TD-LTE在新疆油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)示范工程中的應用

韓 光，林 海

（新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）是中國石油天然氣集團公司“十二五”重點建設項目之一。2012年，中國石油信息化工作會議將A11系統(tǒng)建設作為集團公司三大標志性工程之一，為中國石油生產(chǎn)經(jīng)營平穩(wěn)較快增長和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變提供有力支撐。

2008年，新疆油田全面建成數(shù)字油田；2010年，在全國率先啟動智能油田建設，具有豐富的油田數(shù)字化建設經(jīng)驗。通過油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示范工程的建設，能進一步促進新疆油田公司數(shù)字化建設程度，發(fā)揮示范工程的引領效應。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)及生產(chǎn)管理子系統(tǒng)三層架構(gòu)，通過傳感、射頻、通訊等技術(shù)，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產(chǎn)對象進行全面感知，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及區(qū)域監(jiān)控中心集中管理和控制。系統(tǒng)圍繞油氣生產(chǎn)運行需要，以實現(xiàn)生產(chǎn)操作自動化和優(yōu)化生產(chǎn)管理流程為目標，通過搭建規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，支持油氣生產(chǎn)過程管理，提高生產(chǎn)工作效率，優(yōu)化勞動組織用工，服務油田生產(chǎn)的精細化管理，進一步提高油氣生產(chǎn)決策的及時性和準確性。

1 TD-LTE技術(shù)介紹

1.1 TD-LTE技術(shù)簡介

TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）即分時長期演進，是基于OFDMA技術(shù)的新一代寬帶無線通信網(wǎng)，是由3GPP組織制定的全球通用標準，包括FDD和TDD兩種模式用于成對頻譜和非成對頻譜，其主要性能包括以下幾個方面：在20 MHz頻譜帶寬能提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能；提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲；支持100 km半徑的小區(qū)覆蓋；能為350 km/h高速移動用戶提供超過100 kbps的接入服務；支持成對或非成對頻譜；采用全IP化的網(wǎng)絡體系。TD-LTE技術(shù)的應用，為新疆油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)示范工程提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。

1.2 無線網(wǎng)絡技術(shù)演進路線

TD-LTE，也就是以TDD為基礎的LTE技術(shù)逐漸成為全球公認、使用非對稱頻譜的解決方案。LTE標準是未來無線通信技術(shù)發(fā)展的方向，其具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線通信技術(shù)的演進路徑

無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的演進發(fā)展經(jīng)歷了第一代模擬蜂窩系統(tǒng)（1G）、數(shù)字移動系統(tǒng)（2G）、第三代移動通信系統(tǒng)（3G）之后，正在進入LTE及以后的第四代移動通信系統(tǒng)（4G）時代。LTE是無線通信技術(shù)演進的主流方向，并將最終演進到單一網(wǎng)絡。

1.3 TD-LTE的優(yōu)勢

（1）支持1785－1805 MHz，相關(guān)設備已獲得工信部（國家無委）頒發(fā)的1800 MHz頻段產(chǎn)品型號核準證（入網(wǎng)證）。（2）建設1.8 G TD-LTE的專網(wǎng)，頻段專用，可靠性、安全性更高。（3）支持5 MHz、10 MHz、20 MHz帶寬，支持用戶數(shù)多。（4）延遲短，端到端延時≤5 ms，更適合自動化控制、視頻監(jiān)控等實時性業(yè)務。（5）速率高，下行速率最大100 Mbps，上行速率最大50 Mbps，支持靈活的上/下行時隙分配，適合油田業(yè)務開展。（6）TD-LTE基站采用8通道天線，每通道功率可達12 W，有效增加覆蓋，節(jié)約基站、配套的數(shù)量，有效節(jié)約投資。（7）LTE是無線通信技術(shù)體制的演進方向，代表無線通信技術(shù)的未來。

