WiMAX技术在海上油田中的应用

倪先锋 欧阳俊

【摘要】本文介绍了4G-WiMAX系统在海上石油平台通信的系统配置和网络结构，并从4G-WiMAX无线技术上叙述在海上无线通信的技术优势和可靠的无线通信成功实现。

【关键词】4G；WiMAX；宽带无线接入；工业无线；冗余

一、项目简介

1.项目概述

海洋采油平台由于其特殊的地理位置，通常不能直接连接到陆地上的电网，而需要独自设立为海上平台生产生活供电的系统。为了采集海上各石油平台电力系统的相关数据并集成至陆地作业区的管理系统中，以更好的维护和管理这些电站，就要建立稳定高效的通讯网络，4G-WiMAX无线通讯在海上的应用，能很好的解决40公里以内的平台间网络接入的难题。以4G-WiMAX技术为依托，通过在有陆地广域网的中心平台搭建西门子4G-WiMAX基站，在周围卫星平台搭建无线终端，就能实现平台上机组和变压器信息接入陆地广域网，从而达到陆地对采油平台电力系统的宏观监控和统一管理的目的。

2.项目的简要工艺介绍

海上平台通信主要有两种方式，一是埋设海底光缆，二是无线通信。在传统的无线通信方式中，由于受海平面对无线信号漫反射影响，经常造成无线通信系统短时间中断，虽然这种中断对于普通的网络通信来，如网络浏览、视频传输等影响不大，有时感觉不到，但是对于工业控制系统，这种中断是绝对不允许的。

为了解决这个难题，西门子4G-WiMAX产品，采用先进的OFDM/OFDMA关键技术，能够同时在多个子载波频率上以广播形式发射信號，承载高速数据信号。OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰，适合在海上多径环境和衰落信道中的高速数据传输。

3.项目应用的架构示意图

二、通信系统构成

1.整个项目中的硬件配置、系统结构；各组成部分选择的依据。

如图所示，通信系统采用4G-WiMAX产品基站、终端和交换机RS900NC组成，功能如下：

（1）通信基站：包括扇区天线、电源和电源电缆等附件，用于建立和维护与通信终端的二层通信连接，网络发现和选择，无线资源管理，终端业务能力的QoS能力控制和管理，支持通信终端的漫游切换。在项目中完成本地数据和远程接入数据的传输。

（2）通信终端：包括PoE电源、接入网线等附件，用于建立和维护与通信基站的二层通信连接，数据接入和业务能力控制和管理。在项目中完成本地和远程接入数据的传输。

（3）交换机：用于数据交换。在项目中用于本地上位机、PLC等网络接入，以及通信基站或通信终端的网络接入。

（4）其他控制设备：主要包括各类服务器、上位机、PLC等控制设备。

2.附加系统的网络结构图，应用中的监视画面。

（1）应用中的网络监控画面截图

（2）网络结构图

3.西门子4G-WiMAX无线系统与其他无线系统的比较（如表1所示）。

三、通信系统完成的功能

海上石油平台建立海洋上，周围都是海，两个海上石油平台间通信，一是有线通信，通常是埋设海底光缆，这种通信在新建平台比较多，但是对于建立时间比较早的平台，没有海底光缆建立，通常在这样的平台上，建立了无线通信，用于日常的上网业务和一些对于通信链路要求不高的业务。但是对于一些控制系统，需要建立非常可靠的通信网络，而普通的无线通信网络无法满足要求。西门子4G-WiMAX无线通信系统，应用先进的OFDM、HARQ、AMC、MIMO、QoS等技术，与其他微波技术相比，能够增强在海上通信的性能。

海平面对于无线信号来说，相当于一面具有多反射能力的多面镜，容易产生多径传播效应，造成干扰，普通微波技术经常会造成通信中断。而对于采用OFDM技术的西门子4G-WiMAX无线通信系统来说，有很好地抗多径干扰能力，适用于严酷的海上通信的信道条件。

普通微波无线系统，在海上无线通信中，经常出现丢包现象，有时通信出现短暂中断，或是中断几分钟，这种中断是随机的，同时也随着产品不同，发生的机会也不会一样，但是都要发生丢包或中断。

在项目之初，为了建立实现远程控制的DMS系统，在有海底光缆的平台我们实现了远程控制，但是对于没有海底光缆的平台，我们测试了基于Wi-Fi的技术无线网络及相关的微波系统，均不能实现可靠的无线通信链路，最后在2012年底我们在JZ20-2和JZ21-1平台安装了西门子4G-WiMAX无线通信系统，实际测试无线通信链路的可靠性，到2013年9月，通过测试，无线通信链路稳定可靠，没有发生过任何中断和丢包，两个平台上测试DMS系统也安全可靠的运行。

2013年底，完成了DMS系统在JZ20-2、JZ9-3、JZ21-1、JZ25-1平台上的安装和试运行。在建立无线通信系统时，首先通过在JZ20-2平台安装1个基站2个扇区天线，远程接入JZ9-3和JZ21-1平台终端，完成两个平台的接入，再通过交换机，与JZ20-2平台DMS系统一起，通过另1个基站远程接入JZ25-1平台终端，实现与JZ25-1平台光纤网络的反向接入，构成DMS系统的无线通信网络。现在DMS系统能够实现全部功能，并可靠安全运行。

1.实际应用中的典型的设备（如图2所示）。

2.关键部分的调试过程描述。

在项目中，我们首先在JZ20-2平台上安装基站，其中对于JZ9-3平台，我们在原有与JZ21-1平台通信的基站上，加入2个一分二公分器，接入两面扇区天线，其中一面朝向JZ21-1平台，一面朝向JZ9-3平台，安装在JZ20-2平台最上一层侧面。在JZ9-3平台上安装通信终端，也安装在平台最上一层，方向朝向JZ20-2平台，通过简单的调整天线的方向，基站与终端的通信连接，查看下行调制方式为64QAM 3/4，上行的调制方式64QAM 2/3，传输距离20KM，通信质量很好。

图2 实际应用中的典型的设备

对于JZ25-1平台方向，在JZ20-2平台的西南侧，由于最上平台有大型台车，不能安装基站，基站确定安装在第三层的南侧。在JZ25-1平台安装终端时，使用基站的“Current Extended Cell Range Support”扩展功能，延长有效通讯距离达到28KM，通讯正常，下行调制方式为64QAM2/3，上行调制方式为16QAM 3/4，通信质量也非常好。

四、项目运行

锦州202/93平台WiMAX接入DMS系统项目于2014年4月3日投入使用。系統长期运行稳定，无丢包情况，下行文件传输速率高达702KB/S，上行文件传输速率高达469KB/S。用户反映相比其他微波系统，稳定性大大提高，传输速度显著提升，能够很好地解决海上采油平台远距离通讯的难题。

参考文献

[1]IEEE 802.16，”IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”，IEEE 802.16-2004.

[2]IEEE 802.16，”Draft Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Aceess Systems-Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”，IEEE P802.16e.

[3]3GPP TS25.104v7.4.0，Base Station（BS）radio transmission and reception（FDD），2006.06.

[4]ITU-R Document 8F/427，Chairmans Report on the 15th meeting of WP 8F（Geneva，1-8 February 2005）.