海上油气田SDH光纤通信网的设计应用

谢金洪，李小鹏，高建梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海上油气田SDH光纤通信网的设计应用

谢金洪，李小鹏，高建梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

随着油田生产对于数据传输的速率和可靠性要求的提高，同步数字体系(SDH)光纤通信网在海上油气田得到了广泛应用。从构网形式与自愈环、帧结构与速率两方面介绍了SDH这种新型光纤通信网技术，并以CFD11项目为实例从系统设计、光纤设计和光端设备设计三方面阐述了设计过程。实践证明SDH是一种符合海上油气田应用要求的光纤通信网技术。

海上油气田；通信；同步数字体系；准同步数字体系；CFD11油气田

0 引 言

光纤通信网应用于油田群内部平台与平台、平台与浮式生产储卸油装置(FPSO)之间的综合数据传输，传统使用准同步数字体系(PDH)技术为传送体系。近年来油田生产的信息化、自动化程度不断提高，要求光纤通信网具有更快的速率和更高的可靠性。在CFD11油气田开发项目中，业务传输对光纤通信网提出了新要求：一方面对速率的要求比以往项目都高，综合速率达320 Mb/s，传输业务有视频数据、局域网数据、中控数据和电话数据；另一方面对可靠性的要求也比以往高，使用环形构网达到链路冗余，当一支路损坏后，自动倒换到另一支路工作。传统的PDH传送体系是一种逐级复接的电传送体系，其最高传输速率为E4 140 Mb/s，无法满足速率要求。同时在组成环网时，设备需从2 Mb/s到140 Mb/s逐级复接，构网复杂，设备可靠性难以保证。而同步数字体系(SDH)具有52 Mb/s～40 Gb/s的高速率帧结构，同时拥有分插复用器(ADM)，能方便地组成自愈环。本文介绍了海上油气田SDH光纤通信网的设计，研究SDH技术在海上油气田的应用方式，并通过实践检验应用效果。

1 SDH技术原理

SDH是由一些网络单元构成的，在光纤上进行同步信息传输、复用、分叉和交叉连接的传送网络[1]。可以这么形容：SDH相当于网络中的“软件”，光纤传输网相当于网络中的“硬件”。如图 1所示，SDH、PDH和帧中继都是传送网技术，建立于光纤、微波等传输网之上。

图1 传送网与传输网示意图Fig.1 Logical transmitting network and physical transmitting network

同步数字体系的研究最先开始于美国贝尔通信研究所。1986年国际电信协会(ITU-T)在前期研究的基础上开展这方面的标准制定工作，提出了SDH的概念。1988年ITU-T通过了第一批标准，对速率、帧结构、复用方式等基本内容做出了规定[2]。截至1995年已通过了SDH的16个标准，在构网形式、光接口、设备功能和网络管理等方面予以规范，至此其内容和基本结构已定。随后，在实际应用中不断完善，形成了完整的光纤数字通信标准。

中国电信从1994年开始在干线上应用SDH光纤通信网，现已广泛应用于省级干线网、省内干线网、市内中继网和接入网。近年来SDH光纤通信网在专网建设中也得到了广泛引用。具体到国内海上油气田，SDH光纤通信网首先应用于CFD11项目，即将在LD、LF13-2、NB35-2项目中推广应用。

1.1 构网与自愈环

ITU-T出于网络建设、组网应用和规范设备的需要，将SDH设备分为四种：终端复用器(TM)、再生中继器(REG)、分插复用器和数字交叉连接器(DXC)，如图2所示。由这些设备可构成线形网、环形网、星形网和网状网四种网络。

图2 SDH设备和构网形式Fig.2 SDH equipment and network structure

自愈环是指采用分插复用器组成，具有链路自愈保护功能的环形网，如图3所示。其原理为采用两根光纤作为链路，其中一根为主用光纤S1，一根为保护光纤P1。发送端C同时将数据分别沿两个方向传输，接收端A选取其中的一路作为有效数据。当环中一光纤断裂或损坏时，接收端将自动倒换接收保护光纤的信号，使业务维持正常，无数据丢失。

图3 自愈环原理图Fig.3 Schematic diagram of self-healing ring network

1.2 帧结构与速率

SDH传输基本单位为帧，由二进制数据构成。如图4所示，ITU-T对SDH帧结构采用了一种矩形块的方式来描述。对于不同速率的帧，N级同步传输模块(STM-N)由9行、270×N列字节组成。整个帧结构可以分为3个区域：开销区、指针区和信息净荷区[3]。

图4 SDH数据帧结构Fig.4 Structure of SDH data frame

SDH具有规范化的数据传输速率，以不同帧结构STM-N进行传输。目前已经规范的N值为0、4、16、64、256。STM-N传输速率均为155 Mb/s的N倍，表1列出了SDH规范的标准速率值[4]。

