文昌油田散射线路宽带接入改进方案
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【摘要】 中海油文昌油田采用对流层散射通信线路将海上油田局域网接入陆地油田基地主网,为解决系统运行初期出现的网络拥塞及后续的散射线路带宽分割、带宽扩容等问题,给出了相应的散射线路宽带接入方式的改进和调整方案。
【关键词】 油田网络散射通信宽带接入协议转换
对流层散射通信线路因为信道的衰落引起的随机错误及抖动要比光纤等有线信道及微波等恒参无线信道差,按照传统的有线网络设计方法将导致在接入电信网后造成网络性能下降,本文通过对文昌油田宽带散射线路接入陆地电信专线方式的改进,实现了海上油田局域网与陆地油田基地主网之间稳定的宽带数据通信。
1 油田网络散射线路概况
中海石油文昌油田位于海南省文昌东部距陆地约130公里的海面,文昌油田网络系统建设方案在综合考虑了油田所处地理位置、气候环境、通信距离、带宽需求及通信稳定的等各项指标,鉴于对流层散射通信具有在海上传播特性好的优点,较之陆地通信时能够获得大幅度的系统性能提升,与海底光缆、卫星通信相比具有成本低、效益高的优点[1],并有美国Comtech 公司研制的DTR91散射通信设备在美国、英国、澳大利亚、远东地区的多条200 km～300 km线路的岛屿间通信及岛屿、海上采油平台对岸通信中的广泛应用案例[2],确定利用国产GS504A型散射通信设备在海上平台与陆地之间建设对流层散射通信线路,分别在海上油田井口平台(平台站)和海南文昌(明月站)建设散射站,其中明月站利用现有电信机房,通过散射线路对接电信机房的电信专线后连接湛江的油田基地主网。
GS504A型对流层散射通信设备具备成熟制造工艺,它具有容量大(最高支持8Mbps速率)及优良的抗衰落、抗多径等性能,可保证这条散射通信线路的年传播可靠度达到99.9%以上(8Mbps速率,门限误码率1×10-5)[3]。GS504A设备接口按用户要求定制为符合ITU—T G.703标准的4路E1,并保留一路二次群接口;电信专线预留为4路E1接口,用于实现与散射线路对接。油田网络系统建设方案如（图1）所示。
油田网络按图1方案建成试运行后,海上油田访问基地主网及互联网实现了宽带接入,网络电视电话会议系统等应用陆续投入使用。但在网络使用过程中,发现偶尔有大规模的数据掉包现象,严重时造成油田至基地的网络拥塞以致完全中断,影响了整个网络的正常运行。
2 分析及改进措施
分别对平台路由器与基地路由器及中间的散射线路、电信专线进行观察、分析,发现在网络出现故障时散射通信线路有10-5量级突发误码。分析散射线路的运行状况,由于对流层散射信道本身属于典型的变参衰落信道,受所处地域气象变化的影响,误码的发生不可避免,大容量散射通信设备即便采用分集接收结合自适应均衡等技术改善系统性能,也不能完全消除受信道严重衰落造成的误码[4]。
进一步分析整个油田网络的建设方案,发现整个网络均按照有线网络设计,没有考虑网络中无线链路的特殊性。与有线网络相比,无线网络通常表现出误码率高、传输时延及时延抖动大、有限的链路带宽等特性,使网络通信性能和业务服务质量更难于保证,对流层散射信道相比于卫星、微波等恒参无线信道而言,传播条件就更加恶劣。在对网络拥塞的判断上面,在有线网络环境下,数据的传输成功率较高,此时报文的丢失主要是由于网络拥塞引起的,由报文的丢失就可以断定网络中发生了拥塞。而在无线链路的环境中,传输介质的可靠性相比有线电缆而言大大降低,对TCP性能影响最大的因素莫过于无线网络中存在的相对于有线网络的高误码率,链路的误码取代网络拥塞成为数后居包丢失的主要原因。
