5G赋能海上无人值守平台

夏如君

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口570135）

1 引言

随着自动化和智能化的飞速发展，中国海油与国内各大知名自动化公司合作，开展海上新型无人平台的方案研究与设计工作。但在实际运行中，平台间通信采用微波和海缆通信技术，由于微波技术的低带宽和大风影响导致的通信不稳定，以及海缆建设维护成本高等问题，无法满足平台间生产网、办公网以及视频监控信息的传输带宽和可靠传输需求，因此并未实行真正意义上的无人化管理，一直延续有人驻守的管理模式。因此，必须另辟蹊径，借助5G通信新技术，保障平台间通信的可靠性，提高平台视频监控能力、可操控性和安全性，实现中心平台对井口平台“动想所动、看想所看、有险即关”的全方位监控、操作和保护，打造经济高效、安全可靠的海上智能油气田。

2 无人值守平台建设需求与现状

海上无人值守平台基于自动化技术、视频监控技术、远程操控技术以及应急保障技术，实现海上无人值守平台远程监控与操作，提高生产和管理效率，降低成本。无人值守平台建设自动化和智能化需求如下。

• 生产监测：具备生产数据实时监测，设备健康在线检测和预测性维护功能。

• 视频监控：实现生产现场全覆盖实时视频监测以及平台安防监控。

• 远程操控：具备远程操作计量、安全阀、电泵等设备和远程紧急关断功能。

• 应急保障：远程操控失效时有应急保障措施，如采用机器人进行生产紧急关断。

无人平台建造方面，国内从1993年开始建造第一座无人平台。随着平台无人化推进，中国海油已建平台的无人化改造和新建平台的无人化设计日趋成熟。中国海油各分公司开始探索实施井口平台无人化管理，建立平台无人化管理体系。同时，在生产自动化方面，基于机器人、大数据、人工智能等技术的成熟与应用，海上平台自动化、智能化水平已经满足无人值守平台要求。目前主要的制约因素是现有通信无法满足平台间各类设备、视频、操控指令等自动化生产数据的高带宽、低时延传输需求。

3 无人值守平台对通信的需求与现状

无人值守平台各业务对通信的需求主要包括带宽需求、时延需求和丢包率需求，具体指标需求见表1。

表1 无人值守平台各业务的通信指标需求

国内海上平台间通信大多采用海缆和微波方式。微波通信具有组网部署快捷、安装灵活、设备紧凑、转运方便等优势。但由于其频率高、波长短、直线传播，在电波波束方向上若有遮挡物则会导致信号被反射或被中断，同时，微波通信受恶劣天气影响大，信号不稳定，通信易中断，效果不理想。相对于微波通信，海缆通信技术的优势在于可靠性高，不受恶劣天气影响，信号稳定；采用密集波分复用技术，通信带宽可扩展；频谱资源丰富，无须申请频谱。但海缆铺设难度和投资巨大，回收周期长，导致成本高、经济效益低。

鉴于海缆和微波通信方式的局限性，随着4G通信技术的高速发展与成熟，海上平台提出建设4G专网，采用4G无线宽带技术覆盖区域内集中分布的多海上平台。4G优势在于移动性强、稳定性高、传输距离远、传输速度快；可取代海底光缆的铺设，覆盖方案灵活、易实施、易维护、投资小。4G网络已作为新型海上平台接入网建设方案重点，但在无人值守平台的应用中4G网络传输技术仍存在不足，即网络宽带无法满足平台间实时数据的高带宽、低时延传输需求，制约海上平台无人值守进程的发展。

4 无人值守平台5G覆盖方案

4.1 5G关键技术

（1）5G网络切片和 QoS机制

5G网络切片是一种按需组网的技术，独立组网架构下将一张物理网络虚拟出多个不同特性的逻辑子网络，不同的网络切片之间既相互隔离也可共享资源。5G系统中采用QFI（QoS flow ID）标识QoS（quality of service）流。一个PDU会话中QFI保持唯一，具有相同QFI的用户面业务流获得相同的转发处理方式。5G网络切片实现多业务QoS（时延、传输速率、丢包率）不同的特殊性要求，采用灵活的帧结构、QoS区分等多种技术结合的方式实现无线资源的智能调度，并通过灵活的无线网络参数重配置功能，实现差异化的切片功能。5G网络切片和 QoS机制分别如图1和图2所示。

图1 5G网络切片

图2 5G QoS机制

（2）5G高带宽、低时延、远距离传输技术

5G相较于4G流量密度、连接密度、时延、峰值速率等8项关键技术指标都有较大幅度的提 升，4G和5G关键指标对比见表2。

表2 4G和5G关键指标对比

大规模天线（massive MIMO）、新型F-OFDM（filtered-OFDM）多址技术、更高阶QAM（quadrature amplitude modulation，正交幅度调制）的使用大大提高了频谱效率，结合高频宽、载波聚合等技术的应用，5G通信速率带宽得到极大提升。

5G扁平化架构、MEC（mobile edge computing，移动边缘计算）技术以及UPF（user plane function，用户平面功能）虚拟化灵活部署等网络架构技术，结合上行免调度、极端调度周期等无线技术，大幅度降低了业务在5G网络中的时延。

5G支持多种PRACH（physical randomaccess channel，物理随机接入信道）格式，支持多种覆盖场景和小区半径。本文采用了合理的特殊时隙配置、PRACH增强检测技术、高增益天线技术等既实现了远距离覆盖又保证了高容量。

