楊洋，張林，欒慷，馬東

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川　750006；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安　710021）

Mesh技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用評(píng)價(jià)及發(fā)展方向

楊洋1，張林2，欒慷2，馬東2

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710021）

按照長(zhǎng)慶油田數(shù)字化建設(shè)的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)幾年不懈努力，蘇里格氣田的數(shù)字化已初具規(guī)模。目前蘇里格使用了大量的數(shù)傳電臺(tái)、但由于技術(shù)本身存在著一定的局限性，使通信問(wèn)題成了不斷發(fā)展的數(shù)字化建設(shè)中的瓶頸問(wèn)題之一。

Mesh技術(shù)；蘇里格氣田；發(fā)展方向

1　前言

1.1Mesh網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱(chēng)為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)［1，2］，它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最早應(yīng)用于軍事通信。由Mesh routers（路由器）和Mesh clients（客戶(hù)端）組成。在傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中，主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果需要連接的節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而相鄰的節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。依此類(lèi)推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終目的地為止。

1.2基于思想

同一個(gè)干管方向的單井群形成一個(gè)Mesh網(wǎng)通信集群，通過(guò)最優(yōu)的LOS路徑與中心站無(wú)線橋接，中心站經(jīng)過(guò)油氣田內(nèi)部專(zhuān)網(wǎng)匯集到作業(yè)區(qū)或廠內(nèi)指揮中心。施工時(shí)可以打破單井與中心站之間的上下邏輯或隸屬關(guān)系，將所有單井在整個(gè)油氣田區(qū)域整體考慮，就近形成路由關(guān)系，使用最佳路徑或路由進(jìn)行集群?；贛esh無(wú)線接入網(wǎng)建成后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)承載全部使用IP傳輸，原有基于本地總線的設(shè)備，如RS485/232串口的RTU，PLC等都通過(guò)IP虛擬串口實(shí)現(xiàn)匯聚。中心站基本匯聚點(diǎn)與各單井路由之間采用智能天線技術(shù)避免頻率沖突和干擾，各站點(diǎn)之間使用自適應(yīng)功率控制，確保通信質(zhì)量的同時(shí)減少站與站之間的干擾。中心站使用6～8路智能天線作空間分集接收，提高無(wú)線信道的接收質(zhì)量，抑制同頻背景噪聲。正常運(yùn)行時(shí)，使用無(wú)線網(wǎng)橋基站集群管理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控各站的運(yùn)行情況，如信道質(zhì)量CCQ、平均傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、路徑損耗等通信參數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)不間斷健康運(yùn)行。

1.3技術(shù)特點(diǎn)

由于單井分布比較集中，因此采用相鄰最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)橋?qū)β屎蛡鬏斁嚯x的要求。受地形影響小，覆蓋好＞95％單井區(qū)域。HD高清視頻、高清圖片720P-1080P，25幀/秒。數(shù)字井控?cái)?shù)據(jù)冗余備份，巡井、預(yù)留報(bào)警接口等具有網(wǎng)管和自診斷功能，能快速顯示出故障點(diǎn)，并作為故障分析提出依據(jù)。結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)現(xiàn)非視距傳輸（NLOS）高寬帶，干擾小。整體性?xún)r(jià)比高，適合數(shù)字化長(zhǎng)期發(fā)展需求和未來(lái)業(yè)務(wù)拓展需要。

2　Mesh網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)

通過(guò)安裝前的實(shí)際地形分析情況，對(duì)所采用網(wǎng)橋的頻率、天線模式、連接方式、跳轉(zhuǎn)路線進(jìn)行規(guī)劃［3］。

衛(wèi)星地圖上測(cè)試集氣站與單井A之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析（見(jiàn)圖1），途中綠線表示通信效果良好，可以直接通信。在地圖上直接可以估計(jì)出傳輸?shù)木嚯x、傳輸質(zhì)量、最大速率、通信質(zhì)量以及收發(fā)智能天線的選型與增益預(yù)測(cè)。

這是在單井B、單井A、單井C之間做的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試（見(jiàn)圖2），由圖2可以看出蘇單井C與單井A之間雖然距離近，但是由于沙丘等因素影響，兩井之間網(wǎng)絡(luò)信號(hào)＜-80 db（兩井之間為紅線），所以網(wǎng)絡(luò)信號(hào)是不通的。單井C與單井A之間距離遠(yuǎn)，但兩井之間的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)達(dá)到了100％，質(zhì)量88％（兩井之間為藍(lán)線）。

圖1　衛(wèi)星地圖上測(cè)試集氣站與單井A之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析

圖2　單井B、單井A、單井C之間做的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試

圖3　集氣站與單井A之間接受信號(hào)情況

集氣站與單井A之間接受信號(hào)情況（見(jiàn)圖3），從圖3中可以看出單井A距離集氣站為7 585 m，收發(fā)效果為100％，質(zhì)量為84％，最大帶寬可以達(dá)到150 Mbps。2.2實(shí)際安裝

利用單井現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)，通過(guò)POE對(duì)網(wǎng)橋和攝像機(jī)進(jìn)行供電，在沒(méi)有紅外的情況下，滿(mǎn)負(fù)載功耗不超過(guò)7 W。對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備不產(chǎn)生影響。

3　運(yùn)行狀況分析

在集氣站安裝14口單井中隨機(jī)選出5個(gè)井場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。每天下午4點(diǎn)左右對(duì)5個(gè)井場(chǎng)的蓄電池電壓和網(wǎng)橋、攝像機(jī)的回路電流進(jìn)行測(cè)試，其中單井D場(chǎng)攝像頭具有紅外功能。經(jīng)過(guò)一周的數(shù)據(jù)分析，網(wǎng)橋和攝像機(jī)的功耗基本滿(mǎn)足井口電池的負(fù)荷，截止目前為止，集氣站沒(méi)有出現(xiàn)蓄電池因網(wǎng)橋和攝像機(jī)導(dǎo)致饋電現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