1.4 TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 OFDM技術(shù)

OFDM即正交頻分多路復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），與傳統(tǒng)多載波調(diào)制（MCM）相比，OFDM調(diào)制的各個子載波間可相互重疊，并且能保持各子載波之間的正交性。它是將高速的數(shù)據(jù)流分解為N個并行的低速數(shù)據(jù)流，在N個子載波上同時進行傳輸。這些在N子載波上同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號，構(gòu)成一個OFDM符號。

OFDM技術(shù)有以下優(yōu)點：第一，可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高頻譜利用率；第二，各子信道上的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IDFT和DFT實現(xiàn)，運算量小，適合高速數(shù)據(jù)傳輸；第三，所有子信道不會同時處于頻率選擇性深衰落，通過動態(tài)子信道分配充分利用信噪比高的子信道，增強抗衰落能力，提升系統(tǒng)性能。

1.4.2 多天線技術(shù)

多天線（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技術(shù)是TD-LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過在發(fā)送端和接收端同時使用多根天線，擴展空間域，充分利用空間擴展所提供的特征，從而提高系統(tǒng)容量。

MIMO信號可以通過兩種不同的方式來改善無線通信：一種是分集（Diversity），另一種就是空間復用（SpatialMultiplexing）。在信干噪比較低的區(qū)域，常采用分集提高信號增益；在信干噪比較高的區(qū)域，多采用空間復用提高流量。

1.4.3 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)技術(shù)

小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，基本思想是以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或在一定時頻資源上限制其發(fā)射功率。ICIC從資源協(xié)調(diào)方式上可分三類：FFR(Full Frequency Reuse)全頻率復用，SFR(Soft Frequency Reuse)軟頻率復用，F(xiàn)FR(Fractional Frequency Reuse)部分頻率復用。三種模式中，軟頻率復用在頻譜利用率和調(diào)度復雜度上達到很好的平衡，目前業(yè)界主要研究使用的是SFR。

1.4.4 靈活的調(diào)度策略

TD-LTE系統(tǒng)是時、頻二維調(diào)度，調(diào)度器對系統(tǒng)的性能具有顯著影響，主要表現(xiàn)在較強的小區(qū)間同頻干擾情況下對服務質(zhì)量（QoS）的保證上。其調(diào)度主要通過以下方法實現(xiàn)。

（1）根據(jù)信道質(zhì)量、歷史吞吐率、QoS要求和公平性策略決定用戶的調(diào)度優(yōu)先級及用戶內(nèi)各業(yè)務的調(diào)度優(yōu)先級；（2）根據(jù)用戶業(yè)務量、信道質(zhì)量、QoS要求、公平性策略、用戶位置信息及鄰區(qū)干擾信息等分配時頻資源、空域資源或功率資源；（3）根據(jù)用戶的信道質(zhì)量、發(fā)射功率、空間相關(guān)信息等，最終確定MCS等級、傳輸方式等。

1.4.5 HARQ

HARQ(混合自動重傳請求)是一種前向糾錯FEC和重傳ARQ相結(jié)合的技術(shù)，通過第一次傳輸發(fā)送信息bit和一部分冗余bit，而通過重傳發(fā)送額外的冗余bit，若第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多冗余bit降低信道編碼率，從而實現(xiàn)更高的解碼成功率。若加上重傳的冗余bit仍然無法正常解碼，則進行再次重傳。隨著重傳次數(shù)的增加，冗余bit不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。HARQ與AMC配合使用，為LTE的HARQ進程提供精細的彈性速率調(diào)整。

1.4.6 基于全IP技術(shù)的核心網(wǎng)

TD-LTE系統(tǒng)核心網(wǎng)EPC是一個基于全IP的網(wǎng)絡，并支持IPv6技術(shù)，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種窄中接口接人核心網(wǎng)；同時，核心網(wǎng)能把業(yè)務、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。

