多链路集群通讯技术在渤海油田的应用

王中雪，许建军

(中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300452)

0 引言

长期以来，中海石油（中国）有限公司（简称中海油）渤海油田海上油气生产一直面临着通讯手段单一、卫星传输延时大、主干线路带宽低、费用高等难题。十一五期间，渤海油田在生产平台数量猛增、成功上产3 000万吨，油田生产信息化和应急指挥系统朝着集成与协同方向迅速发展，为满足油田日常生产和应急指挥对通讯链路的需求，充分利用卫星、微波、加速、带宽管理等通讯网络技术，建设起可靠、快捷、先进的通讯链路，有着十分重要的意义和作用。

1 海上油田通讯网络应用现状

中海油渤海油田现有油田 56个，采油平台 110座，移动船舶（包括工程船、钻井船、生活支持船等）50多艘，海上员工约4 000人，海陆间通讯涉及到生产和应急应用系统30余个。随着新油田的不断投产和管理手段的不断优化，对海陆间通讯网络的带宽和稳定性需求迅速增加。考虑到海上恶劣的工作环境、远离陆地和天气条件恶劣等条件的制约，陆地上能够采用的一些先进的通讯技术手段无法在海上应用。目前海上能够采用的主要通讯手段包括：卫星传输、微波传输和海缆传输。普通微波传输因受天气、公用频段干扰和专线条件差等条件的制约，稳定性较差；卫星传输虽然相对稳定，但带宽比较小，而且费用昂贵；海缆传输虽然能够保证很好的带宽，但铺缆费用较高，一旦发生故障修复时间较长。

2 通讯网络架构总体设计

2.1 设计思路

卫星、微波、海缆 3种技术手段均有自身的优势，也都存在自身的固有问题，在没有更好的技术可取代它们的情况下，应充分考虑卫星、微波、海缆的技术特点，系统性地对通信系统进行整体性规划，充分体现这3种技术的互补优势。3种通讯技术手段优缺点分析如图1所示。

图1 3种通讯技术手段优缺点分析

2.2 实现目标

根据核心生产应用和应急指挥中心建设规划要求，海上通讯带宽年增长率应保持在20%～30%，钻井平台通信带宽目标为 20 Mb/s，生产平台通信带宽目标为40 Mb/s。

2.3 架构设计

基于渤海油田特点和区域开发概念，将通讯网络划分为骨干层、汇聚层和接入层。

通过对国内外几种先进通信网络技术应用的认真研究，在试点建设应用取得良好效果的基础上，确定了适合渤海湾地理特征和实际生产需要的海陆之间的主要通讯模式：骨干层以微波通讯为主、卫星通讯为辅、综合应用网络加速和带宽管理等手段；汇聚层以光纤通讯为主、微波通讯为辅。

3 关键技术应用分析

3.1 链路集群负载均衡技术

负载均衡建立在现有海上通讯网络结构之上，提供了一种廉价有效的方法扩展网络带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力。它能让多条链路共同承担一些大数据量数据传输任务，从而以较低的成本，消除网络瓶颈，提高网络的灵活性和可靠性。它主要完成以下任务：解决网络阻塞问题，选择最优的链路提供服务；为用户提供更好的访问质量；避免网络关键部位出现单点失效。通过链路集群技术应用，能够实现多种传输链路互为保护，多传输链路的统一接入，多业务应用的统一承载[1-2]。

3.2 多入多出和正交频分复用技术相结合的微波系统

多入多出（MIMO）技术是指在发射端和接受端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率，减少误比特率，改善无线信号传递质量。正交频分复用（OFDM）技术是一种特殊的多载波数字调制技术，它可以被看做是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。

在海上微波通信系统中，多径效应、频率选择性衰落是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。通过应用MIMO和OFDM相结合的微波系统，使微波技术更适用海面环境应用。提高信道的容量和可靠性，提高频谱利用率和抗多径干扰能力。

3.3 WiMAX组网技术

全球微波互联接入[3]（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access）是一项无线通信的新技术。该技术以IEEE802.16系列标准为主要规范，具有距离长、速率高、部署简便、受地理条件限制少的技术优势，同时，在传统宽带接入的领域，有着得天独厚的优势。WiMAX技术兼具了基于线缆的传统宽带接入的优势和无线接入的灵活性和移动性，并能提供可满足话音和视频服务应用的服务质量支持[4]。

3.4 网络加速技术

网络加速主要采用广域网数据服务技术（WDS，Wan Data Service）、可伸缩的数据索引技术，对网络进行数据优化、传输优化、应用协议优化。网络加速设备采用数据缓存技术、TCP优化及应用优化、数据压缩、服务质量控制等技术手段，可以对传输中的TCP流和数据进行分段并为其建立索引。建立索引的数据将与磁盘上的数据进行比较，以前发送过的数据段不会通过广域网再次发送，而只发送与其对应的引用来代替它。这种过程将使得先前通过广域网发送过的重复数据被极小的引用代替。通过使用多层次引用结构，一个引用可表示多个字段至数兆字节的数据，减轻了广域网数据传输压力。

4 实现方案

通过对先进通讯技术的分析论证，确定了适合渤海湾地理特征和实际生产需要的海陆之间主要通讯模式。采取多种通讯链路集群方案, 建立多种通讯技术的多层次复合应用。实现卫星、微波和海缆的统一接入以及多业务的统一承载，以海缆为主用链路，微波与卫星为备用链路，通过配置带宽分配策略，最大限度保证核心业务的通讯质量。固定式油田群以微波通讯为主，卫星通讯为辅。移动式平台或船舶采用可以按需动态分配的卫星通讯为主，结合渤海油田实际情况，确定了渤海通讯网络结构不同层次的设备技术选型方法：

