石油和天然气行业需要的网络

几十年来，石油和天然气行业依靠自己的电信网络。这些私人拥有、私人维护的网络用于管理日常业务和在危机时期协调紧急服务。

这些网络中的许多都是关键任务，使用的无线频谱部分要么是其他用户无法使用的，要么是其他行业不需要的。历史上，FCC通过频谱协调器提供了一些窄带频谱，以允许地理重用而不受干扰。这些低数据容量的网络越来越难以跟上物联网(IoT)技术的步伐。

此外，使用私人的、不拥挤的频谱部分是因为关键任务，如提供电力、生产和向公众提供能源、保护公民和应对灾难，需要清晰、可靠的通信渠道才能有效。然而，近年来，这些关键任务网络不断发展，纳入了边缘计算和物联网技术。新服务的部署导致了数据通信的指数级增长，并使许多现有基础设施的能力变得紧张。与此同时，实施和维护网络和物理安全的持续需求增加了关键任务网络的数据需求。

更现代化，更少干扰

如今，许多关键任务网络面临着双重挑战。首先，需要实现现代化。当前对实时数据、更接近网络边缘的复杂控制和监控以及高级安全的要求对基础设施提出了新的要求，而且往往超出了窄带网络的支持能力。

第二，需要确保高质量的沟通。许可频谱的某些部分——例如那些应急人员使用的频谱——仍然只用于它们的使用，因此不受干扰。其他部分，如石油和天然气行业使用的部分，由于分配的变化更加拥挤。传统上运行关键任务服务的频谱部分要么被重新分配给商业供应商，要么被其他用户访问。因此，他们会受到更多的干扰。

私人网络能满足需求吗?

由于关键任务服务要解决现代化的挑战，而且由于频谱紧张，不得不寻求信号干扰更小的替代方案，利用公共蜂窝网络的压力增加了，因为它们是可用的。用于关键任务服务的商业网络降低了资本成本，但涉及网络的所有其他决策都由服务提供商决定，包括如何分配频谱、技术升级和维护的时间表、如何确保可用性等等。

虽然商业网络供应商渴望在关键任务服务方面获得业务，并可能根据这些需求安排其产品，但它们的长期承诺影响其政策。例如，蜂窝技术支持优先级排序，这让网络运营商优先考虑关键任务通信，但目前的商业供应商没有利用这一功能。因此，在最需要的时候，消费者驱动的对流媒体等东西的需求会占用关键任务服务的带宽。

此外，当与公共蜂窝运营商合作时，商业网络通常不提供支持关键任务应用程序所需的性能水平。

严格的规定

油气行业在连通性方面不能妥协。他们处理比其他行业更严格的操作要求，他们的业务连续性驱动需要一个稳定和可预测的承诺网络。

通过运行自己的网络，油气运营商和其他关键业务服务商可以确定，他们在紧急情况下保持响应和有效的四个要素:可靠性、可用性、延迟和安全性。

可靠性:即使在农村或偏远地区进行传输和接收，与人员和设备的通信也需要畅通无阻，不受干扰。

可用性:关键网络无法承受停机时间。100%网络可用性的目标可能只能在理论上实现，但是对于今天的关键任务网络来说，一个标准是99.999%的可用性，这相当于每年5分钟的停机时间。很少有商业网络提供这种级别的可用性。即使99.99%的可用性(相当于每年52分钟的停机时间)也不是商业运营商及其公开可用的、以消费者为中心的网络产品所能提供的服务水平。

延迟:必须以极低的延迟率无延迟地发送到和从远程设备发送的控制和信令通信。当执行远程控制油气流量和设备等任务时，信号需要在几分之一秒内传输，但商业网络无法保证如此低的延迟率。

安全:安全和保护对于员工和公众来说都是最重要的，因为如果石油和天然气基础设施遭到任何形式的黑客攻击，都可能造成极端的伤害。网络访问需要受到限制，以确保只有授权人员才能进入网络，数据传输需要加密，以防止篡改、盗窃，或更糟的是，破坏或恐怖主义行为。

商用蜂窝网络不足

商业公共蜂窝网络无法提供关键任务服务所需的可靠性、可用性、延迟和安全性。商用蜂窝网络主要面向消费者市场，其资源主要集中在城市地区，那里的消费者使用高带宽连接。

虽然公共蜂窝网络可以应对短期停电和其他服务中断，但它们的准备程度不及关键任务网络。商业基站可能有备用电池，可以在现场运行4到8小时，或者能够连接到备用电源，而关键任务网络往往有现场发电机，可以在没有服务呼叫的情况下一次运行数天。许多站点都有冗余的回程路径或环，以提高数据在紧急情况下的可访问性，并在适当位置放置冗余的无线电硬件，以确保连续性。

现实世界的失败

近年来的自然灾害表明了依赖公共蜂窝网络提供关键任务服务的风险。2017年8月，热带风暴“哈维”在德克萨斯州登陆，55个县被宣布为灾区。暴雨和大风导致整个地区的手机中断。一些县的覆盖率下降了近95%。