在图1的方案中,通过路由器内置的E1接口模块,与散射设备接口采用直接的4×2048kbps的4路E1分散接入方式,路由器工作在多路绑定工作方式,即路由器循环向4个E1通道发生、接收数据。这种平均分配工作模式在4个E1信道的传输性能很好且一致时如光纤等有线信道条件下,能够充分发挥其捆绑传输的功能,提供宽带的传输效率,具有传送时延短,较高的吞吐量,较低的丢包率等优点,应用效果很好。但由于E1接口模块没有专门的抖动衰减抑制电路,对E1信道传输的复杂性缺乏适应性,直接在散射线路中应用效果并不理想。散射信道属于典型的衰落、多径信道,抖动比光纤信道大得多,平均分配带宽策略的工作模式造成不能成功合帧的机率增加,使网络性能进一步恶化,反而不能起到带宽捆绑倍增的作用。在这条散射线路上的测试试验表明,接入的散射线路E1路数不超过2路时,只有很少的数据掉包,可保证网络通畅无拥塞、断网现象,当接入的散射线路E1路数超过2路时,大规模的数据掉包及网络拥塞、中断就会比较频繁的出现[6]。
通过分析造成数据掉包或网络拥塞、断网现象的原因,对文昌油田散射线路的接入方式进行了改进,由4路E1分散接入方式改为一路二次群(8448kbps)接入:将平台站路由器移至明月站,即将路由器设置在电信专线两端;散射设备以二次群作为对外接口,通过二次群——以太网协议转换器,将二次群接口转换为标准的RJ45网口后,在散射线路两端分别接入平台局域网交换机和明月站路由器,改进方案如（图2）所示。按改进方案实施后,网络数据大规模掉包及拥塞现象消除,由此整个网络正式进入了稳定运行阶段。
3 散射线路带宽分割及扩容
新文昌油田群处在文昌油田附近海域,在建成投产后需要从文昌油田分享散射线路带宽,即将现有的散射线路8448kbps带宽在散射设备端口上一分为二。考虑图2方案中二次群接入方式不能实现带宽平分,只能采用4路E1的接入方式,每个油田分配2路E1。为了避免初始建设方案中4路E1接入后大规模数据掉包、网络拥塞现象的发生,保证带宽分割后网络的工作稳定性,通过对多种E1网桥进行测试,选择抗抖动及容错性能较好的RAD RiCi-4E1协议转换器,每个协议转换器只接入2路E1线路,可保证带宽分割后网络平稳运行,实施方案如（图3）所示。
以散射线路为传输干线的文昌油田网络通过不断的完善和改进,运行日趋稳定,油田搭建在网络上的各种应用越来越丰富:包括已运行的网络电视电话会议系统、设备在线监测预警系统、专家支持系统等以及即将推进的三维油田模型数字系统、幽静电潜泵三维动态数据分析系统等更多更先进的应用,这就对散射通信线路带宽提出了扩容的要求。
通过对海上平台至明月站散射线路运行两年多以来电波传播特性分析,发现接收信号电平还具备较大余量,按散射信道传输速率16Mbps、门限误码率1×10-5计算,可保证这条散射通信线路的年传播可靠度达到99%以上,在此基础上,对散射设备进行了升级改造:更换散射设备调制解调器,支持最高传输速率16Mbps,同时针对散射设备与路由器之间多路E1接口直连造成网络不稳定的问题,将散射设备接口直接设计为两路独立的标准RJ-45以太网接口,每路对应散射线路8M带宽,省去了图3中的接口转换(协议转换器)环节,在提高散射线路带宽的同时,也保证了网络运行的稳定可靠。
4 结语
对流层散射超视距通信在300 km范围内的跨海通信应用方面,相比海底光缆、卫星通信在通信带宽、建设成本、可维护性等方面具有综合性优势;G.703/E1接口是军队系统、电力系统、金融机构、交易所、政府机关等大型国有系统中的传输网络最常用的接口标准,利用丰富的El资源来实现宽带以太网接入是实现宽带接入的一个切实可行的方向,大容量散射通信线路在文昌油田的应用中成功的接入电信网,进一步丰富了海上通信的技术方式,对散射通信在更广阔领域的推广应用具有很大的示范作用。
参考文献:
[1]刘圣民,熊兆飞编.对流层散射通信技术[M].北京:国防工业出版社,1982.
[2]叶天朝.DTR91散射通信设备在岛屿通信中的应用研究[J].无线电通信技术,2010,36(1):58-59.
[3]张明高.对流层散射传播[M].北京:电子工业出版社,2004.
[4]刘莹,董占强.大容量散射调制解调器设计方案探讨.无线电通信技术,2008,34(3):16-18.
[5]王绍林.无线和有线网络中的TCP性能改进方案[D].中国科学技术大学,2007.
[6]郭川.4×E1以太网网桥的进一步优化[D].电子科技大学,2004.