1.5 與現(xiàn)有無線技術(shù)對比分析

目前主流的無線網(wǎng)絡接入技術(shù)包括以下幾種。第一，WIFI(Wireless Fidelity)即無線保真，目前可使用的標準有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE 802.11g和IEEE802.11n。第二，3G第三代移動通信，分為TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三種。第三，LTE（Long Term Evolution），長期演進。LTE也被通俗的稱為4G，是目前所有主流無線通信技術(shù)的演進方向。LTE標準分為TD-LTE和FDD-LTE兩種，TD-LTE是時分雙工的LTE，F(xiàn)DDLTE是頻分雙工的LTE。TD-LTE技術(shù)可以靈活利用頻譜，提高頻譜利用率，支持非對稱業(yè)務，上下行帶寬可以不同，比較適合上行流量多的物聯(lián)網(wǎng)應用，如政府、企業(yè)無線專網(wǎng)等。油田分配的可用頻段有限，而FDD-LTE技術(shù)需要采用對稱的頻率組網(wǎng)，在此只對比TD-LTE技術(shù)。WIFI、3G、TD-LTE技術(shù)性能對比如表1所示。從表1可以看出，TD-LTE在無線寬帶接入技術(shù)中具有領先優(yōu)勢。

2 TD-LTE在新疆油田A11示范工程的應用

新疆油田是集團公司油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）示范工程的試點單位之一，確定在風城油田作業(yè)區(qū)、采油二廠開展油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)示范工程建設。新疆油田A11示范工程的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用TD-LTE技術(shù)，可以為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的采集與監(jiān)控子系統(tǒng)和生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供一條可靠、高速、及時、安全的信息數(shù)據(jù)傳輸通道。TD-LTE網(wǎng)絡具備安全性高、覆蓋范圍廣、百兆級帶寬、低時延、上下行速率靈活調(diào)整、我國自主知識產(chǎn)權(quán)等優(yōu)勢，非常切合油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸寬帶接入的需求。

表1 WIFI、3G、TD-LTE技術(shù)性能對比表

2.1 建設和應用目標

TD-LTE無線寬帶專網(wǎng)緊密圍繞A11工程的總體目標，立足新疆油田通信特點和需求，在充分整合和利用油田現(xiàn)有資源的基礎上，針對油區(qū)內(nèi)的油井分布狀況，結(jié)合智能感知技術(shù)及監(jiān)測終端，深入開展物聯(lián)網(wǎng)建設，建設高速、移動、安全的無線網(wǎng)絡。

新疆油田A11示范項目數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)使用TD-LTE無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，由基站、核心網(wǎng)、終端組成，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

如圖2所示，核心網(wǎng)設備基于全IP技術(shù)，提供包括用戶位置信息的管理、網(wǎng)絡特性和業(yè)務的控制、信令和用戶信息的傳輸機制等功能。提供用戶數(shù)據(jù)的傳輸、系統(tǒng)接入控制（接入控制、擁塞控制、系統(tǒng)信息廣播）、無線信道的加擾解擾、移動性管理（切換、位置定位）等功能。建設在新疆油田數(shù)據(jù)公司中心機房，便于網(wǎng)絡管理與維護。

TD-LTE基站采用分布式架構(gòu)，由基帶單元BBU與射頻單元RRU組成，BBU與RRU通過光纖連接，BBU安裝在室內(nèi)，RRU通過光纖拉遠到鐵塔頂端安裝?；静捎萌葏^(qū)配置，即每個基站配置1個BBU＋3個RRU。BBU采用集中放置方式，通過光纖將RRU拉遠到基站站點的鐵塔頂端安裝進行無線覆蓋，采用8通道定向天線，三扇區(qū)定向覆蓋。