3.1安裝簡(jiǎn)單建設(shè)成本大大低于其他同類(lèi)產(chǎn)品

無(wú)需搭建中繼鐵塔，利用單井自身的分布實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，網(wǎng)橋和攝像機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化安裝，POE供電，施工簡(jiǎn)單、快捷。

由于不存在建塔和專(zhuān)用終端，也就少了許多多余的建設(shè)，除了前段網(wǎng)橋、天線就是中心站的搭建（見(jiàn)表2）。

表1　

表2　

3.2維護(hù)量低，半年運(yùn)行故障井場(chǎng)有2座，故障率低于15％

設(shè)備具有SCS功能（自診斷、自維護(hù)），利用后臺(tái)管理功能，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)、數(shù)據(jù)拷貝等功能，最大程度減少了人員實(shí)際上井維護(hù)工作量。

3.3對(duì)其他公眾頻率不產(chǎn)生影響

由于采用了AIRMAX技術(shù)，同樣2.3 G的頻率對(duì)相同模式下工作的其他頻段不產(chǎn)生影響。

3.4視頻傳輸達(dá)到使用要求

通過(guò)對(duì)單井?dāng)z像機(jī)進(jìn)行ping包測(cè)試，可以看出延時(shí)最大是7 ms，最小是2 ms，沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，完全滿(mǎn)足網(wǎng)路視頻傳輸要求。

4　運(yùn)行評(píng)價(jià)

（1）用戶(hù)可以很容易增加新的節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，不是每個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)都需要有線電纜連接，這是它與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋最大的不同。

（2）無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U(kuò)展了無(wú)線寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。例如，在油氣井?dāng)?shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，大量地處低洼地勢(shì)的單井，可以通過(guò)較高地勢(shì)的單井站點(diǎn)進(jìn)行中繼，從而消除大部分無(wú)法LOS通信的盲區(qū)。

（3）在單跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備必須共享AP或者AP必須與有線相連。如果同一個(gè)AP上的幾個(gè)設(shè)備要同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，就可能產(chǎn)生通信擁塞并導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度降低。而在多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以通過(guò)不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。Mesh網(wǎng)絡(luò)還允許使用冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點(diǎn)的通信擁塞。而目前單跳網(wǎng)絡(luò)并不能動(dòng)態(tài)地處理通信干擾和接入點(diǎn)的超載問(wèn)題。

（4）無(wú)線通信的物理特性決定了通信傳輸?shù)木嚯x越短就越容易獲得高帶寬，因?yàn)殡S著無(wú)線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。因此選擇經(jīng)多個(gè)短跳來(lái)傳輸數(shù)據(jù)將是獲得更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的一種有效方法，而這正是Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)所在。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅能傳送和接收信息，還能充當(dāng)路由器對(duì)其附近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，隨著更多節(jié)點(diǎn)的相互連接和可能的路徑數(shù)量的增加，總的帶寬也大大增加。

（5）每個(gè)短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。多跳網(wǎng)絡(luò)可以使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線信號(hào)干擾也較小，網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和信道利用效率大大提高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量，而只需要較低的發(fā)射功率，極大地減少無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相鄰用戶(hù)間的相互干擾，大大提高信道的利用效率。

5　發(fā)展方向

（1）開(kāi)發(fā)二次接口。當(dāng)前網(wǎng)橋配置為2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，分別用于高清攝像機(jī)和井控?cái)?shù)據(jù)接口（備用），最大能擴(kuò)展到4個(gè)網(wǎng)口。

（2）滿(mǎn)足語(yǔ)音通信使用要求。通過(guò)手機(jī)植入的撥號(hào)軟件，在網(wǎng)橋覆蓋的范圍之內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和防火墻設(shè)置，對(duì)通話(huà)范圍和網(wǎng)絡(luò)瀏覽進(jìn)行管理和限制，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全，此功能對(duì)于一些偏遠(yuǎn)和手機(jī)信號(hào)無(wú)法覆蓋的井口，員工在井口作業(yè)能與作業(yè)區(qū)第一時(shí)間取得聯(lián)系起到良好的作用，同時(shí)也為員工省下了話(huà)費(fèi)。已在單井I場(chǎng)測(cè)試，效果良好。

（3）報(bào)警功能。由于采用了移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)視頻進(jìn)行比對(duì)報(bào)警，由于受到大風(fēng)干擾（自我晃動(dòng)），使得報(bào)警促發(fā)變得不可控，誤報(bào)率較高。

（4）設(shè)備從安裝至今運(yùn)行狀態(tài)正常，現(xiàn)場(chǎng)最低溫度只有零下10℃，往年最低溫度為零下30℃左右，設(shè)備的抗低溫效果還有待觀察統(tǒng)計(jì)。

［1］王一.WLAN Mesh技術(shù)及應(yīng)用探討［J］.無(wú)線通信技術(shù)，2011，（2）：40-45.

［2］譚水，黃春晨，趙建國(guó).無(wú)線Mesh技術(shù)及其在衛(wèi)星應(yīng)急通信報(bào)道系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.數(shù)字通信世界，2012，（7）：19-21.

［3］崔永江.WLAN技術(shù)在油區(qū)的應(yīng)用與優(yōu)化［J］.中國(guó)管理信息化，2015，18（2）：70.

TN925.3

A

1673-5285（2016）08-0116-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.025

2016-07-06