幾十年來(lái)，石油和天然氣行業(yè)一直依賴自己的電信網(wǎng)絡(luò)。這些私有、私人維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)用于管理日常運(yùn)營(yíng)并在危機(jī)時(shí)刻協(xié)調(diào)應(yīng)急服務(wù)。這些網(wǎng)絡(luò)中有許多都是任務(wù)關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)，它們使用的無(wú)線頻譜部分要么對(duì)其他用戶不可用，要么其他行業(yè)不想要。從歷史上看，F(xiàn)CC 已通過(guò)頻譜協(xié)調(diào)器提供一些窄帶頻譜，以便在不受干擾的情況下進(jìn)行地理重用。這些低數(shù)據(jù)容量網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越難以跟上物聯(lián)網(wǎng)軟件開(kāi)發(fā)(IoT) 技術(shù)的發(fā)展。

此外，之所以使用私有、不擁擠的頻譜部分，是因?yàn)殛P(guān)鍵任務(wù)（如供電、生產(chǎn)和向公眾提供能源、保護(hù)公民和應(yīng)對(duì)災(zāi)難）需要清晰、可靠的通信渠道才能有效。然而，近年來(lái)，這些關(guān)鍵任務(wù)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，納入了邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。新服務(wù)的部署導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并使許多現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的容量不堪重負(fù)。同時(shí)，持續(xù)實(shí)施和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)和物理安全的需求也增加了關(guān)鍵任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)需求。

更加現(xiàn)代化，更少干擾

當(dāng)今許多關(guān)鍵任務(wù)網(wǎng)絡(luò)面臨雙重挑戰(zhàn)。首先，需要進(jìn)行現(xiàn)代化改造。當(dāng)今對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的復(fù)雜控制和監(jiān)控以及高級(jí)別安全性的要求對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的要求，而且往往超出了窄帶網(wǎng)絡(luò)所能支持的范圍。

其次是需要確保通信質(zhì)量。授權(quán)頻譜的某些部分（例如急救人員使用的頻譜）仍專供他們使用，因此不會(huì)受到干擾。其他部分（例如石油和天然氣行業(yè)使用的頻譜）由于分配變化而更加擁擠。傳統(tǒng)上運(yùn)行關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的頻譜部分要么被重新分配給商業(yè)提供商，要么可供其他用戶使用。因此，它們受到的干擾增加。

私有網(wǎng)絡(luò)能滿足需求嗎？

隨著任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)應(yīng)對(duì)現(xiàn)代化挑戰(zhàn)，并因頻譜緊縮而被迫尋找信號(hào)干擾較少的替代方案，利用公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)的壓力也隨之增加，因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)可用。任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)降低了資本成本，但涉及網(wǎng)絡(luò)的所有其他決策都由服務(wù)提供商決定，包括如何分配頻譜、技術(shù)升級(jí)和維護(hù)的時(shí)間表、如何確?？捎眯缘?。

雖然商業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供商渴望在關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)領(lǐng)域獲得業(yè)務(wù)，并可能根據(jù)這些需求構(gòu)建其產(chǎn)品，但他們的長(zhǎng)期承諾會(huì)影響其政策。例如，蜂窩技術(shù)支持優(yōu)先級(jí)，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以優(yōu)先處理關(guān)鍵任務(wù)通信，但當(dāng)今的商業(yè)提供商并未利用此功能。因此，消費(fèi)者對(duì)流媒體等內(nèi)容的需求在最需要時(shí)奪走了關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的帶寬。

此外，當(dāng)與公共蜂窩提供商合作時(shí)，商業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常無(wú)法提供支持關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序所需的性能水平。

嚴(yán)格要求

石油和天然氣行業(yè)在連接性方面不能妥協(xié)。與其他行業(yè)相比，石油和天然氣行業(yè)的運(yùn)營(yíng)要求更為嚴(yán)格，其業(yè)務(wù)連續(xù)性驅(qū)動(dòng)因素需要穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的專用網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)運(yùn)行自己的網(wǎng)絡(luò)，石油和天然氣運(yùn)營(yíng)商及其他關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)可以確保他們擁有在緊急情況下保持響應(yīng)和有效所需的四個(gè)要素：可靠性、可用性、延遲和安全性。

可靠性：即使傳輸和接收發(fā)生在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，人員和設(shè)備的通信也需要暢通無(wú)阻，不受干擾。

可用性：關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)不能承受停機(jī)時(shí)間。100% 網(wǎng)絡(luò)可用性的目標(biāo)可能僅在理論上可實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)今任務(wù)關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)是 99.999% 的可用性，相當(dāng)于每年停機(jī) 5 分鐘。很少有商業(yè)網(wǎng)絡(luò)能提供這種級(jí)別的可用性。即使是 99.99% 的可用性，相當(dāng)于每年停機(jī) 52 分鐘，也不是商業(yè)運(yùn)營(yíng)商及其面向消費(fèi)者的公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品所提供的服務(wù)水平。

