“数字油田”各种通信技术对比分析

作者:数字石油
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发布时间:2014-07-09 16:53:24
来源:数字石油

 一、传统“数字油田”无线通信技术说明

1、数传电台技术

无线数传电台 技术为油田的信息化做出了重大的贡献,该技术投资少、见效快,覆盖距离远、运行稳定。作为低速的无线数据接入系统,在过去的10多年的时间内,毫无疑问它是油井数字化建设的不二的技术选择。目前数传电台面临重大的技术挑战,“数字油田”发展的要求越来越高,突出表现在对带宽的要求越来越大,对实时性要求越来越高,对业务的综合能力越来越高。不仅要传输“三遥”的数据、还要传送图象业务、应急通信、调度等综合性的业务需求。

对于已经建设的油井,数传电台还是需要继续发挥它的重要作用,对于正在建设的油井,数传电台可以作为一种临时的手段,不再适合大规模部署的技术手段。我们认为应该采用新一代的无线宽带接入技术来满足“数字油田”建设的最新要求。

新一代的无线宽带接入系统基于移动WiMAX标准化技术,采用全IP的承载平台、符合“最高的带宽能力、最大的用户容量、最综合的业务支持能力、最优化的投入产出效率”的技术要求,是目前为止“数字油田”建设最佳的无线通信技术。

总结:数传电台是我们油田信息化建设不可缺少的无线通信技术手段,但是我们需要逐步地向新一代的无线通信技术进行演进,以满足油田建设“减员增效”的战略要求。

2GPRS/CDMA-1X技术

GPRS/CDMA-1X公网技术已经广泛地应用于“数字油田”的建设中,经过几年的部署和应用,对于该技术的优势和劣势,油田用户已经有了客观的认识。

GPRS油井监测系统

优势:

中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接、建设周期短,建设成本低。油田不需要建设专用网络;

利用GPRS业务平台构建油井数据采集传输系统,设备安装方便、维护简单;

GPRS DTU功耗为200mW左右,比较适合野外恶劣的供电环境,可以满足太阳能供电的要求。

劣势:

GPRS是公网技术,不是“专用的网络”,无法保证“专网优先的应用”,因为公网里的所有用户是“公平使用网络的”,当用户较多时网络的质量就急剧下降,每个用户的服务质量均下降;

GPRS是公网技术,它支持的下行带宽大、上行带宽小,适合Internet业务,但是专网的数据传送规律恰恰相反,专网要求“上行带宽大、下行带宽小”,与公网的网络能力正好相反,这也是使用GPRS后大家普遍感觉非常失望、反差很大的根本原因;

目前GPRS理想的数据传输速率在30Kbps左右,油井密度大的地区,或手机使用频繁的区域,带宽只有几Kbps左右,无法满足宽带的需求,视频业务的接入完全没有可能;

实时性差,GPRS的时延容易受到网络负荷和环境的影响,时延一般为600~1500ms

GPRS由于技术的局限,它的的丢包率在1%~4%左右,丢包率太高,是工业应用无法容忍的,需要在网络的上层进行二次开发才能满足系统的要求;

GPRS/CDMA1X因租用公网网络,随时间累积,其线路租用费用对油田来讲也是一笔很大的支出。

总结:我们认为GPRS/CDMA-1X已经完成了历史使命,已经不适应“数字油田”的发展要求,可以作为一个临时或过渡性的技术使用。

 

3、无线网桥(802.11a)技术

 
  大规模组网示意图


无线网桥技术也已经广泛地应用于“数字油田”的建设中,特别是在视频监控应用方面发挥了重要的作用, 但是在应用到“工业数据采集传输”方面就渐渐地暴露了它的技术局限性。

 

优势:

工作频率:所有无线网桥产品均采用802.11技术,工作频率一般为2.4GHz 或者5.8GHz,采用20MHz载波,BPSKOFDM64QAM的调制。

带宽:一对无线设备产生的TCP吞吐量在20~50Mbps之间,所以说宽带能力比较突出,可以满足大部分的视频监控和数据采集的需要。

私有网络:油田建设的无线网桥专用网络,不受别人的控制,不受公众的影响,业务实施时实时性(时延小)很好。

应用广泛程度:发展历史悠久,已经有20年的历史,最早用在军事应用,后转为民用,全世界都在大量应用。

性价比:由于有大量应用,设备基本都在国内生产,价格低,一般单端设备价格在2000-8000元左右。总体成本比较低。性能价格比非常高。

组网方式:支持点对点和点对多点,网络可任意部署。

传输距离:在视通的情况下,点到点传输距离可达50km以上。

技术成熟度高:国内外有大量应用,大量厂家提供设备,技术和相关支持支持。如视频服务器、串口服务器等。

维护成本:由于设备成熟度高,环境适应性高,一般较少设备故障,维护成本低。

国家产业政策:所使用的技术体制和频点国家开放,国家政策上大力支持。不需审批,不需向无委会缴纳占频费。

安全策略:Orinda无线网桥通过绑定MAC地址才能通信,无线信号不能被普通终端搜索到,保证数据的安全。并支持多种加密方式。

支持多终端:WiFi产品的终端非常丰富,所有WiFi终端都可以接入MESH WiFi网络,所以终端多样化(PDA、无线网卡、CPE等多种形态),价格也比较便宜。

防护等级高:防护等级达业内最高级别的IP68标准。工作温度介于零下45度到零上60度。

功耗小:正常工作单台Orinda网桥设备的功耗约为4W,峰值为8W

工业级别:Orinda网桥设备为电信级。

QoS:支持QoS,可定义优先级别。

劣势:

数据采集终端需要改进;

采用开放频段,在城区存在其他无线用户的干扰。

总结:我们认为无线网桥是满足视频监控等应用的最为理想的技术选择,在用作数据采集的无线接入平台时,频率规划时要采取谨慎、稳妥的频率规划方案,避免带来的干扰。
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MESH WiFi技术

MESH WiFi技术,首先它是“WiFi技术”,其次它具有“MESH功能”,是“WiFi技术的一次创新和发展”。MESH WiFi技术经过几年的发展,已经从早期的“双射频”MESH AP,发展到目前的“多射频MESH AP”,MESH功能不断增强。

MESH工作方式:

优势:

首先,MESH兼具无线AP和无线网桥的功能,所以同时具备AP和网桥的所有优势。

MESH WiFi(以***的产品为例),MESH AP MESH AP之间形成网状链路,缓解了数量众多的AP依赖有线网络回传的问题,方便了客户建设无线WiFi网络,相对于传统的WiFi AP产品,为客户提供了极大的部署便利;

WiFi产品的终端非常丰富,所有WiFi终端都可以接入MESH WiFi网络,所以终端多样化(PDA、无线网卡、CPE等多种形态),价格也比较便宜。

网状网络,网络可以无限延伸和扩大。

自带网络管理软件,可以随时查看网络上的任何信息。

支持高速移动,MESH节点移动速度可以达到200公里/小时而且没有切换之间的延时。

不需搭建高塔,利用各井之间的MESH网络连接,就可以搭建一个巨大的网络。工程成本低。

网络可以自组网,几乎不用调试,前期和后期的维护成本都很低。

劣势:

投资高,以大庆采油二厂部署的Mesh网络为例,有效覆盖面积2平方公里,如果全部覆盖采油二厂200平方公里的面积,需要近上亿的投资,客户认为该技术无法大规模推广。

大庆的油井是随机分布的,密度大,二厂拥有的油井超过1万口,实际情况是比较适合部署MESH。但大庆油田选用的产品为阿德利亚的Mesh,该产品在大庆使用过程中存在部分问题,因为阿德利亚公司的产品本身有问题,所以阿德利亚公司已于2008年金融危机中倒闭。


5McWiLL技术

McWiLL:多载波无线信息本地环,该技术是在上世纪90年的无线本地环(WLL)技术的基础上发展起来的,是WLL技术的升级,支持语音为主,同时还可以具有“亚宽带”的能力,是窄带WLL技术和宽带无线技术(WiMAX)之间的过渡技术,该技术起源于美国的Navini公司,在引进中国后进行了“变频”的研究开发,可以支持中国的专网频段,但是核心的技术五年来一直没有任何发展,实际上,Navini已经在4年前停止了对该产品的继续研究开发,而把精力放在了移动WiMAX的研发上。今年初,信威公司的大股东—大唐集团出售了其持有的股份,表明大唐集团已经对McWiLL失去了信心。我们认为投资McWiLL存在明显的技术风险,因为一家公司私有的技术无法带来产业界的支持,不可能大范围使用。

