海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)在海洋石油平臺中的應(yīng)用淺談

黎志強(qiáng)

【摘要】? ? 文章簡述了海洋石油平臺海陸通信系統(tǒng)及海陸微波的應(yīng)用發(fā)展情況，通過對海陸微波無線傳輸系統(tǒng)模型分析，進(jìn)一步闡述了海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的特點以及在海洋石油平臺海陸通信系統(tǒng)應(yīng)用中所帶來的提升和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】? ? 海洋石油平臺? ? 海陸通信系統(tǒng)? ? 天線復(fù)用系統(tǒng)? ? 海陸微波

引言：

我國領(lǐng)海面積廣闊，擁有豐富的海洋石油資源。隨著中國海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，海洋石油平臺的信息化建設(shè)也在不斷加速。然而受海上環(huán)境復(fù)雜多變、施工困難等客觀因素影響，海上數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展比較平緩，這也制約了中海油信息化系統(tǒng)建設(shè)的步伐。近年來，中海油信息科技有限公司深圳分公司積極開拓創(chuàng)新，引進(jìn)全球先進(jìn)技術(shù)，不斷升級改進(jìn)海洋石油平臺的海陸通信系統(tǒng)，其中尤其以海陸微波通信系統(tǒng)的成功應(yīng)用最具革命性突破，標(biāo)志著海洋石油平臺進(jìn)入全面網(wǎng)絡(luò)信息化時代。隨著海陸微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)一步提高了海陸微波傳輸帶寬和傳輸可靠性，再次推動了海洋石油平臺信息化系統(tǒng)建設(shè)的高速發(fā)展。本文第二節(jié)簡單回顧了海洋石油平臺海陸通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程，第三節(jié)通過海陸微波通信傳輸模型分析，介紹了海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的應(yīng)用起源，第四節(jié)闡述了海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和技術(shù)特點，最后在第五節(jié)進(jìn)行全文小結(jié)，總結(jié)了海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的技術(shù)特點。

一、海陸微波應(yīng)用發(fā)展簡史

在過去，海洋石油平臺主要采用衛(wèi)星+海纜的較為單一的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信方式，其中海洋石油平臺與陸地辦公網(wǎng)絡(luò)之間主要依賴衛(wèi)星通信，海纜主要用于海洋石油平臺群的中心平臺與周邊平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸通信。海陸間衛(wèi)星通信如下圖1所示。可是，衛(wèi)星通信費用昂貴，通常海上石油平臺只能開通較低衛(wèi)星帶寬（通常為512kbps～2Mbps）用于海陸通信，導(dǎo)致衛(wèi)星通信帶寬成為海上與陸地之間通信的稀缺資源，僅能用于海陸通信保障及最基本的必要辦公需求。而且由于衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸時延較大，大量的其它通信需求無法得到滿足，使海洋石油平臺信息相對封閉，平臺與平臺之間、平臺與陸地之間的信息傳遞比較閉塞緩慢。

中海油信息科技有限公司深圳分公司于2008-2009年間，開創(chuàng)性的使用了海陸微波系統(tǒng)。經(jīng)過長達(dá)兩年嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄐ拍Ｐ头治觥⒃囼炏到y(tǒng)運行、穩(wěn)定性評估以及系統(tǒng)優(yōu)化試運行后，海陸微波系統(tǒng)成功開通并維護(hù)使用至今。如下圖2所示，該系統(tǒng)可以無線連接離岸100-200公里范圍內(nèi)的海洋石油平臺，并提供高達(dá)50～80Mbps的帶寬傳輸，從而使海上石油平臺從“海上信息孤島”轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓾M足海上石油平臺辦公、生產(chǎn)、管理和基本日常生活通信等需求的生產(chǎn)生活平臺，實現(xiàn)了海上石油平臺海陸通信的里程碑式的飛躍。

