LTE230M无线应急系统在油区的应用

魏永刚，安 然，刘会峰

（长庆油田分公司 通信处，西安 716000）

LTE230M无线应急系统在油区的应用

魏永刚，安 然，刘会峰

（长庆油田分公司 通信处，西安 716000）

LTE230M无线应急系统是基于223～235MHz工作频段，唯一全面支持230MHz1.4GHz1.8GHz混合组网的方案，频谱资源利用率高，灵活满足窄带和宽带业务并存，单基站覆盖能力强，大幅降低通信站密度，设备建设数量少，同时大大降低配套、维护投入，适合感知终端数量庞大的工业应用要求。本文主要介绍了LTE230M无线应急系统技术，该系统在油区测试中的效果，以及在后期应用可行性分析。

无线应急；广覆盖；低成本；海量接入

为了持续推进数字化油田建设，绿色油田和数字化建设；全面推行新型劳动组织架构，不断优化劳动组织和人力资源配置；推行集约发展、清洁发展、低碳发展；为此，将引进新的技术LTE230M无线应急系统在油区的可行性试验。

1　现　状

安塞油田地处黄土高原，地势西北高东南低，平均海拔1 200米左右。沟壑纵横，山大沟深，地面非常破碎，无线衰落和阴影严重，标准的黄土高原地貌。安塞油田目前管理1 700多个井场，216个站点，95%以上井场安装了数据采集系统，所有的站点，重点的井场都安装了视频监控设备。多型号自动控制系统、采集设备，品牌不一，多终端设备接口形式模拟、串口、网口。要求单井数据实时性在毫秒级，系统调度实时性为分钟级，后台处理和存储在小时级。目前安塞油田的井场，站点的数字化建设都是通过架设光缆进行的，由于地貌的复杂特点，架设光缆的工作繁重，成本十分高昂，更有一些井场地理位置过于偏远，分散，数字化建设的成本高于利润，不适合进行光缆建设，无法进行有效的监控，需要人员进行原始的操作。

光缆的后期运行维护要由专业的光缆维护队伍进行负责。生产单位一旦发现光缆中断情况，需要上报上级数字化单位，再联系光缆维护队伍进行现场维护工作，同时，井场数据无法正常采集，图像中断，会影响生产单位每天正常的油气生产，对员工的绩效考核也会有负面的影响，一些严重的光缆情况可能需要超过24小时的维修工作，导致油气生产产生了不必要的成本，一些不安全的隐患，无法正常系统运行状况的量化考核等弊端。

2　LTE230M无线应急系统简介

LTE230M无线应急系统在结构上主要由业务平台，核心网设备，网管，接入设备，和终端设备组成。

2.1核心技术

LTE230M无线应急系统主要采用载波聚合，OFDM技术，频谱感知，软件无线电，干扰协调自适应编码调制、自适应重传等LTE核心技术。可以满足不同容量需求，适应多样性业务，提高系统和终端设备的峰值传输速率，频率选择性增益、多服务队列联合调度增益。

2.2系统特点

LTE230M系统具有广覆盖，海量用户，高可靠性，高速率传输，实时性强，安全性强，频谱适应性强等特点。

2.2.1广覆盖

LTE230无线宽带通信系统使用230MHz频段，与高频段相比，信号传播距离远，绕射能力强；更加高效的终端发射机技术和高灵敏度的接收机技术，大大提升了系统的覆盖能力，单基站覆盖地域广，单位面积通信站点少，大幅度降低通信设施基础建设的投资规模和运行维护复杂度，尤其适用于油气生产现场的无线通信需求。

LTE230系统的系统资源带宽粒度满足不同类型业务的承载，提高终端的发送功率谱密度，有效提高终端上行覆盖能力，解决一般无线通信系统中上行受限问题。物理层系统方案大幅度提高接收机的信道均衡质量，有效改善解调门限，提高单站覆盖能力。通过大幅度的提高基站的覆盖距离，大大减少了单位面积内的基站部署数量，减少了因基站站址征地、塔架架设、机房建设、电源配套、传输配套、运行开销、维护开销等一系列的相关建设投资，大幅度的降低了系统建设的总体成本。

