WiMAX在海上石油平台通信系统的应用分析

李丽年，吴桂松

（中海油能源发展油田建设工程设计研发中心，天津300452）

0 海上石油平台通信现状

海上石油平台通信系统的建立是为了保证海上石油、天然气开发生产过程中的安全、生产和生活信息的采集和传输，是海上平台不可缺少的重要设施。目前，海上无线通信主要是指平台上工作人员用于对周围船只及直升机上人员通信联系的无线电话、平台对陆地的卫星通信和平台间的微波通信等。主要设备有卫星地球站、微波扩频系统、全向无线电导航机、甚高频调频（VHF-FM）无线电话、甚高频调幅（VHF-AM）无线电话、特高频调频（UHF-FM）无线电话、应急无线通信设备等。由于无线通信其通信频率数量有限，同时容纳的用户非常少；虽然卫星通信设备都是数字化设备相对技术含量高一些，然而卫星通信延迟大，不利于进行语音通信。

海上石油平台（或平台群）由于受到环境条件的限制，其规模不可能太大，生产定员通常在百人左右。因此，采用的通信系统的规模也就相对较小。由于技术的限制，海上的通信设备还不能自由地进行像陆地上那样的常规通信。

移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信,因此,无线通信是移动通信的基础。WiMAX 技术是一项无线通信的新技术，目前正在陆地上推广。根据分析海上设施的特点和WiMAX 技术的特点，WiMAX 技术在海上石油平台的应用是可行的，目前已在文昌13-1&13-2油田得到了成功应用。

1 海上石油平台现有无线系统的应用问题分析

1.1 FPSO无线技术的应用问题分析

当FPSO（浮式生产储油轮）移动时，特定平台在特定的角度会存在无线链路中断。FPSO 天线安装点、火炬塔和对应平台呈三点一线的情形，火炬塔比FPSO 天线安装点高15～20 m，且是金属结构，其对无线信号的阻挡和吸收很大，造成接收信号强度RSSI 值下降到接收门限下而无线链路中断，因此围绕在其周围所有平台的无线信号质量均无法保持恒定，ping 数据丢包情况时有发生。由于现有无线系统使用802.11a 协议，不支持移动式应用，因此海上生产设施急需一种新型无线通信技术。

1.2 微波技术的应用问题分析

微波扩频通信（SSR）一般接入速率为64 kB/s～2 MB/s，使用频段为2.4～2.483 5 GHz，该频段为工业自由辐射频段，目前不需要有关部门的批准。其特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，然后在某个载频进行调制以便传输。由于系统工作在2.4 GHz 频段，易受到较为严重的干扰。2.4 GHz 频段属于ISM 免申请频率频段，同频干扰较为严重。干扰来源主要有：1）FPSO 办公区内2.4 GHz 无线办公网络AP、平台自用2.4 GHz 无线路由等。2）受到来自陆地的大功率2.4 GHz 系统的干扰。

微波通信有容量大、投资费用低、建设速度快、抗灾能力强等特点，多用于近距离海上平台间的通信。微波扩频传输技术与常规的微波传输技术相比，具有抗干扰能力强，抗噪声能力强和保密性好等特点。但在海上应用时，受到海面多径干扰较严重，因此对于较远距离的平台间通信效果不好。

微波通信在海面复杂的传播环境下衰落严重，RSSI信号较弱且不稳定。海面是无线传播最差和最复杂的一种环境，海面衰落也是最严重的一种衰落现象，海面衰落主要由多径引起。海面衰落大都发生在风平浪静、大气层相对变化比较小的气候条件下，持续时间不等，这种时候多径最严重，只有等海面衰落消失后，无线链路接收信号电平才恢复到正常状态。

由于海上生产设施无线系统的建设时间较长，还存在设备老化、性能下降、室外设备外壳腐蚀等其他问题，影响使用效果。当某个平台链路中断后，备用链路无法启用导致平台与FPSO 数据彻底中断。

1.3 现有无线系统的主要问题

现有无线系统工作在2.4 GHz，使用IEEE802.11 g 空口协议。在作业区FPSO 移动、火炬塔阻挡、海面深衰落、外界干扰等因素综合影响下、系统稳定可靠工作是无法保证的。