1）固定式油田群骨干层采用5.8 GHz大带宽设备，使用PDH/SDH微波系统代替原有设备；汇聚层采用 5.8 GHz无线网桥、WiMAX技术设备、海底光缆光复用技术；接入层采用WiMAX和5.8 GHz无线网桥设备。

2）移动式平台或船舶采用按需动态分配的卫星网管系统。

3）在微波、卫星的网络中应用新技术和新设备：如加速设备和带宽管理设备，以进一步提高网络性能。

4）通过一套自主研发的安全生产及应急指挥系统平台，为生产调度、应急指挥处理提供更可靠的支持，使其在危险发生时，安全响应及时有效，快速地为决策者提供依据。

4.1 多层次多链路组网模式

骨干层的建设是以距离陆地40 km以内的海上固定式采油中心平台，建设了大带宽微波系统与陆地建立连接，并通过租用专线电路连接塘沽核心节点。对于距离陆地40 km以上的采油中心平台，通过微波跳接的方式建立与陆地间的传输链路。各骨干微波链路落地后，通过租用专线电路连接塘沽核心节点。而各油田内的汇聚层通讯网络的建设是通过新建5.8 GHz微波链路和光缆传输链路，覆盖各油田的所有小平台。同时，选择了试点平台部署WiMAX基站以实现对各类船舶的游牧式接入。

对于移动式钻井平台或移动船舶，使用国际卫星通信的主流设备和系统，提高了空间段卫星信道的利用率，出境信道采用基于DVB-S2标准，动态优化带宽资源，带宽按需分配，通过对海上应用的分析研究，对频率资源合理划分，相同带宽内的吞吐量随之提高，最多可达到90%带宽利用率的理论数据，与现有工作方式相比，可节约40%～50%的频率资源。

4.2 卫星通信网管系统建设

通过建立卫星通信网络管理系统和网管功能的开发，能够实现卫星信道指标的检测和电路运行效率分析能力；实现远程NMS监视和控制能力；实现系统级TCP、HTTP 加速能力；双向端到端服务质量（QoS，Quality of Service）功能，保证通信质量；同时支持虚拟电信运营商（VNO，Virtual Network Operator）功能，为网管系统向海外发展做准备。该系统能够优化卫星通信网络结构，系统端站实现了自动功率电平调整，具备QoS功能、TCP加速功能，实现单一平台多频段及多星管理，能够节省卫星带宽 30%，带宽使用效率和稳定性显著提高[5]。

4.3 网络加速设备应用

通过在陆地中心机房和海上采油平台部署网络加速设备，提升卫星和微波系统的有效传输带宽，将广域网数据服务（WDS，Wan Data Service）技术运用到办公专用网（卫星链路、微波链路、数字专线）和关键业务应用系统，全面优化海上采油平台网络通讯的性能，使所有基于TCP/IP协议的应用速度得到明显提升。在带宽资源有限的情况下，通过加速策略的设置，为各种应用划分优先级，重点保障办公和生产应用的网络带宽不会被其他非核心应用挤占。

4.4 网络资源管理系统应用

通过网络加速设备的应用能够使渤海湾骨干网实现链路优化，但在监控、分析关键应用性能和获取有效信息促进基础网络的有效管理方面缺少必要的技术手段。通过在陆地中心机房部署Cascade网络性能管理系统，将网络行为分析技术应用到网络中。不同于以往的基于简单网络管理协议（SNMP，Simple Network Management Protocol）为主的网络管理工具，它整合了基于IP Flow 采集和Sensor网络探针的技术，能够提供更细化的网络管理和监控，支持Netflow、IPFix、Jflow、sFlow 等多种流格式，Cascade系统与网络加速设备的QoS功能完美结合，可自动收集网络流数据，并对网络情况和应用程序进行监控、分析，同时将行为分析与用户定义策略相结合，提供IT管理者所需的信息并执行相关策略[6]。

5 结语

通过多层次多种链路集群通讯方案的应用，能够解决海上油田长期制约生产的通讯瓶颈问题，改变海上油田通讯手段单一的局面，为生产管理、作业监控及业务协同提供信息传输通道，实现多元化的信息通讯模式[7-8]，提高通讯的质量和可靠性，提高骨干通讯链路的利用率，很大程度上缓解了海上油田带宽资源不足的瓶颈制约。为数字油田建设奠定了基础，使公司重要生产运营支持和安全控制相关系统得到更加广泛的应用。

[1] 蒋玲.集群网络负载均衡技术研究[J].中国高新技术企业,2010(13):94-95.

[2] 刘世靖,谢庆胜,陈靓,等.网络负载均衡技术在网站服务器上的应用与探讨[J].电脑知识与技术,2010(20):5428-5429.

[3] 魏笑笑,周政华. WIMAX技术及其应用分析[J].通信技术,2009,42(03):98-102.

[4] 王现兵.WiMAX在海上通信中的适用性分析[J].中国水运（下半月）,2009,9(04):84-85.

[5] 梁金山,刘薇.一种卫星通信网络管理系统设计[J].通信系统与网络技术,2010(02):11-39.

[6] 吕振肃,刘忠学,王连胜,等. 现代通信技术在海上搜救中的应用[J].通信技术,2010,43(11):45-48.

[7] 李恺,曾玲,安红章.互联网接口与卫星通信技术研究[J].信息安全与通信保密,2007(08):91-93.

[8] 刘波.一种实现高保密强度卫星通信的途径[J].信息安全与通信保密,2007(08):112-114.