海上油气田跨海微波通信关键技术研究

杨金丽，徐正海，朱春丽

海上油气田跨海微波通信关键技术研究

杨金丽，徐正海，朱春丽

(中海油研究总院，北京 100028)

为解决海上油气田群海陆之间通信联网的传输容量瓶颈问题，采用跨海微波通信方式传输信号。通过现场勘察和链路指标计算选择合适的陆地基站，建立跨海传输链路设计模型，并进行链路测试，可实现跨海微波大容量数据传输。 针对影响信号传输质量的海面强反射和多径衰落等干扰因子，提出相应的抑制措施，有效解决了跨海微波通信链路中断问题。

跨海微波通信 海上平台 链路测试 信号干扰

点对点的微波通信技术从20世纪90年代开始在海洋石油行业已经得到了广泛应用[1]。目前，渤海、东海、南海东部、南海南部4个海域的海上油气田内部已建立了比较完善的微波通信网，特别是渤海油田基本实现了全油田微波网覆盖[2]。微波建站非常灵活且建站成本很低，同时海上没有任何高大建筑物遮挡，为微波应用提供了良好的条件。但是微波传输距离有一定局限，海上点对点视距传输的极限距离为50 km[3]。

跨海微波骨干链路建设也基本成熟，用于弥补海洋石油平台卫星带宽较窄、海底光缆敷设费用昂贵的现状。跨海微波链路建设，需要进行路由计算，并在陆地寻找合适的登陆点将天线架设于高山或高塔上来提高传输距离。同时，海面强反射和多径衰落对信号传输质量有很大影响，需要采用相应的技术来抑制对微波传输的影响，以提高传输距离和传输质量[4]。

1 通信需求

中国某海上油气田建有1座立管平台(RUP)，8座井口平台(WHPA， WHPB， WHPC， WHPD， WHPE， WHPF， WHPG， WHPH)，1座浮式生产储油卸油装置(FPSO)，油田群需要将仪控关断信号、视频监视信号、语音以及办公数据传输至陆地基地。根据数据流量估算，带宽需求为20 M。

目前，油田群在WHPB平台设置了1套卫星通信系统，为油田群与陆地基地之间提供4 M带宽链路，用于语音和仪控数据传输。但随着“数字油田”、“智能海油”的提出，4 M带宽远不能满足油田群日益增长的业务需求，急需大容量通信链路解决油田群数据通信问题。

卫星系统所租用宽带每增加1 M带宽，年租费相应增加约40万元。光纤通信能够提供可靠、大带宽链路，但单独敷设海底光缆费用巨大，施工难度非常大[5]。卫星和光纤通信目前无法快速解决油田群海陆间的通信瓶颈。为此，从经济性及带宽需要，采用跨海微波技术进行骨干链路建设。

2 系统模型及链路测试

2.1 微波路径选择

经测算，该油田群中离陆地最近的为井口平台WHPF，距离陆地约86 km。由于该距离已经超出点对点微波视距传输的极限，因而需要在陆地寻找合适的登陆点尽可能地将天线挂高，以增加传输距离和保证传输信号的可靠性。

经过现场实地考察及论证，最终选择在距离WHPF平台86.5 km的某陆地基站与WHPF平台建立跨海微波链路。经现场勘查，该基站所在的山体条件优越，通信机房条件良好，有温度控制装置。基站与外部通信采用光缆，使用高架高压电线供电，且拥有蓄电池组及发电装置保障电力供给。WHPF平台微波天线安装于生活楼顶层，进行抱杆安装。天线挂高为海拔50 m。该基站海拔340 m，铁塔高度为30 m，天线挂高为370 m。微波全路径86.5 km，路径中最高障碍物高度为230 m。可以看出WHPF与该基站之间的传输路径无遮挡，满足微波点对点视距传输条件。

