杂志汇中国信息化

我国石油工业的“十一五”、“十二五”规划都明确提出了建设数字化油田、智能油田的目标。“建立以计算机技术、互联网技术、多信息融合技术，油藏地质数字模型为基础的”数字化油田。数字化油田建设的核心就是信息化建设，通过为油田建设一个“集管理、调度、监控、监视等功能为一体的信息化系统”，使得油气田作业及运行操作更加安全、有序、有效。

现青海油田通过示范工程一期和二期工程，已初步完成数字化油田的构建，成功建成基于TD-LTE技术的油田专网，基本满足了青海油田的生产业务需要。

在系统建设与应用期间，随着油田数字化理念的不断深入，各种数字化无线业务在油田开始逐步推广应用。为满足各项业务对无线传输带宽的更高要求，亟需研究利用TD-LTE新技术对专网容量进行提升，为进一步推动油气生产物联网项目建设扫清技术障碍。

一、TD-LTE无线通信技术介绍

1. TD-LTE关键技术

正交频分复用（OFDM）技术

智能天线技术（SA）

多输入多输出（MIMO）技术

2. TD-LTE无线通信技术优势

TD-LTE无线通信技术作为当前无线通信发展的主流技术之一，采用了正交频分复用（OFDM）、智能天线、波束赋形、多输入多输出（MIMO）等先进技术，主要优势如下：

（1）具有很高的数据传输速率。下行、上行传输速率分别可达100、50Mbps。

（2）采用扁平的网络结构，大大降低了传输时延，业务面传输时延小于5ms。

（3）实现真正的无缝漫游。

（4）高度智能化的网络。

（5）良好的覆盖性能。

（6）基于IP的网络。

（7）实现不同QoS的业务。

二、油田TD-LTE无线专网新需求和产品方案设计

1. TD-LTE无线专网容量提升需求

随着油田数字化理念的不断深入，各种数字化无线业务在油田开始应用，如对关键区域的无线视频监控业务、无线多媒体集群对讲业务、企业移动办公业务、油井巡检业务、远程诊断协助业务，等等。这些业务大多需要占用较高的传输带宽，尤其是需要占用很高的上行传输带宽。为满足各项业务对无线传输容量的更高要求，需研究利用TD-LTE新技术对专网容量进行提升。

2. TD-LTE无线专网容量提升方案

TD-LTE有4个业务时隙，公网应用以上下时隙配比1:3为主。而油田的业务以上行业务为主，因此需要进一步引入3GPP合作组织的新特性以提升上行业务带宽。提升手段包括配置上下行时隙配比支持3:1或2:2、启用上行MU-MIMO特性。

当上下行时隙配比为2：2时，开启上行MU-MIMO特性对上行传输带宽提升效果明显；当上下行时隙配比为3：1时，上行MU-MIMO对上行传输带宽提升效果较差。因此，可以采用以下两种方案提升上行业务带宽：

（1）配置上下时隙配比为3：1，不启动MU-MIMO特性；

（2）配置上下时隙配比为2：2，同时启用M UMIMO特性。

可以根据油田的实际情况，灵活采用上述两种方案，提升上行业务带宽。

因公网用户一般下行业务远多于上行业务，对下行带宽的需求也远高于对上行带宽的需求，因此公网产品一般不会采用配置0的时隙配比方式，也无需启用上行MUMIMO特性。也正是因为该原因，对这两个特性的研究、测试、应用都不够充分。

为满足油田需要，我们在充分研究3GPP的相关特性和关键技术的基础上，成功研制了适用于行业用户的新型的核心网、基站及终端产品，在这些行业专网产品上完整地实现了上行MU-MIMO特性和支持时隙配比配置0（3U：1D）的配置方式，经实验室测试和外场测试，新研制产品对系统上行带宽性能提高达到了预期的设计目标。

三、油田TD-LTE无线专网系统关键技术研究

1. TD-LTE无线专网上行MU-MIMO特性关键技术

（1）上行MU-MIMO的基本原理

上行多用户MIMO是指利用空间不相关特性使多个用户在相同的时频资源位置上传输各自的数据流。来自不同终端发送的数据流占用相同的时频资源，从基站看，就如同接收从同一个“虚拟终端”的多个数据流一样，从而构成了一个虚拟MIMO系统，如下图所示。采用多用户MIMO可以有效提升小区的平均吞吐量。