延遲： 遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送和接收的控制和信號(hào)通信必須以極低的延遲率無(wú)延遲地傳輸。在執(zhí)行遠(yuǎn)程控制石油或天然氣流量和設(shè)備等任務(wù)時(shí)，信號(hào)需要在幾分之一秒內(nèi)傳輸，但商業(yè)網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)無(wú)法保證延遲率如此之低。

安全： 安全和保護(hù)對(duì)于員工和公眾來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要，因?yàn)槿绻秃吞烊粴饣A(chǔ)設(shè)施以任何方式遭到黑客攻擊，都可能造成極大危害。需要限制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)，以確保只有授權(quán)人員才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，并且數(shù)據(jù)傳輸需要加密，以防止篡改、盜竊，或者更糟的是，破壞或恐怖主義行為。

商業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)存在不足

商業(yè)公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)所需的可靠性、可用性、延遲性和安全性。商業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要面向消費(fèi)者市場(chǎng)，其大部分資源集中在城市地區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)的消費(fèi)者使用高帶寬連接。

雖然公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)對(duì)短期停電和其他服務(wù)中斷，但它們的準(zhǔn)備程度不如任務(wù)關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)。商業(yè)基站可能在現(xiàn)場(chǎng)配備備用電池，可運(yùn)行 4 到 8 小時(shí)，或能夠連接到備用電源，而任務(wù)關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)往往在現(xiàn)場(chǎng)配備發(fā)電機(jī)，可連續(xù)運(yùn)行數(shù)天而無(wú)需服務(wù)電話。許多站點(diǎn)都有冗余回程路徑或環(huán)路，以在緊急情況下提高站點(diǎn)的數(shù)據(jù)可訪問(wèn)性，并安裝冗余無(wú)線電硬件以確保連續(xù)性。

現(xiàn)實(shí)世界的失敗

近年來(lái)的自然災(zāi)害清楚地表明了依賴公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。2017 年 8 月，熱帶風(fēng)暴哈維登陸德克薩斯州，55 個(gè)縣被宣布為災(zāi)區(qū)。暴雨和強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致整個(gè)地區(qū)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中斷。一些縣的覆蓋率損失接近 95%。

然而，當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)公司擁有、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)著一套私人陸地移動(dòng)無(wú)線電系統(tǒng)，以及一套用于監(jiān)控和控制設(shè)備（包括 SCADA）的關(guān)鍵任務(wù)通信專用網(wǎng)絡(luò)，因此在整個(gè)颶風(fēng)哈維期間，該公用事業(yè)公司的通信可用性達(dá)到 100%。該公司只在一個(gè)變電站發(fā)生過(guò)一次因大面積洪水而導(dǎo)致的停電。

請(qǐng)注意，基站中斷通常是由于停電造成的。任何依賴公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)在停電和其他緊急情況下都將無(wú)法響應(yīng)，因?yàn)榛局袛嘁馕吨c現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備的通信中斷。也就是說(shuō)，用于停電期間的通信網(wǎng)絡(luò)必須具有可靠的備用電源。

私人許可的替代方案

由于對(duì)與公眾共享頻譜的前景感到沮喪，關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)正在擴(kuò)展和增強(qiáng)私有網(wǎng)絡(luò)，以獲得所需的連接和覆蓋范圍。

私有網(wǎng)絡(luò)在受 FCC 保護(hù)的授權(quán)頻譜中運(yùn)行，以保持控制、安全性和可靠性。但是，任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)需要訪問(wèn)自己的私有授權(quán)頻譜，以便在給定的頻段和地理區(qū)域內(nèi)使用。授權(quán)可確保無(wú)線運(yùn)營(yíng)商不會(huì)干擾彼此的傳輸，并為任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)提供一個(gè)不受未授權(quán)信道干擾的運(yùn)行環(huán)境。

需要標(biāo)準(zhǔn)化

雖然私有網(wǎng)絡(luò)對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)行業(yè)至關(guān)重要，但大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商（包括石油和天然氣運(yùn)營(yíng)商）都無(wú)法獲得足夠的射頻 (RF) 頻譜來(lái)部署 LTE 或 IEEE 802.16 等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（這兩種無(wú)線技術(shù)最為常見(jiàn)）。此外，LTE 等標(biāo)準(zhǔn)適用于消費(fèi)行業(yè)。石油和天然氣公司被迫安裝專有通信網(wǎng)絡(luò)，如果制造商倒閉或停產(chǎn)某條產(chǎn)品線，它們就會(huì)面臨風(fēng)險(xiǎn)。然而，2017 年，IEEE 批準(zhǔn)并發(fā)布了一項(xiàng)更窄的信道標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