二、海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用起源

隨著海油信息化系統(tǒng)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，日益增長的辦公、生產(chǎn)、安全管理和日常生活通信帶寬需求，對海陸微波的傳輸帶寬提出了更高的要求。如何有效提高海陸微波傳輸帶寬和可靠性，成為一個迫切需要解決的課題。本小節(jié)通過對海陸微波傳輸模型的簡單模擬分析，探討了使用海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)的客觀因素和起源。

2.1 海陸微波傳輸模型

海陸微波工作在5GHz頻段，相比傳統(tǒng)License頻段（11-38GHz），5GHz頻段的自由空間傳輸損耗更小，更加適合用于海洋傳輸。建立海陸微波傳輸模型有助于理解和分析如何提高海陸微波的傳輸帶寬。圖3是一個理想的海陸微波傳輸模型，該模型不考慮海上濕度、氣壓、風(fēng)速、波浪、海上多普勒效應(yīng)等不可預(yù)測的因素。

從該模型可以看出，在理想的理論傳輸模型中，海陸微波在跨越長距離海面進(jìn)行傳輸時，受地球曲率、大氣折射率、海面反射等因素影響，對兩端微波天線架設(shè)的海拔高度有較高要求。為了降低海陸微波信號傳輸損耗，應(yīng)盡量提高兩端微波天線安裝的海拔高度。而海洋石油平臺的天線安裝高度受平臺限制，為了保證海陸微波的傳輸性能，就需要在陸地端尋找合適的高點進(jìn)行安裝。以下圖4、5模擬了提升陸地端高度后，海陸微波跨海傳輸?shù)睦碚撃Ｐ妥兓?/p>

從上述海陸微波傳輸模型模擬結(jié)果可以看出，海陸微波雖然最大可以傳輸200公里，但受到地形（海平面）和客觀傳輸環(huán)境條件限制，并非所有的陸地高點和海上平臺，都能搭建海陸微波傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)海上平臺與陸地直接通信。平臺與陸地之間距離越遠(yuǎn)，則要求陸地端微波安裝海拔高度越高。

2.2 海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)起源

海陸微波系統(tǒng)的建立，需要在充分模擬評估鏈路傳輸性能的前提下，選取理想的海上平臺和與之對應(yīng)的陸地沿岸/海上島嶼制高點，且陸地安裝點需具備通信機(jī)房/簡易機(jī)房、通信鐵塔、穩(wěn)定供電等基礎(chǔ)設(shè)施條件。理論上，可以在合適的陸地站點與對應(yīng)海上平臺之間通過安裝多套海陸微波以獲得更多的傳輸帶寬，但在實際環(huán)境中卻比較難實現(xiàn)，原因如下：

1.適合架設(shè)海陸微波的海上平臺和與之對應(yīng)的陸地站點數(shù)量較少，可用站點資源稀缺;

2.海陸微波因距離遠(yuǎn)，需求帶寬大，為了保證傳輸帶寬，需要使用2.4米或3米的大口徑傳輸天線。同時，為了提高海陸微波傳輸可靠性，會在陸地安裝點采用雙天線垂直分集結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信號空間分集發(fā)送/接收，即一對海陸微波鏈路僅在陸地安裝點就需要安裝2副大口徑天線。當(dāng)需要在同一站點新建多套海陸微波鏈路時，需要安裝多套新的天線和天饋系統(tǒng)，除了增加高昂的天線成本（包括天線硬件成本、天線運輸成本和天線安裝成本）之外，還面臨天線安裝調(diào)試維護(hù)困難的問題，并且對陸地站點的鐵塔安裝空間以及鐵塔強(qiáng)度都提出額外的要求，陸地站點現(xiàn)有鐵塔空間和強(qiáng)度難以滿足新裝多條海陸微波鏈路天線的需求;

3.海上平臺空間有限，大型通信系統(tǒng)的安裝位置與抱桿都受到較大限制，只能局限在指定區(qū)域的指定抱桿上，而無法隨意改變安裝位置或者新增安裝抱桿。如需新建多套海陸微波鏈路，平臺難以提供足夠的安裝空間和安裝抱桿。