然而，当地公用事业公司拥有、运营和维护一个私人陆地移动无线电系统，以及一个用于监视和控制设备的关键任务通信的私人网络，包括SCADA，在整个哈维期间保持了100%的通信可用性。它只在一个变电站发生过一次停电，这是由于大面积洪水造成的。

请注意，小区站点的中断通常是由于停电造成的。在停电和其他紧急情况下，任何依赖公共蜂窝网络进行通信的关键基础设施服务都将无法响应，因为蜂窝网络站点宕机意味着与现场人员和设备的通信将中断。也就是说，在停电期间使用的通信网络必须有可靠的备用电源。

私人许可的替代方案

由于与普通公众共享频谱的前景令人沮丧，关键任务服务正在扩大和加强私人网络，以获得所需的连接和覆盖。

专用网络在fcc保护的许可频谱上运行，以保持控制、安全和可靠性。然而，关键任务服务需要访问它们自己的私有许可频谱，以便在给定的频段和地理区域内使用。许可可以确保无线运营商不干扰彼此的传输，并为关键任务服务提供一个不受未经许可信道干扰的操作环境。

标准化的必要性

尽管专用网络对于关键业务行业至关重要，但包括油气在内的大多数运营商都无法获得足够的射频频谱，无法部署LTE或IEEE 802.16这两种最常见的无线技术。此外，LTE等标准是针对消费行业的。石油和天然气公司被迫安装专有通信网络，如果制造商倒闭或停产，它们将面临风险。然而，在2017年，一种更窄的信道标准技术被IEEE批准并发布。

IEEE 802.16年代是一个基层工作启动,因为电力公司和其他关键的产业正在寻找一个标准的技术使用在狭窄的通道乐队他们访问,通常在二级市场上购买如700 MHz频带,217 - 219 MHz, 1.4 GHz和其他人。这些频段没有足够的带宽来支持其他标准技术。LTE要求至少1.4 MHz带宽，IEEE 802.16要求至少1.25 MHz带宽。

IEEE 802.16s标准是专门为关键任务私有宽带无线市场设计的。它使用相对狭窄的信道大小(100 kHz至1.20 MHz)和长距离(例如，25英里及以上)提供数万兆的吞吐量，以最大限度地减少频谱采集和网络基础设施成本。

IEEE 802.16s针对关键任务的远程控制应用进行了优化，而不是针对消费者市场。许多关键任务应用(如SCADA)需要从远程设备(如井泵头)传输更多数据到主设备。这是一种反向不对称的数据流，几乎与消费者市场相反，消费者市场主要由从网络到远程设备的数据驱动。IEEE 802.16s通过采用时分双工(TDD)解决了这个问题，下行和上行的流量比高达1:10。

FDD与TDD

LTE和一些专有技术都是基于FDD的，因为频谱历来都是配对的。为了理解FDD和TDD之间的区别，可以把FDD想象成一条高速公路，进出城市的车道数量相同。在早高峰期间，所有进入城市的车道都堵塞了，交通因为拥堵而变得缓慢，而出城的车道几乎空无一人。如果可以配置一些车道，让更多的车道进入城市，这将更有效，因为在那个方向有更多的交通。TDD允许“交通车道”配置。您可以选择在每个方向上移动多少车道，从而更有效地利用射频频谱。当射频频谱有限时，这一点很重要，这是IEEE 802.16和IEEE 802.16s的基础。

虽然IEEE 802.16是一种高效无线技术的良好基础，但仍需要进行一些改变，以减少开销，以便能够传输更多的用户数据。标准可以是反向不对称的，为了上游比下游更大的吞吐量，这是大多数关键任务系统的功能。此外，它可以是对称的或不对称的，取决于系统需求。此外，该标准已提高了效率。

随着油气网络向网络边缘移动，通信网络的能力需要提高。这种高效、狭窄的信道标准使关键行业能够在私有、许可、安全的无线通信网络上部署关键任务应用程序。

这些通信网络可以管理各种石油和天然气操作，包括钻机、压力表、整流器、储罐监视器等。除了控制启动或停止泵等操作，这些网络还提供资产的实时监控，识别并最大限度地减少潜在的设备磨损或通信中断导致的故障。作业人员可以提高现场生产率，减少能源浪费和机器磨损。

雪佛龙已经在1.4 GHz频段测试了IEEE 802.16s无线电。它有望取代电话公司停止使用的点对点铜电路，以及用于井口监测和控制的点对多点选择。使用这种私人无线标准，主无线电可以与20英里以外的远程无线电通话。

”展望下一代的1.4 GHz齿轮,有前景的一个行业标准作为一个选项是激动人心的,特别是当新标准注入大量新技术,可以更有效地使用频谱,”弗雷德里克·史密斯表示,雪佛龙公司基础设施架构师。

更好的选择

一种私有的、许可的、标准的网络运营技术方法可以更好地控制关键服务的可用性和安全性，并为石油和天然气需求的智能应用奠定基础。

然而，或许更重要的是，私有授权网络让关键业务服务提供了行业所需的好处。通过在私人授权网络上运行关键服务，油气行业将在困难时期保持更安全、更有弹性。