2.2.2大容量

油气井生产物联网的发展趋势下，越来越多的数据接入点需要灵活的接入物联网数据链中，要求单基站能够支持终端数量越来越大，依据可扩展性要求，通信传输通道数量是通信系统关键性指标。LTE230系统全部终端实时在线，共享资源，每个逻辑小区最高支持2 000个终端，单接入设备最多支持6 000个终端。由于单基站容纳终端数量的增加，部署和建设成本显著降低

系统容量设计:预留的随机接入资源；实时在线，采用半静态调度，减少调度资源的开销；在没有数据传输时，用非常低的速率，保持无线链路的连接 。

2.2.3高频谱效率采用4G关键技术

通过领先的频率复用技术、载波聚合技术实现频谱效率最优。当频谱是离散的窄带的时候，可以将每个离散的信道看作一个成员载波，将不连续分配的成员载波进行聚合，并统一分配给一个用户使用，这样可以产生大于原来窄带系统几倍的传输带宽，从而达到宽带传输的效果。结合高阶调制等其他通信技术，单个终端的最大上行速 率可以达到1.76Mbps/MHz。同时，载波聚合能力允许根据终端业务的需求，提供不同聚合能力等级，优化终端成本，提升频率使用效率。

2.2.4高可靠性

高安全性系统采用多种加密机制，实现了鉴权，空口加密，NAS信令加密；满足无线通信系统安全传输的需要，同时，系统支持用户端到端密码设备，保障用电信息的端到端加密传输。

先进的加密技术:用户终端和通信网络之间的双向认证；扩展的MTS AKA可信协议信令流程；认证密钥的一次一密；支持128比特的认证密钥。

3　LTE230M无线应急系统在油区的应用

3.1LTE230M无线应急系统在油区应用时的组网拓扑

LTE230M无线应急系统运行于延安总站的机房，通过从花皮卯和王南两个一体化的基站，机房内 核心网设备、网管设备，LTE230交换机组网形成局域网获得数据信号。系统组网结构如图1。

图1　系统组网结构图

组网描述:系统由LTE230核心网（CP EPC02-230），基站设备CP eNodeB02-230，LTE 内置终端产品CP LCM02-20X组成。

我们在油区花皮卯与王南两个站点分别作了详细的现场测试，将接收机固定在车辆上，连接电脑，配合机房操作人员由近及远进行信号的测试。对花皮卯站做RSRP仿真覆盖估计如图2。

仿真结果与规划区域的无线环境密切相关，由于仿真中地形、天线及电子地图等因素的影响，仿真结果与实际网络测试性能存在一定偏差，由于花皮卯站周围地形以山脉为主，地形复杂，通过仿真结果，可以看出，花皮卯站最远覆盖可达10km左右，但在有一些5km内的阴影处和沟壑内都无法正常接收信号，此系统覆盖率为68%左右。

3.2系统功能在油区应用简介

LTE230M无线应急系统主要可以实现数据采集，视频监控和应急通信等功能。如井口功图计量、数据采集上传、电子自动巡井、井口自动投球、报表自动生成、管线泄漏检测以及预警信息共享等。

4　效　果

通过LTE230M无线应急系统在油区的应用，极大地降低了油田数字化建设和维护的成本，提高了油气生产的实时性，准确性。使用了少量的宽带和成本，完成了巨大终端数量的数据采集，传感，自动化控制等要求，覆盖了大多数地理位置复杂的井场，站点，完成了对油气生产所上升需要的语音，视频，图像的业务要求。使数字化建设在油气生产上更加方便，快捷。此外，在很大程度上解放了劳动力，提高了运维人员的工作效率，而且生产人员可以更加高效性，一职多能，将每日准确有效生产报表进行上报，完成油气的数据采集。

图2　RSRP仿真覆盖估计图

5　后期展望

针对LTE230M无线应急系统在油区的实际应用情况，并与厂家保持沟通，认为此系统是光缆系统的有效补充，可以快速有效进行部署使用，对偏远的水源井和油井进行有效的监控。在重大地质灾害发生，正常通信中断的情况下，也可以用作此系统为应急通信。

在一些井场位于距离基站的大山阴影或是山沟处，信号衰减过大，终端无法正常工作，首先，可以在井场山顶处或是开阔地，增加无线通信中继，增强信号强度；其次，为了降低成本，可采用工程手段，根据实际地理环境，可以灵活移动竖立杆子的位置和增加杆子高度，最好面对基站的开阔位置，接收信号强。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.04.057

TE937

A

1673-0194（2015）04-0072-02

2015-01-07