表1 SDH网络节点结构的标准速率Table 1 Standard data transmission speed for SDH network

2 设计应用

CFD11项目一期工程主要设施包括一座井口平台WHPA、一座集输平台WGPA、一艘FPSO及单点系泊(SPM)系统，如图5所示。FPSO与WGPA之间距离为2.54 km，预设两根复合电缆；WGPA和WHPA之间距离为7.85 km，预设一根复合电缆。光端传输设备布置于报房和中控室内，各点间传输路由略长于平台间距。FPSO-WGPA、WGPA-WHPA、WHPA-FPSO三路由长度分别为3.24 km、8.25 km和11.49 km。整个SDH光纤通信网的设计包括三部分：SDH系统设计、光纤设计和光端设备设计。

图5 CFD11项目构网环境Fig.5 SDH network application environment of CFD11 project

2.1 SDH系统设计

CFD11项目SDH系统使用自愈环构网，物理形式为线形网，逻辑形式为环形网。图6为光纤通信网系统示意图。FPSO、WGPA和WHPA三点均使用ADM光端设备。SDH系统分别连接闭路电视(CCTV)系统、电话系统、中控系统和局域网系统，为其提供综合数据传输。CCTV系统以FPSO为监视方，对WGPA和WHPA生产状况进行监视，在FPSO上设置两路监视信号与SDH系统相连，WGPA和WHPA各设一路监视信号与SDH系统相连，每路监视信号包括一路控制信号和一路视频信号。电话系统以FPSO为主程控交换，WGPA和WHPA为子程控交换，FPSO上设置两路语音传输信号与SDH系统相连，WGPA和WHPA各设一路语音传输信号与SDH系统相连。中控系统数据传输为FPSO、 WGPA和WHPA三点互传控制数据，三点各设两路冗余信号与SDH系统相连。局域网系统以FPSO、WGPA和WHPA形成一个局域网，经WGPA卫星系统接入广域网，三点各设一路信号与SDH系统相连。

2.1.1 传输速率

依据各系统传输业务的需要，分别统计FPSO、WGPA、WHPA传输速率要求，如表2所示。各节点所要求的速率基本一致，其中FPSO稍高，为320 Mb/s。系统选用STM-4 622 Mb/s作为其传输速率，满足现有速率的要求，同时预留足够的业务扩展空间。

表2 FPSO、WGPA和WHPA传输速率要求Table 2 Data transmission speed requirement of FPSO/WGPA/WHPA network Mb/s

2.1.2 工作波长

SDH系统可采用1 310 nm和1 550 nm波长传播，1 310 nm波长适用于40 km以内传输，1 550 nm波长适用于超长距离和波分复用系统。该系统在传输距离2～12 km以内，属于短距离传输，采用1 310 nm工作波长完全能满足需求。

2.1.3 链路计算

链路计算用于判断整个链路的损耗和色散是否满足SDH标准光接口要求。链路的色散过大将导致传输的误码率过高，损耗过大或过小则影响光功率接收。ITU-T G.957“SDH相关设备和系统的接口”对不同光接口的损耗和色散做了相应规定。根据系统工作波长、传输距离和速率选择光接口S-4.1，其对链路损耗的范围为0～12 dB，最大色散为46 ps/nm。分别计算了FPSO-WGPA、WGPA-WHPA、WHPA-FPSO三条链路的损耗和色散。计算中，链路损耗等于光纤的总损耗加上光纤熔接损耗，链路色散就是光纤的总色散。单位长度光纤损耗和色散按G.652光纤取值，分别为0.3～0.4 dB/km和3.5 ps/(nm·km)，光纤熔接损耗按0.1 dB估计。

图6 CFD11项目光纤通信网系统图Fig.6 Fiber optic telecommunication system diagram of CFD11 project

计算公式为

A=L·AL+N·AC，

(1)

P=L·PL，

(2)

式中：A为链路的损耗，dB；P为链路的色散，ps/nm；L为链路的总长度，km；AL为光纤损耗，dB/km；N为光纤熔接次数；AC为光纤熔接损耗，dB；PL为光纤色散，ps/(nm·km)。

具体的计算结果，对于FPSO-WGPA链路，A为1.3～1.7 dB，P为12 ps/nm；对于WGPA-WHPA链路，A为2.8～3.7 dB，P为29 ps/nm；对于WHPA-FPSO链路，A为4.1～5.3 dB，P为41 ps/nm。计算结果表明，三条链路的损耗和色散均满足光接口要求。

2.2 光纤设计

光纤链路上使用两种光纤，一种为海底光纤，复合于复合电缆之中；另一种为海上光纤，铺设于平台和FPSO上。在导光特性上对两种光纤的要求是一致的，均应满足SDH系统的要求。在物理特性上，海底光纤应符合海底复合电缆环境要求，海上光纤应符合平台和FPSO的环境要求。

