Mesh技术在苏里格气田的应用评价及发展方向

杨洋，张林，栾慷，马东

（1.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川　750006；2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安　710021）

Mesh技术在苏里格气田的应用评价及发展方向

杨洋1，张林2，栾慷2，马东2

（1.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川750006；2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安710021）

按照长庆油田数字化建设的目标，经过几年不懈努力，苏里格气田的数字化已初具规模。目前苏里格使用了大量的数传电台、但由于技术本身存在着一定的局限性，使通信问题成了不断发展的数字化建设中的瓶颈问题之一。

Mesh技术；苏里格气田；发展方向

1　前言

1.1Mesh网络

无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络［1，2］，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术，最早应用于军事通信。由Mesh routers（路由器）和Mesh clients（客户端）组成。在传统的无线局域网（WLAN）中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果需要连接的节点无法直接到达目标节点，而相邻的节点可以达到目标节点，那么数据可以自动重新路由到邻近节点进行中继转发传输。依此类推，直到数据包到达最终目的地为止。

1.2基于思想

同一个干管方向的单井群形成一个Mesh网通信集群，通过最优的LOS路径与中心站无线桥接，中心站经过油气田内部专网汇集到作业区或厂内指挥中心。施工时可以打破单井与中心站之间的上下逻辑或隶属关系，将所有单井在整个油气田区域整体考虑，就近形成路由关系，使用最佳路径或路由进行集群。基于Mesh无线接入网建成后，网络数据承载全部使用IP传输，原有基于本地总线的设备，如RS485/232串口的RTU，PLC等都通过IP虚拟串口实现汇聚。中心站基本汇聚点与各单井路由之间采用智能天线技术避免频率冲突和干扰，各站点之间使用自适应功率控制，确保通信质量的同时减少站与站之间的干扰。中心站使用6～8路智能天线作空间分集接收，提高无线信道的接收质量，抑制同频背景噪声。正常运行时，使用无线网桥基站集群管理软件实时监控各站的运行情况，如信道质量CCQ、平均传输速率、网络延时、路径损耗等通信参数，确保网络不间断健康运行。

1.3技术特点

由于单井分布比较集中，因此采用相邻最优的网络规划，避免了传统网桥对功率和传输距离的要求。受地形影响小，覆盖好＞95％单井区域。HD高清视频、高清图片720P-1080P，25帧/秒。数字井控数据冗余备份，巡井、预留报警接口等具有网管和自诊断功能，能快速显示出故障点，并作为故障分析提出依据。结构灵活，实现非视距传输（NLOS）高宽带，干扰小。整体性价比高，适合数字化长期发展需求和未来业务拓展需要。

2　Mesh网线网络技术的现场应用

2.1网络规划设计

通过安装前的实际地形分析情况，对所采用网桥的频率、天线模式、连接方式、跳转路线进行规划［3］。

卫星地图上测试集气站与单井A之间的无线网络分析（见图1），途中绿线表示通信效果良好，可以直接通信。在地图上直接可以估计出传输的距离、传输质量、最大速率、通信质量以及收发智能天线的选型与增益预测。

这是在单井B、单井A、单井C之间做的网络信号测试（见图2），由图2可以看出苏单井C与单井A之间虽然距离近，但是由于沙丘等因素影响，两井之间网络信号＜-80 db（两井之间为红线），所以网络信号是不通的。单井C与单井A之间距离远，但两井之间的网络信号收发达到了100％，质量88％（两井之间为蓝线）。

图1　卫星地图上测试集气站与单井A之间的无线网络分析

图2　单井B、单井A、单井C之间做的网络信号测试

图3　集气站与单井A之间接受信号情况

集气站与单井A之间接受信号情况（见图3），从图3中可以看出单井A距离集气站为7 585 m，收发效果为100％，质量为84％，最大带宽可以达到150 Mbps。2.2实际安装

利用单井现有的风光互补，通过POE对网桥和摄像机进行供电，在没有红外的情况下，满负载功耗不超过7 W。对现有的设备不产生影响。

3　运行状况分析

在集气站安装14口单井中随机选出5个井场进行数据分析。每天下午4点左右对5个井场的蓄电池电压和网桥、摄像机的回路电流进行测试，其中单井D场摄像头具有红外功能。经过一周的数据分析，网桥和摄像机的功耗基本满足井口电池的负荷，截止目前为止，集气站没有出现蓄电池因网桥和摄像机导致馈电现象发生。

经过半年的运行，各项指标（见表1）。

3.1安装简单建设成本大大低于其他同类产品

无需搭建中继铁塔，利用单井自身的分布实现网络覆盖，网桥和摄像机采用标准模块化安装，POE供电，施工简单、快捷。

由于不存在建塔和专用终端，也就少了许多多余的建设，除了前段网桥、天线就是中心站的搭建（见表2）。

表1　

表2　

3.2维护量低，半年运行故障井场有2座，故障率低于15％

设备具有SCS功能（自诊断、自维护），利用后台管理功能，对设备进行远程启动、数据拷贝等功能，最大程度减少了人员实际上井维护工作量。

3.3对其他公众频率不产生影响

由于采用了AIRMAX技术，同样2.3 G的频率对相同模式下工作的其他频段不产生影响。

3.4视频传输达到使用要求

通过对单井摄像机进行ping包测试，可以看出延时最大是7 ms，最小是2 ms，没有出现丢包现象，完全满足网路视频传输要求。

4　运行评价

（1）用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。在无线Mesh网络中，不是每个Mesh节点都需要有线电缆连接，这是它与点对点网桥最大的不同。

（2）无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。例如，在油气井数据传输应用中，大量地处低洼地势的单井，可以通过较高地势的单井站点进行中继，从而消除大部分无法LOS通信的盲区。

（3）在单跳网络中，设备必须共享AP或者AP必须与有线相连。如果同一个AP上的几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还允许使用冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh网络中，每个设备可以有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。

（4）无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh网络的优势所在。在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。

（5）每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。多跳网络可以使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量，而只需要较低的发射功率，极大地减少无线网络相邻用户间的相互干扰，大大提高信道的利用效率。

5　发展方向

（1）开发二次接口。当前网桥配置为2个网络接口，分别用于高清摄像机和井控数据接口（备用），最大能扩展到4个网口。

（2）满足语音通信使用要求。通过手机植入的拨号软件，在网桥覆盖的范围之内，通过网关和防火墙设置，对通话范围和网络浏览进行管理和限制，保证网络运行安全，此功能对于一些偏远和手机信号无法覆盖的井口，员工在井口作业能与作业区第一时间取得联系起到良好的作用，同时也为员工省下了话费。已在单井I场测试，效果良好。

（3）报警功能。由于采用了移动侦测报警，对静态和动态视频进行比对报警，由于受到大风干扰（自我晃动），使得报警促发变得不可控，误报率较高。

（4）设备从安装至今运行状态正常，现场最低温度只有零下10℃，往年最低温度为零下30℃左右，设备的抗低温效果还有待观察统计。

［1］王一.WLAN Mesh技术及应用探讨［J］.无线通信技术，2011，（2）：40-45.

［2］谭水，黄春晨，赵建国.无线Mesh技术及其在卫星应急通信报道系统中的应用［J］.数字通信世界，2012，（7）：19-21.

［3］崔永江.WLAN技术在油区的应用与优化［J］.中国管理信息化，2015，18（2）：70.

TN925.3

A

1673-5285（2016）08-0116-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.025

2016-07-06