PtMP无线微波技术在数字化井场建设中的优势

余丽 何长清

1大庆油田工程有限公司

2大庆油田信息技术公司

随着大庆油田近几年井、站数字化工程的建设实施，部分周边井场分布密集、数量较大的油水站场已逐渐配套建设了全景红外成像预警雷达设备[1]。单套预警雷达设备的建成可满足周边3～5 km半径范围内井场及站场的全监控覆盖，以采油八厂为例，单套雷达设备覆盖井场数量约为320 座[2]。在气田建设方面，大庆油田采气分公司横跨面积约5 600 km2，截至2019年底，共投产气井219口，建成站场38座，平均每座站场下设气井约6座。对此分布密集性低的数字化井场建设，从优化建设投资的角度考虑，应选择单井安装高清视频监控设备实现电子巡井。经过技术经济对比，井场生产数据的回传优先选用无线传输方式。

1 井场常用无线通信技术及存在问题

目前国内油气田常用的无线传输模式有公网4G、专网4G、WLAN 无线网桥和PtMP（点对多点）微波等多种方式。

1.1 公网4G

井场生产数据通过公网4G 无线网络上传时，井场设置终端DTU（数据传输单元）设备将井场RTU（远程终端单元）、视频监控等IP 数据接入，并通过4G 网络上传[3]。为保证数据传输的安全性，运营商采用VPDN（虚拟专用拨号网络）技术，其利用隧道协议技术在拨号网络中为油田企业用户构建虚拟专用网络，将井场数据接入运营商VPDN平台，经过认证后，通过运营商与油田企业生产网间的数据专线电路，实现DTU 终端与企业生产网间的数据传输。在网络安全性方面，数据通过油田企业端设置的AAA（验证、授权和记账）服务器实现二次认证，并在运营商与企业之间建立L2TP（二层隧道协议），提高数据传输的安全性。

存在问题：设计前需确认井场是否在公网4G基站覆盖范围内；4G 基站覆盖的终端设备上行带宽能否满足生产数据的传输需求；运行期需产生流量费用。

1.2 专网4G

专网4G 是面向企业用户提供的e-LTE 技术的无线专网设备，系统支持多种公共无线频率（1.4 GHz/1.8 GHz/800 MHz/400 MHz）组网[4]。中心设备容量150 Mbit/s （上 行50 Mbit/s，下 行100 Mbit/s）。系统设备架构由井场CPE（无线前置设备）、专网4G基站及核心网设备组成。基站的位置可以根据油田企业井场分布及CPE上行数据传输带宽需求，选择适合的建站位置以最大化地有效覆盖CPE设备。在数据安全方面设备提供双向无线鉴权，该功能可以防止未经授权的终端用户使用网络。用户也可以使用鉴权功能防止接入到未知网络，提高企业数据传输的安全性。

存在问题：相对于利用运营商4G 传输的方案，需额外配套建设和使用专网4G 基站、核心网设备；井场主要数据为上行业务，当井场有大量高清视频传输的业务需求时，业务量将超过基站上行数据带宽。

1.3 WLAN无线网桥

采用CSMA/CA（载波侦听多路访问）技术的WLAN无线网桥系统设备架构由中心设备、远端设备组成，支持数据的点对点或点对多点传输。系统工作频段在2.4～5.8 GHz 的公共免费频段，一般仅支持数据间的LOS（可视）无线传输[5]。中心设备可外接120°或90°扇区天线，设备带宽容量可达54～300 Mbit/s（1～4 个扇区），远端站设备容量为10 Mbit/s 左右[6]。远端站布署在井场通过IP 网络接口接入井场数据，中心站可布署在有光纤传输系统接入的站场。在数据安全方面采用WEP（有线等效保密）及WPA/WPA2（WPA 与WPA2 两种加密算法混合体）等方式。