2.2 微波链路模型

WHPF与该基站分别架设微波天线，并安装微波室外单元(ODU)和室内单元(IDU)[6]。WHPF平台微波系统通过路由器接入油田群内部局域网。微波落地后，由该基站光缆接入当地电信运营商，通过租用20 M的多业务传送平台(MSTP)专线接入中海油局域网，完成陆地与海上之间宽带数据传输链路的建立。建立跨海微波链路，模型如图1所示。

图1 WHPF至某基站跨海微波链路模型示意

2.3 微波频段及设备选择

数字微波传输目前可选择的频率主要有专用频率和公用频率。专用频段主要有7/8 GHz和13 GHz，根据各省市无线电频率分配管理原则，微波链路建立之前需要向当地无线电委员会申请[7]，专用频道目前在中海油主要应用于油田群内部微波组网。目前公用频率用于数字微波通信的频段主要为5.8 GHz，是免申请无线执照的频段，因而部署更为方便[8]。该模型采用5.8 GHz进行微波组网，频宽为40 MHz。微波各频段信息见表1所列。

表1 微波各频段主要参数

对于长距离跨海微波通信，天线口径增大，可以有效提高接收电平和链路储备量[9]。但是天线太大容易造成波束不易对准，同时海边风力较大易引起天线摆动造成通信中断，因而综合考虑采用了1.8 m微波天线。从中海油数字微波设备供货和使用现状考虑，采用瑞嬴RADWIN2000系列设备，其中天线馈线由国内产品配套，设备具有以太网口、光口，方便与局域网、光纤通信网进行互联。

2.4 微波链路储备余量

微波链路即使满足视距传输的条件，仍不能保证微波通信能够建立。除满足视距传输条件外，还需要保证所建成的微波链路拥有良好的链路储备[10]。微波链路储备余量需要计算WHPF与该基站间微波传输的自由空间损耗、系统增益、链路总增益和链路总损耗[11]。

1) 自由空间传输损耗Ls：

Ls=92.4+20lgf+20lgD

(1)

式中：f——发射频率，GHz；D——传输距离，km。

2) 系统增益Gs：

Gs=Pt-Pro

(2)

式中：Pt——设备射频输出功率绝对值，dBm；Pro——系统接收灵敏度，dBm。

3) 链路总增益Gl：

Gl=Gs+Gt+Gr

(3)

式中：Gt——发射端的天线增益，dB；Gr——接收端的天线增益，dB。

4) 链路总损耗：

Lt=Ls+Lft+Lfr

(4)

式中：Lft——发射端ODU和天线之间的电缆损耗；Lfr——接收端ODU和天线之间的电缆损耗。

5) 链路储备余量：

Margin=Gt+Lt

(5)

Margin数值越高，微波链路的可靠性越高。通过WHPF与该基站之间微波链路参数及微波设备参数，利用Excel编程计算得出： 链路储备余量为29.794 dB，满足WHPF与该基站之间跨海微波链路通信需求。

2.5 链路测试

微波链路的测试指标主要包括链路带宽峰值、实际传输速率、全年可用性，并通过Ping双方的地址测试传输链路的丢包率和系统延时。系统的测试数据见表2所列，图2，图3给出在40 MHz频宽下WHPF平台与该基站微波系统发射和接收信号强度随时间的变化曲线。

表2 测试结果

图2 海上发射和陆地接收信号强度对比

图3 陆地发射和海上接收信号强度对比

测试结果：

1) 在30 d测试期间内，经历大风、大雨及晴、多云等海况。从表2可以看出，在此期间内实际测试传输速率平均值为8.300 Mbit/s左右，峰值达到29.594 Mbit/s，能够满足整个油田群20 M的通信需求。在各种天气及海况下，通信链路能够稳定运行。

2) 截取测试期间30 h内海陆信号发射和接收信号强度数据，由图2和图3可以看出海上和陆地的信号接收强度在-65～-70dBm内变化，处于正常的信号强度接收范围，传输稳定。

