基于点对多点微波视频回传技术的应用研究

姜翔飞 林其明 唐军 张萤 张玉蓉

1中国石油天然气管道工程有限公司

2国家管网集团广东省管网有限公司

近年来，智慧管网发展迅速，输油气管道运行管理更加智能化。输油气管道多穿跨越河流、山体等重点区域，这些地区不仅地形复杂，且为自然灾害频发地段，当发生河流冲刷、河流中挖沙及山体滑坡等事件时，极有可能对输油气管道造成破坏[1-2]。为了给智能管道大数据分析提供大量基础数据，保证管道安全运行，真正做到“感知交互可视、预测预警可控”，可在管道沿线高后果区、河流穿跨越等重点区域全面覆盖视频监控点，对重点区域进行重点监视，实现实时、可视化监控[3]，这些举措有利于加强对输油气管道沿线的风险防控，可为重点区域安全管控的智能应用提供可靠的信息源[4]。

然而，监控站点数量的不断增加和智能高清视频业务的不断推进使单个视频站点的视频数据回传带宽大幅增长，并且在面对环境严酷、地形复杂、人口密集等情况时，站点传输设备会经受恶劣条件的考验，需具备极强的抗干扰性。为了在高清视频监控站点数量较大的前提下降低单个站点部署成本、缩短建设周期、高效运维，以视频监控为主的监控站点迫切需要高效、可靠的传输方案，本文提出了一种基于点对多点（Point To Multipoint，简称PMP）微波技术的无线传输方案，此方案为宽带数据传输提供了基础，既保证监控数据传输的稳定性，又可以避免光缆敷设施工的复杂性，同时可减少征地，提高经济性，为智能管道的建设奠定了坚实的基础。

1 PMP微波传输技术原理

基于点对多点微波技术视频回传方案的系统组成如下：前端采集器（智能高清摄像机）、发射端（RT）、无线链路、接收端（AP）、交换机及PC 端（图1）。由于传输采用4.91～5.97 G 固定的免费频段，因此是基于时分多址技术（TDMA）的点对多点微波技术[5]。该技术可为多路数据有序分配时隙资源，确保多个接入点都能与AP 建立持续可靠的连接，实现多用户间的有序连接。与基于频分多址的（FDMA）点对多点微波技术相比，频谱利用率更高，节省频率资源，RT端传输速率可达250 Mbps，AP端接收速率可达750 Mbps。

图1 PMP微波技术传输架构Fig.1 PMP microwave technology transmission architecture

2 PMP微波技术应用

PMP微波技术在油气管道物联网试点项目——中卫-贵阳联络线工程可行性研究阶段进行了应用。中卫-贵阳联络线工程的犀牛江、广坪河、湘江三处河流河面较宽，为了更好地监视管道经过河流的情况，在输气管道跨越河流两侧各设置1处监控站点以方便可视化监控经过河流的管道情况（如漂管、人员挖沙等）。目前有三种方案可考虑。

方案一：河流两侧分别从与输气管道同沟敷设的干线光缆引接1 路光缆至河流跨越两侧监控点，将视频数据通过光缆传输至作业区，传输架构如图2所示。

图2 引接光缆传输架构Fig.2 Lead-in optical cable transmission architecture

方案二：河流跨越两侧监控点分别通过4G 方式将视频传至作业区[6]，传输架构如图3所示。

图3 4G传输架构Fig.3 4G transmission architecture

方案三：河流两侧监控点通过PMP 微波技术将视频数据传输至作业区，传输架构如图4所示。

图4 某试点项目PMP微波技术传输架构Fig.4 PMP microwave technology transmission architecture of a pilot project

三种传输方案对比见表1。

表1 三种方案对比Tab.1 Comparison of three schemes

方案一为传统有线回传方式，一方面需对与输气管道同沟敷设的光缆进行2次熔接，增加了光缆传输故障点，影响干线光缆的传输质量，另一方面两处引接光缆施工操作较困难，特别在地形复杂地区，临时征地成本增加，且后期引接光缆维护工作量增加，这个缺点在未铺设光缆的老管道智能化升级改造项目上体现尤为明显，但是该方案数据安全性有保证，最大传输速率不低于155 Mbps。

方案二过多受制于运营商的服务范围和服务质量，最大传输速率可达100 Mbps。

方案三减少了光缆熔接次数，降低了施工难度，同时保证数据传输质量，最大传输速率可达250 Mbps。

根据前期现场调研，犀牛江、广坪河、湘江三处河流跨越地形复杂、征地难度较大，管线运行多年，原有光缆查找困难，寻找干线光缆接头盒亦较为困难，且经过实地勘测，三处河流跨越4G 信号覆盖不稳定。