終端由CPE(提供FE接口、RS232接口、RS485接口）和移動熱點MIFI（將4G信號轉(zhuǎn)換為WIFI信號）兩種終端組成。

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中以下幾個方面的應用。（1）數(shù)據(jù)采集。油井無線數(shù)據(jù)回傳、計量間無線數(shù)據(jù)回傳與遠程控制、中轉(zhuǎn)站無線數(shù)據(jù)回傳、配注間無線數(shù)據(jù)回傳與遠程控制、注水井無線數(shù)據(jù)回傳與遠程控制等數(shù)據(jù)采集。（2）油井視頻監(jiān)控。在油田行業(yè)中，不法分子偷油、破壞現(xiàn)象時有發(fā)生，以提高生產(chǎn)效率、促進安全生產(chǎn)為內(nèi)容的石油信息化工作已成為油田急需開展的一項工作。（3）可視化生產(chǎn)調(diào)度，滿足生產(chǎn)調(diào)度要求。（4）油田信息化。通過無線的延伸，可以將企業(yè)信息化的終端由傳統(tǒng)僅能到辦公室延伸到操作現(xiàn)場，從而解決原始信息直接實時進入企業(yè)管理系統(tǒng)，提升企業(yè)管理系統(tǒng)的準確性和實時性，提升企業(yè)管理系統(tǒng)的效率。（5）視頻應急（搶修）通信。在突發(fā)事件情況下，可以通過TD-LTE無線網(wǎng)絡視頻應急（搶修）通信車，把事件現(xiàn)場情況通過視頻進行反饋并應用通信車上的會議電視系統(tǒng)進行電視會議，解決現(xiàn)場困難。（6）移動巡檢。通過TD-LTE無線網(wǎng)絡，方便移動巡檢，將巡檢結(jié)果實時反饋到后臺，并通過定位系統(tǒng)對巡檢人員進行準確定位。

2.2 應用效果

依托覆蓋新疆北部四環(huán)一星的骨干承載傳輸網(wǎng)絡，已在新疆油田風城油田作業(yè)區(qū)、采油二廠建成一張高速、移動、安全的4G無線寬帶網(wǎng)絡，覆蓋風城作業(yè)區(qū)、采油二廠所有示范生產(chǎn)區(qū)域。4G網(wǎng)絡的應用，使新系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時性、完整性、安全性和可靠性均大幅提升，不但確保對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產(chǎn)對象全面感知數(shù)據(jù)和生產(chǎn)指揮中心及區(qū)域監(jiān)控中心集中管理控制數(shù)據(jù)高速傳輸，還可以解決井場視頻監(jiān)控、移動視頻監(jiān)控等系統(tǒng)受之前無線網(wǎng)絡傳輸帶窄和傳輸距離短限制難以實施的問題。

新疆油田TD-LTE無線寬帶網(wǎng)絡，通過4G的CPE終端為RTU等智能裝置提供高速網(wǎng)絡接入端口，進行設備信息采集、控制指令和音視頻數(shù)據(jù)的傳輸，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。MIFI移動熱點設備將TD-LTE網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為WIFI信號，供手持巡檢終端設備接入到巡檢管理系統(tǒng)，實現(xiàn)操作員工對巡檢任務的管理、數(shù)據(jù)的自動采集錄入、異?；蚬收显O備的圖像采集傳輸、巡檢軌跡查看等應用，滿足采油崗、熱注崗、集輸崗、SAGD崗日常巡檢的需求，并實現(xiàn)全流程工藝生產(chǎn)監(jiān)控、遠程指揮、指令下達、實時通訊等功能。

TD-LTE無線網(wǎng)絡系統(tǒng)提供標準的網(wǎng)絡接入端口，具有高帶寬、覆蓋廣等特性，為油田生產(chǎn)發(fā)展、應用和推廣更先進的智能裝置提供可靠、高效的傳輸通道。為油田信息化和工業(yè)化的深度融合提供有力的基礎支撐。

圖3 新疆油田TD-LTE網(wǎng)絡應用結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié) 語

TD-LTE技術(shù)在新疆油田的首次應用，構(gòu)建了油田無線寬帶傳輸網(wǎng)絡，提升油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，滿足油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的需求，為油氣生產(chǎn)對象的全面感知提供基礎數(shù)據(jù)傳輸、采集保障。將在新疆油田業(yè)務不斷發(fā)展和智能油田建設中全面發(fā)展。

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