上述客觀因素導(dǎo)致在現(xiàn)實中難以在原有海陸微波的站點上，通過新增多套海陸微波的方式獲得更大的海陸間通信帶寬。因此，可直接使用原有海陸微波天線、供電和鐵塔，無需新增天線，并通過對原有海陸微波鏈路升級替換從而實現(xiàn)提升海陸通信帶寬的海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)運而生。

三、海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)組成和技術(shù)特點

海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)通過對海陸微波的射頻信號和基帶信號進(jìn)行復(fù)用處理，實現(xiàn)海陸微波系統(tǒng)傳輸帶寬提升。本節(jié)介紹了海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)組成和技術(shù)特點，探討了使用海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)實現(xiàn)提高海陸微波傳輸帶寬的優(yōu)勢和特點。

3.1 海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)組成

海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)主要包含兩個子系統(tǒng)：1. 海陸微波射頻信號復(fù)用子系統(tǒng);2.海陸微波基帶信號處理子系統(tǒng)。如下圖6所示。

3.2 海陸微波射頻信號復(fù)用子系統(tǒng)

根據(jù)無線通信原理，無線傳輸系統(tǒng)使用的信道頻寬越大，在相同傳輸條件下信息傳輸速率越高。同時，在相同調(diào)制模式下，調(diào)制信號的接收電平RSSI和SNR門限值與調(diào)制信號的信道頻寬相關(guān)。調(diào)制信號使用的信道頻寬越大，則對接收電平RSSI和SNR門限值要求越高。

以中海油南海油田當(dāng)前正在運行的一條海陸微波鏈路為例，該鏈路傳輸距離為98公里，使用30MHz的信道頻寬，可以穩(wěn)定提供50-80Mbps的通信傳輸速率。在試驗階段，為了提高通信傳輸速率，把信道頻寬從30MHz提高到45MHz，鏈路傳輸速率最大可提升接近50%，峰值速率可達(dá)到70-110Mbps，但是由于45MHz信道頻寬在相同調(diào)制模式下對RSSI和SNR要求更高，因此比較容易出現(xiàn)調(diào)制模式變化，從而造成傳輸速率波動。在超過一個月的對比觀察中，使用更高信道頻寬45MHz雖然能夠獲得更大的短期峰值速率，但平均傳輸速率相比使用30MHz信道頻寬時提升并不明顯，反而由于使用了更高信道頻寬，影響了無線傳輸可靠性。

海陸微波射頻信號復(fù)用子系統(tǒng)并非通過增加信道頻寬或者信道捆綁方式提升系統(tǒng)傳輸速率，而是采用了獨立雙射頻復(fù)用處理技術(shù)，實現(xiàn)了原有天線/天饋利舊和系統(tǒng)平滑升級，可以有效提高海陸微波傳輸系統(tǒng)的通信傳輸速率，同時由于該技術(shù)信號處理損耗小，基本不影響原系統(tǒng)的無線傳輸穩(wěn)定性，從而同時滿足了提升傳輸帶寬、保持無線傳輸穩(wěn)定性的需求。

另外，海陸微波射頻信號復(fù)用子系統(tǒng)還能避免雙射頻信號之間的串?dāng)_和諧波問題。相比簡單進(jìn)行兩個射頻信號的物理疊加會造成射頻信號全頻段干擾的結(jié)果，該技術(shù)很好地保護(hù)了雙射頻的獨立性，使之互不干擾。以下兩圖中，圖7展示了雙射頻信號簡單物理疊加時嚴(yán)重干擾的頻譜圖，圖8則是海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)下雙射頻信號穩(wěn)定獨立工作的頻譜圖。

3.3 海陸微波基帶信號處理子系統(tǒng)