3) 通过Ping包测试，系统延时在4～14 ms，丢包率为0，全年实际可用率达到99.845 8%，设备长时间运行稳定可靠。

通过测试，该跨海微波链路可靠性和时效性良好，平均网络延时为5 ms，远低于卫星链路490 ms的时延，显著提高了海陆之间的通信效率。在多种气候条件下，海上和陆地的信号接收强度均处于正常的信号强度接收范围内，整体测试效果良好。

3 抗衰落解决方案

3.1 海面反射抑制措施

抑制海面反射的最有效措施是采用空间分集技术[12]。在2个站点放置多副天线同时接收1个微波信号，将各个接收信号进行合成或选择最优，从而改善信号接收效果。空间分集技术能够提高天线增益，增加不相关的冗余路径，对海面强反射引起的信号衰落有很好的改善效果。

天线选择上采用双极化天线，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，可以有效降低呼损率，减小信号干扰，保证分集接收的效果。另外，可以通过适当增大天线口径，提高天线方向性和天线增益以增加链路衰落储备，从而减小信号干扰的影响。

3.2 多径衰落抑制措施

影响跨海微波传输质量的另一因素是多径干扰[13]。抵抗海面多径衰落通常采取加大收发两端天线高度的落差、适当调整天线的仰角，以减小多径衰落的影响。同时，采用自适应的多种调制方式和多波束时空编码方式将信号多次发送并重新合并，消除不同相位信号之间的相互抵消作用，可以有效克服多径衰落对信号的影响。

3.3 频率干扰抑制措施

海上平台无线仪表以及油田群内部数字微波网的建立在不同程度上对跨海微波链路造成了信号频率干扰[14]。目前主要措施是通过智能动态频率选择，增加频谱分析功能，持续监听所有频道，采用时分双工(TDD)和频分双工(FDD)结合的方式抑制信号干扰，动态选择最可靠信道。

4 结 论

1) 通过实地勘测与链路计算，选择合适的陆地基站和微波设备，建立远距离跨海微波链路。测试表明： 跨海微波链路在传输带宽、信号延时等方面优于卫星通信。同时采用有效的抗衰落措施，可以有效降低海面反射和多径衰落等对信号的干扰，提高了信号传输质量。

2) 跨海微波通信链路作为卫星和上岸光缆的备份和补充， 为海上油气田提供了可靠的数据传输保障，解决了海陆超远距离大容量数据传输的通信瓶颈。同时与卫星网、油田群内部数字微波网、光纤通信网进行联网，推动了“数字油田”、“智能海油”的建设进程，确保了海陆通信安全畅通，为油田群安全、稳定、经济运行提供了安全可靠的技术支撑。

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Key Technology Study of Cross Sea Microwave Communication in Offshore Oil and Gas Field

Yang Jinli， Xu Zhenghai， Zhu Chunli

(CNOOC Research Institute， Beijing， 100028， China)

s: To solve “bottom-neck” transmission capacity problem of communication networks from offshore oil and gas field to onshore， cross sea microwave communication is applied to build a communication link for signal transmission. Appropriate land base station is selected through on-site investigation and microwave circuit parameters calculation.Design model of cross sea microwave transmission link is constructed. The link is tested. High-capacity data transmission can be realized by cross sea microwave communication.Relevant responses against interference factors of strong sea surface reflection and multi-path fading for transmission quality are proposed. Link break problem of cross sea microwave communication is effectively solved.

cross sea microwave communication; offshore platform; link test; signal interference

杨金丽(1984—)，女，2010年毕业于中国民航大学通信与信息系统专业，获硕士学位，现就职于中海油研究总院，主要研究方向为海上平台通信系统设计、系统监测等，任通信工程师。

TN927

B

1007-7324(2017)02-0038-04

稿件收到日期： 2016-10-18，修改稿收到日期： 2016-12-21。