模型的擴(kuò)展版本。適用范圍是：f（頻率）在1500～2000MHz之間。

對(duì)于TD-LTE 230系統(tǒng)，選擇Okumura-Hata模型作為傳播模型，對(duì)于TD-LTE 1800系統(tǒng)，選擇COST-231 Hata模型。

根據(jù)路損模型的計(jì)算，135dB路損場(chǎng)景進(jìn)行覆蓋分析，在各種條件相同的情況下，230MHz頻段的覆蓋半徑是1.8GHz頻段的4～5倍（見(jiàn)圖2）。

圖2 城市環(huán)境230MHz系統(tǒng)與1800MHz系統(tǒng)覆蓋對(duì)比

230 和1800 系統(tǒng)城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境基站數(shù)量對(duì)比情況分別見(jiàn)表2和表3。從表中分析可知由于TD-LTE 230系統(tǒng)的廣覆蓋特性，其建網(wǎng)成本和后期維護(hù)成本僅有1800系統(tǒng)的7%左右。

4 TD-LTE 230與1800混合組網(wǎng)方案

油氣生產(chǎn)的主要業(yè)務(wù)有油氣生產(chǎn)信息采集業(yè)務(wù)、油氣生產(chǎn)自動(dòng)化業(yè)務(wù)、應(yīng)急搶修、檢修及移動(dòng)資產(chǎn)可視化管理等。主要特點(diǎn)為：終端數(shù)量大且分布廣泛；大帶寬小帶寬業(yè)務(wù)共存，小帶寬業(yè)務(wù)為主；業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求不同，需要分級(jí)管理。

表3 230和1800郊區(qū)環(huán)境基站數(shù)量對(duì)比

TD-LTE 230和1800的混合組網(wǎng)方案可以滿足油氣生產(chǎn)中多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并存的承載要求。230系統(tǒng)的廣覆蓋特性可以滿足油氣井分布廣泛、數(shù)量大，但傳輸數(shù)據(jù)量小，對(duì)帶寬要求小的需求；1800系統(tǒng)可以滿足油氣生產(chǎn)中關(guān)鍵位置的視頻監(jiān)控以及語(yǔ)音調(diào)度需求。TD-LTE 230和1800的混合組網(wǎng)方案如圖3所示。

圖3 LTE230和1800混合組網(wǎng)方案

5 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)石油行業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的初衷是希望通過(guò)對(duì)信息系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。因此，不能不考慮無(wú)線通信網(wǎng)的建設(shè)成本，如果通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)成本過(guò)高則難以在石油行業(yè)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

TD-LTE 230系統(tǒng)覆蓋性能明顯優(yōu)于1800MHz頻段通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)廣覆蓋組網(wǎng)。TD-LTE 1800的優(yōu)勢(shì)在于高帶寬，可以承載語(yǔ)音和視頻。TD-LTE 230和1800的混合組網(wǎng)方案可以很好地滿足油氣生產(chǎn)信息采集的需要。

1 中國(guó)石油集團(tuán)公司.“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃

2 張新程等.LTE空中接口技術(shù)與性能.人民郵電出版社. 2009

3 辛偉等.演進(jìn)分組系統(tǒng)(EPS)業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù).人民郵電出版社.2010

4 劉振亞.智能電網(wǎng)知識(shí)問(wèn)答.中國(guó)電力出版社.2010

Application of LTE System in Oil and Gas Information Gathering System

With the construction of oil and gas information acquisition system of oil industry expansion,the construction of wireless network has attracted more and more attention,selection of wireless communication technology in the construction of oil and gas information acquisition system in what has become a key issue.In this paper,through the analysis of wireless communication information acquisition in oil and gas production demand,spectrum characteristics, comparison of TD-LTE 230 and 1800 covering ability of the system,the cost of network construction and so on several aspects,proposed a hybrid networking scheme of LTE 230 and 1800.

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