IEEE 802.16s 是一項(xiàng)草根性努力的成果，因?yàn)殡娏竞推渌P(guān)鍵任務(wù)行業(yè)正在尋找一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于他們所訪問(wèn)的窄帶信道，這些窄帶通常在二級(jí)市場(chǎng)上購(gòu)買，例如 700 MHz A 頻段、217 – 219 MHz、1.4 GHz 等。這些頻段沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)支持其他標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。LTE 至少需要 1.4 MHz 的帶寬，而 IEEE 802.16 至少需要 1.25 MHz 的帶寬。

IEEE 802.16s 標(biāo)準(zhǔn)專為任務(wù)關(guān)鍵型私人寬帶無(wú)線市場(chǎng)而設(shè)計(jì)。它使用相對(duì)較窄的信道大?。?00 kHz 至 1.20 MHz 之間）和長(zhǎng)距離（例如 25 英里及以上）提供多兆位吞吐量，以最大限度地降低頻譜獲取和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成本。

IEEE 802.16s 針對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型遠(yuǎn)程控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，而非針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)。許多任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用（如 SCADA）需要更多數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程設(shè)備（如井泵頭）傳輸?shù)街髟O(shè)備。這是一種反向非對(duì)稱數(shù)據(jù)流，與消費(fèi)市場(chǎng)幾乎相反，后者主要由從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。IEEE 802.16s 通過(guò)采用時(shí)分雙工 (TDD) 解決了這個(gè)問(wèn)題，下行鏈路與上行鏈路的流量比高達(dá) 1:10。

FDD 與 TDD

由于頻譜歷來(lái)是成對(duì)的，因此 LTE 和幾種專有技術(shù)都基于 FDD。要理解 FDD 和 TDD 之間的區(qū)別，可以將 FDD 想象成一條高速公路，進(jìn)出城市的車道數(shù)量相同。在早高峰，所有進(jìn)城的車道都擁堵不堪，交通擁堵導(dǎo)致車流變慢，而出城的車道則大多空置。如果可以配置其中一些車道，讓更多車道進(jìn)入城市，因?yàn)樵摲较虻能嚵髁扛螅敲葱蕰?huì)更高。TDD 允許這種“車道”配置。您可以選擇每個(gè)方向有多少車道移動(dòng)，從而更有效地利用 RF 頻譜。當(dāng) RF 頻譜有限時(shí)，這一點(diǎn)很重要，也是 IEEE 802.16 和 IEEE 802.16s 的基礎(chǔ)。

雖然 IEEE 802.16 是高效無(wú)線技術(shù)的良好基礎(chǔ)，但需要進(jìn)行修改以減少開(kāi)銷，從而傳輸更多用戶數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)可以是反向非對(duì)稱的，以便上行吞吐量大于下行吞吐量，這是大多數(shù)關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的工作方式。此外，它可以是對(duì)稱的或非對(duì)稱的，具體取決于系統(tǒng)要求。此外，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)變得更加高效。

隨著石油和天然氣網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)邊緣發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)能力需要提升。這種高效、更窄的信道標(biāo)準(zhǔn)使關(guān)鍵行業(yè)能夠在私有、授權(quán)、安全的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上部署關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序。

這些通信網(wǎng)絡(luò)可以管理各種石油和天然氣作業(yè)，包括鉆機(jī)、壓力表、整流器、油箱監(jiān)控器等。除了控制啟動(dòng)或停止泵等操作外，這些網(wǎng)絡(luò)還提供資產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，識(shí)別并盡量減少因磨損或通信中斷而導(dǎo)致的潛在設(shè)備故障。操作員可以提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)力并減少能源浪費(fèi)和機(jī)器磨損。

雪佛龍已在 1.4 GHz 頻段測(cè)試了 IEEE 802.16s 無(wú)線電。它有望取代電話公司正在停止使用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)銅纜線路，并可用于井口監(jiān)控和控制的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)選項(xiàng)。使用這種專用無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，主無(wú)線電可以與 20 英里以外的遠(yuǎn)程無(wú)線電進(jìn)行通話。

雪佛龍基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)師弗雷德里克·史密斯 (Fredrick Smith) 表示：“當(dāng)我們展望下一代 1.4 GHz 設(shè)備時(shí)，擁有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為選擇的前景是令人興奮的，特別是當(dāng)新標(biāo)準(zhǔn)注入了大量新技術(shù)，可以更有效地利用頻譜時(shí)?！?/p>

更好的選擇

私有的、許可的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)方法可以更好地控制關(guān)鍵服務(wù)的可用性和安全性，并為石油和天然氣所需的智能應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

但或許更重要的是，私有授權(quán)網(wǎng)絡(luò)讓關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)能夠?yàn)樾袠I(yè)帶來(lái)所需的好處。通過(guò)在私有授權(quán)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)，石油和天然氣行業(yè)在困難時(shí)期將保持更安全、更具彈性。