海陸微波基帶信號處理子系統(tǒng)將雙基帶信號進(jìn)行復(fù)合處理，并且可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要自由調(diào)整工作模式，從而實現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)部署方式。 處理模式主要有兩種：雙基帶信號堆疊復(fù)合，以及雙基帶信號隔離分拆。在堆疊復(fù)合模式下，雙基帶信號被合并，從而提供更高的通信傳輸速率，并且在堆疊復(fù)合模式下，任一基帶信號丟失將不會影響整個基帶信號處理子系統(tǒng)的通信傳輸，實現(xiàn)了雙基帶信號互為冗余備份的功能。在信號隔離拆分模式下，雙基帶信號被獨立拆分并相互隔離傳輸，互不影響。

顯然，堆疊復(fù)合模式適合當(dāng)單一傳輸通道需要更大的傳輸帶寬時使用，而信號隔離拆分模式則適用于專用網(wǎng)絡(luò)劃分時使用。例如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員需要將傳輸帶寬分別獨立分配給專用辦公網(wǎng)絡(luò)和平臺工作/生活網(wǎng)絡(luò)時，則更加適用信號隔離拆分模式。

此外，海陸微波基帶信號處理子系統(tǒng)還具備另一特點：子系統(tǒng)網(wǎng)元可網(wǎng)管特性及狀態(tài)可視化管理，既能無縫對接原有辦公網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管系統(tǒng)，還可給現(xiàn)場通信工程師提供直觀、便捷的狀態(tài)信息。

四、結(jié)束語

海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)具備以下特點：

1.可在原有海陸微波系統(tǒng)上平滑升級，實現(xiàn)提升海陸間通信帶寬的效果，無兼容性問題;

2.可對原有海陸微波系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行利舊，包括鐵塔、天線、抱桿、供電等，無需擔(dān)心基礎(chǔ)設(shè)施配套不足或原有設(shè)施資源浪費的問題;

3.很好的延續(xù)了海陸微波傳輸系統(tǒng)的無線傳輸可靠性和穩(wěn)定性，且因堆疊模式下可以提供雙傳輸通道互為備份的功能，使海陸微波傳輸系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠;

4.可自由配置堆疊模式或隔離拆分模式，網(wǎng)絡(luò)部署方式更加靈活方便;

5.兼容原有海陸微波網(wǎng)管系統(tǒng)，保持原有使用習(xí)慣，便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

海陸微波天線復(fù)用系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)海陸微波的限制，提供高可靠（雙冗余備份）、更靈活（堆疊模式或信號隔離拆分模式自由配置）、更高速的海陸間無線通信帶寬，為海洋石油平臺信息化系統(tǒng)建設(shè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] Theodore S. Rappaport， Wireless Communications Principles and Practice， Second Edition， Publishing House of Electronics Industry PHEI， 2012-08， 01-01 [ （美）西奧多 S. 拉帕波特，無線通信原理與應(yīng)用（第2版），電子工業(yè)出版社，2012-08，01-01]

[2]? Zhou C D， Wang Y K， Yang E H. Antenna and Electric Wave. Xian： Xian Electronic Technology University Press，1994. 290–302 [周朝棟， 王元坤， 楊恩輝. 天線與電波. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 1994. 290–302]

[3]? Meng Y S， Dong F， Lee Y H. Near sea-surface mobile radiowave propagation at 5 GHz： measurements and modeling. Radio Eng， 2014， 23： 824–830

[4]? Duan Z M， Yin X P， Signals and Systems， Fourth Edition， Publishing House of Electronics Industry PHEI， 2020-07 [段哲民，尹熙鵬，信號與系統(tǒng)（第4版），電子工業(yè)出版社，2020-07]

[5]? Mo H， Chen B， Shen C. Radio propagation prediction model for maritime mobile communication. In： Proceedings of IET International Conference on Wireless Communications and Applications （ICWCA2012）， Kuala Lumpur， 2012.1–5