存在问题：中心设备与远端设备应达到可视的传输条件，如现场不满足条件需升高两侧设备安装高度；采用的CSMA/CA 机制，多个终端自由竞争抢占至中心设备信道[7]，无法保证传输稳定和持续性，密集部署干扰大。通常设计时建议1套中心站接入的远端站数量不超过6个，降低了设备的最终吞吐量。

1.4 PtMP无线微波

PtMP 无线微波工作在4.91～5.97 GHz 公共频段，系统由AP 及RT 组成。采用TDMA（时分多址）技术，通过有序的时隙资源分配[8]确保最多64个RT都能与1个AP建立持续可靠的连接，支持数据的点对点、点对多点及中继方式传输。AP 支持最大750 Mbit/s 吞吐能力，RT 支持最大250 Mbit/s数据吞吐能力，上下行带宽灵活可调，可匹配大量高清视频回传、宽带接入和企业专线等各种场景。系统设备可灵活布署于视通（LOS）和部分非视通（NLOS）场景。加密方式采用AES 128 bit，RT 接入采用基于MAC 地址（媒体存取控制位址）的白名单方式，防止未经授权的终端接入系统。

存在问题：在部分非可视条件下仍不能满足传输需求时，需升高中心及远端两侧设备安装高度，以满足传输需求。

2 PtMP无线微波优越性

设备相对于其他无线传输技术具有超大吞吐容量、超强抗扰、环境适应、简易运维和增强以太网的特点。目前系统设备已应用在石油化工领域及平安城市建设项目中。具体优越性如下：

（1）Sub 6G的工作频段在大部分地区属于免申请频段，多个使用者自由使用Sub 6G 的频谱资源。因此设备采用TDD（时分双工模式）模式，在同一个信道中分时段发送和接收数据，各终端设备根据接入的先后顺序加入到AP 的接入队列后，在AP的接收时隙内排序向AP发送信号。该方式可以有效节约频谱资源，提高系统的抗干扰能力，使两端无线设备建立持续可靠的连接。

（2）除了视距传输的条件外，无线微波信号在传输过程中出现部分遮挡时，能经过反射、透射和衍射后达到终端（一般引起NLOS 情形的障碍包括：建筑、树木等） 也可实现数据的非视距（NLOS）传输。

（3）支持AM（调幅）信道质量自动调整调制模式。当天气劣化或有其他信号干扰时，自动采用低调制模式，保障链路的高可靠性，而在天气晴好也无干扰信号时，自动采用高调制模式，提高链路的传输可靠性。

（4）支持自动选频，可以根据当前各频点的信号等情况选出最优频点。在Sub 6G 免费频段，用户无需申请，可按需使用，所以各个频点没有统一规划，可能会存在同频干扰。而采用自动选频的方式设置设备工作的频点，在解决规划困难的同时，AP 通过扫描可用信道的情况选择最优可工作信道。

（5）支持AES空口加密，可以增强微波链路传输客户数据的安全性。相对于有线传输链路，无线微波信号链路存在被第三方捕获的可能。当第三方能够基于微波帧格式对捕获的微波信号进行解析时，就有可能获取数据信息[9]。油田企业客户可以通过AES空口加密特性对微波链路传输的客户数据进行加密，在链路层进一步增强微波链路传输的客户数据的安全性。

（6）可快速布署，维护简易，AP、RT 设备支持POE（基于局域网的供电），中心站AP支持通过WLAN模块实现塔下手机APP管理、运维，支持远程WEB网管。同时，终端RT设备支持免配置快速开局调试。

3 结束语

无线技术在数字化井场的应用中不但可以避免井场光纤建设的高投资、高维护量、长建设周期的情况，当井场停产后无线设备仍可利旧用于其他生产井场。而PtMP 无线微波技术在数字化井场建设工程中提供了井场至站场“最后几公里”的可靠通信方案，其中心站AP 的大带宽吞吐量及多远端站的接入能力，可满足分布密集型且有高清视频实时传输需求的数字化井场建设。