2 WiMAX 简介及特点分析

2.1 WiMAX简介

WiMAX 是全球微波互联接入的缩写，WiMAX 又称为802·16 无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。因在数据通信领域的高覆盖范围，该技术以IEEE 802.16 的系列宽频无线标准为基础。它是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准，最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线宽带连接。如何实现FPSO 与平台间生产数据和关断信号的稳定传输是一个关键问题。

2.2 WiMAX技术的组成

WiMAX 技术主要包括以下几个方面：

1）支持移动性应用。核心技术是OFDM 和OFDMA即正交频分复用和正交频分复用介入技术。可以对抗移动所带来的传播环境快速变化，实现高速稳定的数据传输。

2）HARQ 技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以扩大系统的覆盖范围。

2.3 WiMAX中的多天线技术

移动WiMAX 中的多天线技术可以分为3 类，分别是波束赋形、空时编码和空间复用。波束赋形是智能天线的关键技术，通过将主要能量对准期望用户从而提高信噪比，有效抑制共道干扰。空时编码分为空时格码和空时块码，空时格码可以使系统同时获得编码增益和分集增益，空时块码降低了译码复杂度，同时可以获得分集增益。空间复用在发射端发射相互独立的信号，可以最大化MIMO 系统的平均发射速率。多天线系统可选用分集增益以提高信噪比和信道质量，也可选用复用增益以提高吞吐量。

2.4 WiMAX中的可扩展性

WiMAX 技术的MAC 层具有带宽分配和QoS 机制，支持各种不同的用户环境，允许在同一信道上出现上千个不同的用户。

2.5 WiMAX中的睡眠模式

睡眠模式，16e 协议为了适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：Sleep 模式和Idle 模式。

3 WiMAX 技术与VHF 通信技术的对比

海上石油平台上的高频无线电设备主要用于移动通信，移动通信使用一定的电波频率，也就是超短波与微波之间的频率，通常在甚高频（VHF）、特高频（UHF）的频率范围。

甚高频调频无线电话（VHF-FM）和手持对讲机用于日常与过往船只（工作船、供应船等）的通信联系、安全生产和紧急情况的联络，它的第16 信道是国际海协指定用于遇险通讯的特殊信道。此设备设有双工滤波器，采用微机控制频率合成技术，有20 个专用编程信道。

甚高频调幅无线电话（VHF-AM）用于平台对直升机的话音联系与导航，平台为直升机提供方位、海域天气情况、将上载的重量等，直升机飞行员向平台报告飞机到达时间、飞行高度等，保障飞行安全。

WiMAX 技术与VHF 通信技术对比见表1。

表1 WiMAX 技术与VHF 通信技术对比

因此，WiMAX 采用mesh、beam-forming、MIMO 等先进的技术改善了非视距性能，出众的系统增益可提供更强的远距离穿透阻挡物能力。

4 WiMAX 在海上石油文昌油田的成功应用介绍

文昌油田作业区采用WiMAX 较好地解决了移动式FPSO 与固定平台间的传输链路问题。该系统在中海油文昌油田已经得到了成功应用。

文昌13-1&13-2 油田由南海奋进FPSO 和两个海上采油平台组成。原有工业控制数据及办公网络数据均由5.8 GHz 无线网桥（IEEE802.11a）完成，系统建成多年一直工作不稳定，严重影响海上油田的安全生产，2010 年引入WiMAX 系统后，无线链路一直保持稳定，各种工业及办公数据传输正常。其原有无线系统的问题均得到完美解决。

5 结 语

综上所述，WiMAX 技术的其中一个特点就是覆盖范围广泛，可达50 km。WiMAX 技术带宽宽，数据传输速率快，并且支持移动性要求。同时还可提供语音、数据、图像和视频服务。WiMAX 无线通信技术既具有陆地通信的要求，又有船舶通信的特色；同时满足海上石油平台生产和安全的要求。其距离长、速率高、部署简便、受地理条件限制少的技术特点能够很好的在海洋石油环境体现其优越性，且WiMAX 技术兼备传统宽带技术和无线移动性特点，将会在以后的海上石油平台领域得到更加广泛的应用。

［1］ 啜刚，王文博，常永宇，等.移动通信原理与系统［M］.北京：北京邮电大学出版社，2009.

［2］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程电气、仪控、通讯设计［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［3］ 王欣.WiMAX 技术在海上通信中的应用与展望［J］.世界海运，2005（3）：7-9.

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