2.2.1 导光特性

ITU-T规定SDH系统可使用G.652、G.653、G.654、G.655四种光纤，每种光纤对应一种传输特性。G.652光纤是现在使用最广泛的光纤，是1 310 nm性能最佳光纤，工艺成熟，成本相对较低，适用于40 km以内[4]。根据CFD11项目的要求，选用G.652光纤完全能满足，其主要参数如表3所示。其中光纤的模场直径为光束在光纤中的传输直径，要求与光端机发射光束直径相匹配；光纤色散为光束多路径传输而引起的波形畸变，用于限制数据传输的误码率；光纤损耗限制光纤不因光功率过大或过小导致光端机无法接收。

表3 光纤导光特性Table 3 Transmission parameters of the optical fiber

2.2.2 海底光纤物理特性

海底光纤复合于海底复合电缆中，设计时应该充分考虑海缆施工、熔接和工作环境，使其在极限环境下不被破坏，在恶劣环境下能正常工作。根据海缆规格和施工方式，规定海底光纤物理特性，如表4所示。海底光纤的最大外径要求与海缆的结构相匹配，不影响电缆和光纤的性能；最大抗拉性防止光纤在施工时由于敷设拉力过大而导致损坏；工作温度要求光纤在电缆应急时刻产生的温度下能正常传输；生存温度要求光纤能承受海底电缆发生短路时所产生的温度。

表4 海底光纤物理特性Table 4 Physical parameters of the subsea optical fiber

2.2.3 海上光纤物理特性

海上光缆的物理参数应满足电缆总规格书中对室外电缆的总体要求，并且符合表5中的参数要求。

表5 海上光纤物理特性Table 5 Physical parameters of the platform optical fiber

2.3 光端设备设计

光纤系统选用速率等级为STM-4的ADM分插复用器，工作波长为1 310 nm，传输距离为2～12 km。光端设备设计包括光接口和数据接口的设计。

2.3.1 光接口特性

光端设备的光接口是指光端机与光纤的接口。本系统所选用的光接口为S-4.1，参数选择如表6所示。发射功率、灵敏度和过载点为光端机的功率特性，与光纤链路的功率损耗相匹配；均方根谱宽表示光束发射的能量集中程度，要求与光纤参数相匹配；消光比是类似于功率/噪声比的一个参数，其值越大代表光传输效果越好。

2.3.2 数据接口

数据接口设计需考虑光端设备业务接口的物理和电气性能。以各业务系统的设计为依据，参照G.703“分级数字接口物理电气特性”，对数据接口形式给出表7所示规定。

表6光接口特性
Table6Parametersoftheopticalports

表7 数据接口形式Table 7 Specification of the data ports

3 结 语

在CFD11项目中，SDH技术实现了我国海上油气田的首次应用。在项目施工阶段，现场调试人员反馈信息证明SDH光纤通信网传输速率完全满足要求，最高速率达622 Mb/s，同时具有快速的链路保护倒换，倒换时间小于3 ms。

SDH技术在CFD11项目的应用表明：(1) SDH技术具有统一形式的帧结构，提供了高速率的数据传输；(2) 利用分插复用器能灵活地组成自愈环，提高了网络的可靠性；(3) 能提供语音、数据和视频等综合业务传输；(4) 提供标准的光接口，简化了光纤通信网的设计过程；(5) SDH帧结构中有大量开销字节，提供了很强的运行、管理、维护功能。

基于CFD11项目的成功运用，SDH技术随后在其他项目中得到了推广，并逐步成为海上油气田光纤通信网设计的首选方式。

[1] 纪越峰.现代通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社,2002.

[2] 何守才.电信技术实用大典[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[3] 马建炬.SDH 设备数据串口的应用[R].华为技术有限公司，2003.

[4] 韦乐平.SDH及其新技术应用[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[5] Couch L W. Digital and Analog Communication Systems [M]. Boca Raton:CRC Press,2003.

DesignandApplicationofSDHFiberOpticNetworkforOffshoreOilandGasField

XIE Jin-hong, LI Xiao-peng, GAO Jian-mei

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

As the growing needs of data transmission rate and reliability in oil field production, synchronous digital hierarchy (SDH) fiber optic network is applied to offshore oil fields. We introduce such a new fiber optic network technology from two aspects, i.e., network structure and self-healing ring network, and frame structure and transmission rate. The design method, optical fiber design and design of optical terminal equipment are analyzed using the CFD11 project as an example. Through the successful application in the project, we draw a conclusion that the SDH technology is completely applicable to offshore oil and gas fields.

offshore oil and gas field; communication; synchronous digital hierarchy; plesiochronous digital hierarchy; CFD11 oil and gas field

2015-04-21

谢金洪(1979—)，男，工程师，主要从事海洋平台设计。

TE54；TN915

A

2095-7297(2015)03-0209-06