基于信道编码技术的智能油田数据传输方案研究

孙旭华，卜宏博，付旭，王静怡

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

0 引言

目前，无线通信技术已经相当成熟，加之ZigBee技术的优势在油田数据采集系统中逐渐呈现出来，国际上大部分石油机构都对ZigBee技术在油田中的应用做了大量研究，如何能将现有的先进技术很好的应用到油田系统中，为未来实现油田物联网打下了坚实的基础。2013年，Savazzi等[1]研究了油气工业主要采用无线传感器技术来探测和开采油气。曹等[2]将ZigBee技术与WiFi技术有机结合，实现了油田数据的无线传输，但由于实际中油田地理环境恶劣，中继转换器很容易受到恶略因素的影响而逐个死亡，但文中并未对中继转换器的性能提升及其抗干扰、抗噪声等方面进行进一步探讨。2016年，宋等[3]研究了ZigBee技术在油田联合站监控系统中的实际应用，但是由于联合站实际应用中大型设备的运转产生强大的电磁干扰会造成数据传输和控制指令发送的不稳定，文中没有给出相应的安全措施。2017年，Akkas等[4]研究了如何在油气井中流采用最佳无线传感器网络检测管道条件、完整性、泄露、腐蚀和破坏等情况。Khan等[5]总结了目前使用无线传感器网络进行油气监控的问题和挑战，没有涉及到具体的技术和方案。

现有的大部分成果都是采用GPRS、蓝牙和WiFi等技术研究了油田现场短距离设备间的数据传输，但是在油田开发初期或者在没有移动互联网的偏远地区，如何能实现短距离的数据无线可靠传输，目前还没有看到相关文献报道。因此，本文采用无线通信技术中的关键技术——信道编码技术的理论来研究这一问题。文中拟采用ZigBee技术，针对互联网建设滞后的数字油田监控系统网络建设难、容易遭受外界干扰、信号传输出错率高等问题给出一个基于信道编码技术的数据传输方案。

1 基于短距离传输策略的单井通信模型

针对一个ZigBee采集设备[6]，一个井口控制单元和一个信息监控中心构成的单井通信模型中如图1所示。ZigBee采集设备与信息监控中心之间的信息传输由两个阶段完成。首先，采集端ZigBee设备采集到表征温度、油压、套压、载荷、电力参数等的油井实时数据；其次，井口控制单元根据采集端ZigBee设备收集到的数据长度不同，采用不同的信道编码技术处理后转发，信息监控中心则根据不同的编码方式对收到的数据信号进行译码，得到井口控制单元的估计信息。

2 基于短距离传输策略的数据传输方案

已有大量文献采用现有WiFi和蓝牙技术进行短距离油田通信，但是对于环境较差的偏远地区，如何实现短距离智能设备间的可靠通信，尚未看到有相关文献报道。油田现场的短距离通信如图1所示（如井口控制单元1与信息监控中心之间的数据传输），本文拟采用信道编码技术的理论给出数据传输方案。

2.1 数据传输总思路

单井通信模式中各ZigBee采集设备、井口控制单元和信息监控中心之间的距离不远，另外实际中的油田井口需要原油各参数、图像等数据的采集，这些信息的数据量较大，所以如何选择合理的信道编码是设计单井模式数据传输的关键。由于油田数据传输系统对各种油田数据的要求不同，例如对于石油的含水量、压力等参数的传输要高效、准确，即必须尽可能地降低数据出错率，而对于油田监控设备的声音、图像等信息，即使有一些信息显示不完全，也不会影响整体信息的读取，但是这类信息需要较高的传输效率。针对油田生产现场的传输不同数据，拟采用不同信道编码技术设计出相应的数据传输方案，最终实现数据的可靠传输。

2.2 针对数据种类较少的传输方案

如果智能ZigBee采集设备采集到的需要传输的数据种类比较少时，每个井口控制单元采用信道编码中的短码-Polar码对采集到的数据进行处理，再通过广播形式发送给监控中心，从而保证数据的安全可靠传输。井口控制单元和监控中心采用的信道编码——Polar码[7]。Polar码是极化码，是第一种能够被严格证明达到信道容量的信道编码。2016年，Polar码已经被正式列入5G短码的最终方案。其中的编译码原理如下：①基于高斯近似的构造方法：主要的构造思想是采用信道极化。这里将信道分类两类：一类是趋于无噪的信道；另一类是近似全噪的信道。各井口控制单元通过采用高斯近似估计各自子信道输出数据软信息的均值，选择均值最大的K个子信道传输有用信息比特，其余子信道用来传输固定信息比特（对应性能较差的信道）。②连续抵消译码算法：监控中心按照译码树进行顺序译码。译码器需要在树的每一层分别计算当前译码比特是0和1的概率，然后选择概率大的作为其硬判决值，该比特就是固定比特，直接将其判决为收发双方约定的比特。

2.3 针对数据种类较多的传输方案

如果智能ZigBee采集设备采集到需要传输的数据种类比较多时，每个井口控制单元油井采用信道编码的长码-LDPC码对采集到的数据进行处理，再通过广播形式发送给监控中心，从而保证数据的安全可靠传输。井口控制单元和监控中心采用的信道编码——LDPC码[8]。LDPC码是低密度奇偶校验码，是一种非常逼近香农限、性能优越、实用的线性分组码。2016年，LDPC码已经被正式列入5G长码的最终方案。如下：①LDPC码的缩短算法：各井口控制单元采用基于高斯近似方法来设计缩短算法，该算法是通过减少码字中信息位的长度，从而降低码率，并使实际参与传输的码字长度变短。之后设置等概的可靠度来实现删余。②LDPC码的译码算法：在缩短信息位置已知的前提下，监控中心给这些缩短的位置以无限大的可靠度后，通过置信传播（BP）迭代译码算法恢复的删余比特，恢复母码的原始长度，依据母码的校验矩阵可以实现一系列低码率缩短速率兼容LDPC码的译码。

3 总结

综上所述，为了保障在相对落后的没有互联网或移动互联网覆盖的偏远地区的油田在低功耗下可靠运行，本文给出了基于多种不同数据类型下的数据传输方案。根据所传输的数据类型的多少，该方案采用不同的信道编码技术，从而保证数据的高效可靠传输，为进一步研究基于无线通信技术的现代智能油田数据传输奠定了坚实的理论基础。