优势:

McWiLL采用专用技术和频率,提供系列化的终端产品,集成了调度平台、视频平台等,是一款适合数据采集应用的专用产品;

McWiLL采用智能天线技术、可以较好地提供语音业务,还可以提供一定的数据接入能力。

劣势:

标准和体制--McWiLL是私有的,不是标准化的技术,没有办法迅速地降低成本,无法形成规模效益,不利于长期的发展。技术演进更是不可能的,5年来技术核心部分没有任何改进和优化;

业务提供—McWiLL原则上是按照语音的需要设计开发的系统,数据是辅助的业务,视频业务只能支持高压缩的H.264格式;

带宽能力—McWiLL系统的信道是1MHz,通过5个信道的捆绑实现的“5MHz的信道”,不是真正的5MHz,带来的结果是每个CPE的信道是1MHz,上下行的总带宽理论上是3Mbps,实际的吞吐量是2Mbps左右,实际的上行带宽是400Kbps左右;

覆盖能力—McWiLL采用全向天线,增益较小,造成覆盖距离较短,另外全向天线无法调整俯仰角度,如果基站和CPE之间落差较大时,无线信号无法“飘在天上”,无法到达地面,盲区很多,长庆油田就会出现这样的情况;

成本优化—McWiLL采用私有的芯片,基站的成本无法降低,设备庞大,占地,耗电量巨大,即不经济也不绿色;

总结:McWiLL可以进行数据采集方面的应用,不适合宽带的应用。不适合大规模的部署,资金投入和带宽的产出比太差。


二、新一代无线通信技术与传统技术的综合比较

 

数传电台

GPRS/CDMA

无线网桥

Mesh WiFi

McWiLL

发展历史

20多年历史,在油田有大规模的成功应用

在油田有5~6年的应用,公众网把手机用户剩余的网络资源为油田服务

已经有10年应用历史,最早在军事上应用,后来转为民用,全世界有大量企业级的应用。

基于无线WiFi基础的技术,最近几年开始有大量应用

大唐信威公司专有技术,面向专网市场

无线技术标准

私有技术

公网GSM/CDM标准

无线局域网标准:802.11a/b/g/n

接入标准:无线局域网802.11a/b/g MESH标准

私有技术-McWiLL

使用无线频率

220-240MHz

800/900/1800MHz

 

5.8GHz为主2.4GHz为辅

 

2.45.8GHz

 

400/1800MHz

 

技术成熟度

成熟

成熟

成熟,国内外有大量应用

没有规模商用

技术成熟

通信距离

(有效距离)

几十公里

1~5公里,但是依靠蜂窝网络,形成广泛覆盖,油田的部分地区可能没有信号,如沙漠、海上等

典型有效距离20Km以内,点对点通过大天线可以达到30Km

网络节点间:

MESH 11a:十公里内,接入 11b/g200

McWiLL采用全向天线,制约了覆盖能力

接入方式

点对点,

企业级轮询技术

点对多点

TDMA电信级空口技术

点对点、点对多点

可以自由组合。

企业级轮询技术

点对多点

电信级私有空中接口

TDMA技术

支持80路数据并发

传输带宽

几百K

几十K

占用20MHz 载波单个产品最高产生20~50Mbps 吞吐量

占用20MHz 载波单个MESH提供70Mbps 吞吐量,

51MHz载波捆绑而成5MHz,,理论速度为15Mbps,实际吞吐量不超过10Mbps

技术优势

 

成熟

不需要建设专用网络

简单

网状连接,灵活组网

专网技术

设备成本

经济

经济

经济

设备单价不高,综合成本高

单价很高,综合成本稍高

工程成本

不高

架设简单,不需架设高塔,基本需要视距传输

不高

架设简单,不需要架设高塔,每个需要连接的井站架设设备就可以,支持非视距传输

稍高

基站架设复杂,基站数量少,

支持非视距传输

环保

低频,环保

 

国家标准的100mW

发射功率100-500mW

发射功率500mW-2000mW

维护成本

一般没有网络管理功能

每年要交维护费用

较高

稍高有网络管理系统

国家产业政策

支持

支持

开放频段

开放频段

专用频段

 

 

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