上行MU-MIMO的示意图

（2）上行MU-MIMO实现的关键技术

上行MU-MIMO的实现主要包括MU-MIMO的配对算法，主要根据两个用户的信噪比、接收功率和信道相关性三个因素来判断用户是否可以进行配对，具体如下：

根据待配对用户的等效信噪比，判断用户信噪比因素是否满足配对条件；

根据待配对用户的接收功率，判断接收功率是否满足配对条件；

根据待配对用户的波达角DOA，判断信道相关性满足配对条件。

只有当待配对用户的接收信噪比、接收功率和信道相关性三个因素都满足配对条件时，不同用户才能配对成功。

2.TD-LTE 上下行时隙配置关键技术

相对于FDD系统，TDD系统可以更灵活地配置具体的上下行资源比例。时隙配置如下图：

TD-LTE上下行时隙配置表

与LTE-FDD相比，TD-LTE可灵活配置时隙比例的特性，对于行业应用领域具有独特的优势。一般来说，公网系统用户对于下行传输带宽的需求大大高于上行传输带宽，其对下行和上行传输带宽比例一般为4:1到7:1。对于行业用户则非常不同，如对于油田应用，以生产数据传输、视频监控、智能巡检等多项业务均以上行业务为主，而语音、视频通话等业务上下行带宽需求则基本为1:1，因此总体来说，行业应用领域对上行传输带宽的需求远高于下行传输带宽。利用TD-LTE时隙配比可配置的特性，公网采用配置2（1U:3D），而专网则可采用配置0（3U:1D）或配置1（2U:2D）。

四、测试和验证

1. 测试目的和项目

采用支持3U1D时隙配比特性和MU-MIMO特性的TD-LTE 1.8G核心网、基站、终端设备，测试青海油田采油一厂油砂山无线通信系统在不同子帧配比情况下的上行传输容量，及开启上行MU-MIMO功能对上行传输容量的提升效果，为后期勘察及建设提供可靠性参考。

2. 系统测试内容

在测试区域分别选取无线信号非常好、一般和较差三类典型地点（分别简称为好点、中点、差点），分别设置子帧配比为2U：2D和3U：1D进行测试，在2U：2D配置下又分为关闭和开启上行MIMO，测试方式为FTP下载观察其稳定的峰值速率。

3. 测试结果

4. 分析和结论

通过对上述好点、中点、差点在各个子帧配比及是否开启上行MIMO情况下的峰值速率测试，可得出以下结论：

（1）子帧配比配置为2U：2D模式，开启上行MIMO后，好点、中点、差点的上行峰值速率比关闭上行MIMO后峰值速率分别提升了56.2%、25.8%和65%，达到预期效果，下行峰值速率变化不大；

（2）子帧配比配置调整为为3U：1D模式，好点、中点、差点的上行峰值速率相比2U：2D模式分别提升了94.2%、118.6%和35.3%，下行峰值速率在好点和中点分别下降41.7%、31.3%，在差点则上升34%。均不开启上行MIMO。

结论：现场测试的结果与理论分析基本吻合，经测试：

a. 在子帧配比为2U：2D模式下开启上行MIMO可有效提升小区上行传输吞吐，且对下行传输吞吐基本没有影响。

b. 将子帧配比调整为3U：1D可有效提升小区上行传输吞吐，但对下行传输吞吐有一定的影响。考虑到油田业务主要为上行业务，下行传输速率一定程度的降低对油田应用影响不大。

c. 在子帧配比为2U：2D模式下开启上行MIMO或将子帧配比配置为3U：1D均可有效提升小区上行传输吞吐。

五、总结与展望

根据油田信息化建设的现状和长期目标，建设和推广基于TD-LTE无线通信技术的数字化油田产品，对油田的安全和高效生产具有十分重要的意义。

在青海油田部分采油厂启用MU-MIMO的新特性，在部分采油厂将时隙配比配置为3上行：1下行，为各个作业区提供了更高的传输带宽，为进一步丰富油田的数字化应用提供了良好的基础。

在青海油田数字化油田建设过程中，对TD-LTE技术的新内容和新特性进行了深入的研究，通过网络优化和新特性部署，使青海油田无线专网的关键性能和指标有了很大的提高，为青海油田成功构建了一个技术领先、功能专业、性能优良、高度集成、面向行业应用的TD-LTE无线宽带生产管理系统，对于其它的石油企业，必将产生很大的示范作用。

本项目所研制开发的系统在油田成功部署和推广应用之后，我们还将面向炼化、海油、煤炭、核电、风电等行业应用，深入了解这些领域的发展需求，使得成熟先进的通信、互联网及其它信息技术能够尽早成功应用到涉及国家安全的重要战略行业领域，为这些行业的数字化和智能化建设提供更强、更高、更先进的技术保障。

作者单位：中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司