4.2 5G井口平台覆盖方案

4.2.1 系统组网

系统采用5G独立组网模式，在9-2/9-3中心平台安装5G核心网和BBU（基带处理单元），采用四通道RRU（射频拉远模块）进行无线覆盖。在8-3B井口平台部署5G CPE，打通9-2/9-3中心平台与8-3B井口平台之间的5G通信链路。5G无线网络子系统组网如图3所示。

图3 5G无线网络子系统组网

（1）PRACH检测专利算法及系统仿真

PRACH选用Format0格式，可以尽可能小地占用无线资源承载PRACH，有助于提高系统上行吞吐量和上行业务信道的覆盖性能。符合生产平台生产以监控业务上行为主的需求特征。

Format0格式情况下，由于帧结构的GP长度为96.88 μs，PRACH理论覆盖只有14.5 km，超过14.5 km，上行PRACH信号序列接收不完整，检测概率有恶化，影响接入。为此针对PRACH检测采用了增强检测专利算法，通过系统仿真，覆盖距离18 km、22 km情况下均可以检测到PRACH。

（2）链路预算与天线选择

5G基站发射功率4×80 W，采用17 dBi板状高增益天线，天线数4T4R，安装在9-2/9-3中心平台，距离海面35 m。5G CPE发射功率200 mW, 采用17 dBi板状高增益天线，天线数2T4R，安装在8-3B井口平台，距离海面30 m。根据海面传播条件，采用自由空间传播模型，按照上下行速率分别不低于100 Mbit/s的需求，链路预算结果见表3。

表3 速率与覆盖距离链路预算结果

4.2.2 安装部署

9-2/9-3中心平台上，5G核心网、BBU安置在生产区中控室内，RRU设备安装在中层甲板非防爆区，天线指向8-3B井口平台方向。

8-3B井口平台上，5G CPE天线安装在中控室外非防爆区，指向9-2/9-3中心平台方向，5G CPE及供电电源安装在井口平台中控室内，5G CPE采用衰减率低的RF馈线进行天线拉远。

5 现场试验验证

5.1 现场组网说明

9-2/9-3中心平台由5G核心网、BBU、RRU、高增益天线、交换机、路由器、笔记本计算机等设备组成，其中高增益天线位于中层甲板左舷舷边，安装高度距海面约35 m。8-3B井口平台由5G CPE、高增益天线、路由器、笔记本计算机等设备组成，其中高增益天线位于上层甲板，安装高度距海面约30 m。现场组网如图4所示。

图4 现场组网

5.2 测试方案

采用笔记本计算机、5G核心网和基站网管软件、GPEF、Xlight、CuteFTP、NetMeter等测试工具，在9-2/9-3中心平台上，测试计算机连接至万兆交换机，在8-3B井口平台上，测试计算机连接至5G CPE LAN口，进行信号质量、通信速率、时延和丢包率的测试。

测试配置如下。

（1）5G系统配置：基站RRU采用上下行各40 MHz频宽，FDD制式。

（2）测试点网络配置见表4。

表4 测试点网络配置

5.3 测试内容和结果

5.3.1 信号质量测试

登录到5G CPE管理页面，观察5G信号强度参数，且每隔30 s，手动刷新5G CPE管理网页，持续5 min观察5G信号强度参数。测试结果显示5G CPE RSRP值在−86 dBm到−76 dBm之间波动。

5.3.2 空口传输速率模拟测试

在9-2/9-3中心平台测试计算机上运行Xlight软件，在8-3B井口平台测试计算机上运行CuteFTP软件。8-3B井口平台测试用户通过CuteFTP客户端登录到Xlight服务器。在基站操作维护界面分别进行上行和下行空口速率模拟测试，并持续5 min观察上行速率和下行速率。测试结果如表5和图5、图6所示。

图5 上行速率

图6 下行速率

表5 空口传输速率模拟测试结果

5.3.3 传输速率测试

在9-2/9-3中心平台测试计算机上运行Xlight软件，在8-3B井口平台测试计算机上运行CuteFTP软件。8-3B井口平台测试用户通过CuteFTP客户端登录到Xlight服务器。在CuteFTP客户端分别对进行多文件（8个文件）上传和下载操作，上传和下载至Xlight服务器，并持续5 min观察上传速率和下载速率。在8-3B井口平台测试计算机对9-2/9-3中心平台测试计算机进行ping操作，持续ping包200次，统计时延和丢包率，结果显示端到端往返平均时延19 ms，最短往返时延9 ms，丢失0%。测试结果如表6和图7、图8所示。

图7 上行传输速率

图8 下行传输速率

表6 传输速率模拟测试结果

5.4 测试结果分析

9-2/9-3中心平台与8-3B井口平台间5G无线网络远距离传输时延、速率及稳定性情况见表7。

表7 测试结果

对比测试结果和无人值守平台各业务的通信需求指标，5G无线网络传输速率和时延均满足中国海油平台间各业务通信的要求，实现了9-2/9-3中心平台与8-3B井口平台间近20 km的远距离无线通信。

6 结束语

无人值守平台可以减少生活区模块设计制造，降低平台整体建造成本投资；无须人员长期驻守，降低运营维护成本，提高人身安全；保障边际油田的生产和台风季节油田生产的不间断，从而增加了经济效益；提升井口平台管理水平，引领海上油气田管理转型，推动可持续性发展。海油井口平台无人值守将是未来的发展趋势，而5G新技术的发展与应用则为海上井口平台无人化提供最佳的基础网络支撑，实现海上井口平台从有人到无人的“颠覆性 创新”。