综合考虑三种方案，为了保证视频数据可靠及稳定传输，更好地保证管道运行可视化监控，尽可能减少传统有线回传方案在油气管道跨越河流区域实施的种种困难，同时避免4G 信号传输不稳定的问题，推荐采用PMP 微波方式。PMP 微波传输其工作原理如下：①在三处河流跨越一侧设置RT端，包括安装杆以及安装在杆上的摄像机、发射器和调制器；②另一侧设置AP 端，包括安装杆以及安装杆上的摄像机、接收器和解调器；③RT 端将采集的视频数据调制后通过无线微波传输至AP端；④AP 端接收到视频数据后由解调器解调，经由以太网交换机与4芯引接光缆相接，然后在干线光缆接头盒里将4芯引接光缆与中贵线干线光缆进行熔接，最终将视频数据传输至成都分控中心PC端进行管理，实现高清实时监控。

在实际应用中，PMP微波技术的传输质量会受到地面遮挡、地形起伏、大气中各种衰落（如多径衰落、波导衰落等）等因素的影响，需综合考虑各种外界影响因素，建立合理的计算模型，微波链路增益损耗计算过程为

式中：P为整体功率，W；L为整体的传输损耗，dB；FM为微波链路储备余量，dB；PTX为设备射频输出功率，dB；PRTH为接收灵敏度，dB；GTX为发射端的天线增益，dB；GRX为接收端的天线增益，dB（一般来说，发射天线和接收天线采用相同的天线口径[7-13]，即GTX=GRX）；L0为电磁波在自由空间中的传输损耗，dB；LTX为发送端线路损耗，dB；LRX为接收端线路损耗，dB。

式中：f为发射频率，Hz；d为传输距离，km。

将以上代入公式（1）中可得

首先，微波在自由空间中为视距传播，接收端和发射端之间不应有遮挡，其次，实际应用中计算往往采用两种方法。

方法一是结合现场实际情况，根据链路备余量确定合理的传输距离，进而来确定发射端和接收端的安装位置[14-15]。计算流程如下：①根据设备灵敏度及天线计算整体功率P；②根据微波链路储备余量FM及P计算L；③根据L计算自由空间中传输损耗L0；④根据L0推导传输距离d。

方法二是结合现场情况，选定合适的位置，根据以上公式计算出微波链路储备余量，若为正值则安装位置合理，若为负值则需要重新选定位置。计算流程如下：①根据传输距离d得出自由空间中的传输损耗L0；②根据自由空间中传输损耗L0计算整体的传输损耗L；③根据设备灵敏度及天线计算整体功率P；④根据P及L计算微波链路储备余量FM。

方法二需根据假设的位置计算微波链路储备余量，根据微波波链路储备余量调整安装位置，因为这种方法计算稍显复杂，在实际工程中往往采用方法一。

为了保证微波链路稳定性，实际应用中微波链路储备余量在不同区域应留有足够的余量，根据具体工程实际确定，余量多的区域建议不少于3 dB，余量少的区域建议不少于5 dB。确定收发端设备类型、工作频率、微波链路储备余量，通过公式（1）～（5）可计算收发端站点距离，从而达到传输需求。可见点对点微波传输技术更适合在环境干扰较小、四周遮挡物较少、地势起伏较低、不便于敷设光缆时选用。该项技术适用于各种点对多点物联网窄带和宽带数据传输，有助于智能管道、油气田地面工程、海上平台大数据采集，常见应用场景如图5所示。

图5 点对多点微波应用场景Fig.5 Point-to-multipoint microwave application scenarios

3 结束语

本文基于PMP 微波技术为输油气管道在河流穿跨越区域两侧设置的高清监控站点，提供了一种实时、可靠、部署灵活的视频回传方案。在降低建设成本的前提下，保证了视频回传质量，为进一步加强管道沿线可视化监视、提升生产管控水平、推动智能管道的发展奠定了坚实基础。

在油气田地面工程中，由于井场数目较多，且传输数据类型较为单一，一般仅包括生产数据和视频数据，采用光缆＋以太网交换机的形式进行数据传输时，以太网交换机成链组网，井场串接数目过多，数据传输发生时延，从而导致自控系统无法实时远程控制。而在海上油气工程中，4G 信号覆盖范围很难达到实际需求，同时敷设海缆成本较高，每千米造价可达11 万人民币左右，且施工及后期维护难度大。通过采用基于PMP 微波技术的视频回传方案，具有高效的视频数据回传能力，仅需点对多点部署无线收发设备，缩短了建设周期，克服了有线回传困难的瓶颈，也降低了建设及维护成本。