幾十年來，石油和天然氣行業(yè)一直依賴自己的電信網(wǎng)絡。這些私有、私人維護的網(wǎng)絡用于管理日常運營并在危機時刻協(xié)調(diào)應急服務。這些網(wǎng)絡中有許多都是任務關鍵型網(wǎng)絡，它們使用的無線頻譜部分要么對其他用戶不可用，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行地理重用。這些低數(shù)據(jù)容量網(wǎng)絡越來越難以跟上物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)(IoT) 技術的發(fā)展。

此外，之所以使用私有、不擁擠的頻譜部分，是因為關鍵任務（如供電、生產(chǎn)和向公眾提供能源、保護公民和應對災難）需要清晰、可靠的通信渠道才能有效。然而，近年來，這些關鍵任務網(wǎng)絡不斷發(fā)展，納入了邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)技術。新服務的部署導致數(shù)據(jù)通信呈指數(shù)級增長，并使許多現(xiàn)有基礎設施的容量不堪重負。同時，持續(xù)實施和維護網(wǎng)絡和物理安全的需求也增加了關鍵任務網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)需求。

更加現(xiàn)代化，更少干擾

當今許多關鍵任務網(wǎng)絡面臨雙重挑戰(zhàn)。首先，需要進行現(xiàn)代化改造。當今對實時數(shù)據(jù)、靠近網(wǎng)絡邊緣的復雜控制和監(jiān)控以及高級別安全性的要求對基礎設施提出了新的要求，而且往往超出了窄帶網(wǎng)絡所能支持的范圍。

其次是需要確保通信質(zhì)量。授權頻譜的某些部分（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)上運行關鍵任務服務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)絡能滿足需求嗎？

隨著任務關鍵型服務應對現(xiàn)代化挑戰(zhàn)，并因頻譜緊縮而被迫尋找信號干擾較少的替代方案，利用公共蜂窩網(wǎng)絡的壓力也隨之增加，因為這些網(wǎng)絡可用。任務關鍵型服務的商業(yè)網(wǎng)絡降低了資本成本，但涉及網(wǎng)絡的所有其他決策都由服務提供商決定，包括如何分配頻譜、技術升級和維護的時間表、如何確?？捎眯缘?。

雖然商業(yè)網(wǎng)絡提供商渴望在關鍵任務服務領域獲得業(yè)務，并可能根據(jù)這些需求構建其產(chǎn)品，但他們的長期承諾會影響其政策。例如，蜂窩技術支持優(yōu)先級，使網(wǎng)絡運營商可以優(yōu)先處理關鍵任務通信，但當今的商業(yè)提供商并未利用此功能。因此，消費者對流媒體等內(nèi)容的需求在最需要時奪走了關鍵任務服務的帶寬。

此外，當與公共蜂窩提供商合作時，商業(yè)網(wǎng)絡通常無法提供支持關鍵任務應用程序所需的性能水平。

嚴格要求

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)的運營要求更為嚴格，其業(yè)務連續(xù)性驅(qū)動因素需要穩(wěn)定且可預測的專用網(wǎng)絡。

通過運行自己的網(wǎng)絡，石油和天然氣運營商及其他關鍵任務服務可以確保他們擁有在緊急情況下保持響應和有效所需的四個要素：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)村或偏遠地區(qū)，人員和設備的通信也需要暢通無阻，不受干擾。

可用性：關鍵網(wǎng)絡不能承受停機時間。100% 網(wǎng)絡可用性的目標可能僅在理論上可實現(xiàn)，但當今任務關鍵型網(wǎng)絡的標準是 99.999% 的可用性，相當于每年停機 5 分鐘。很少有商業(yè)網(wǎng)絡能提供這種級別的可用性。即使是 99.99% 的可用性，相當于每年停機 52 分鐘，也不是商業(yè)運營商及其面向消費者的公開網(wǎng)絡產(chǎn)品所提供的服務水平。

延遲： 遠程設備發(fā)送和接收的控制和信號通信必須以極低的延遲率無延遲地傳輸。在執(zhí)行遠程控制石油或天然氣流量和設備等任務時，信號需要在幾分之一秒內(nèi)傳輸，但商業(yè)網(wǎng)絡永遠無法保證延遲率如此之低。

安全： 安全和保護對于員工和公眾來說都至關重要，因為如果石油和天然氣基礎設施以任何方式遭到黑客攻擊，都可能造成極大危害。需要限制對網(wǎng)絡的訪問，以確保只有授權人員才能進入網(wǎng)絡，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)絡存在不足

商業(yè)公共蜂窩網(wǎng)絡無法提供關鍵任務服務所需的可靠性、可用性、延遲性和安全性。商業(yè)蜂窩網(wǎng)絡主要面向消費者市場，其大部分資源集中在城市地區(qū)，因為這些地區(qū)的消費者使用高帶寬連接。

雖然公共蜂窩網(wǎng)絡可以應對短期停電和其他服務中斷，但它們的準備程度不如任務關鍵型網(wǎng)絡。商業(yè)基站可能在現(xiàn)場配備備用電池，可運行 4 到 8 小時，或能夠連接到備用電源，而任務關鍵型網(wǎng)絡往往在現(xiàn)場配備發(fā)電機，可連續(xù)運行數(shù)天而無需服務電話。許多站點都有冗余回程路徑或環(huán)路，以在緊急情況下提高站點的數(shù)據(jù)可訪問性，并安裝冗余無線電硬件以確保連續(xù)性。

現(xiàn)實世界的失敗

近年來的自然災害清楚地表明了依賴公共蜂窩網(wǎng)絡提供關鍵任務服務的風險。2017 年 8 月，熱帶風暴哈維登陸德克薩斯州，55 個縣被宣布為災區(qū)。暴雨和強風導致整個地區(qū)的蜂窩網(wǎng)絡中斷。一些縣的覆蓋率損失接近 95%。

然而，當?shù)毓檬聵I(yè)公司擁有、運營和維護著一套私人陸地移動無線電系統(tǒng)，以及一套用于監(jiān)控和控制設備（包括 SCADA）的關鍵任務通信專用網(wǎng)絡，因此在整個颶風哈維期間，該公用事業(yè)公司的通信可用性達到 100%。該公司只在一個變電站發(fā)生過一次因大面積洪水而導致的停電。

請注意，基站中斷通常是由于停電造成的。任何依賴公共蜂窩網(wǎng)絡進行通信的關鍵基礎設施服務在停電和其他緊急情況下都將無法響應，因為基站中斷意味著與現(xiàn)場人員和設備的通信中斷。也就是說，用于停電期間的通信網(wǎng)絡必須具有可靠的備用電源。

私人許可的替代方案

由于對與公眾共享頻譜的前景感到沮喪，關鍵任務服務正在擴展和增強私有網(wǎng)絡，以獲得所需的連接和覆蓋范圍。

私有網(wǎng)絡在受 FCC 保護的授權頻譜中運行，以保持控制、安全性和可靠性。但是，任務關鍵型服務需要訪問自己的私有授權頻譜，以便在給定的頻段和地理區(qū)域內(nèi)使用。授權可確保無線運營商不會干擾彼此的傳輸，并為任務關鍵型服務提供一個不受未授權信道干擾的運行環(huán)境。

需要標準化

雖然私有網(wǎng)絡對于關鍵任務行業(yè)至關重要，但大多數(shù)運營商（包括石油和天然氣運營商）都無法獲得足夠的射頻 (RF) 頻譜來部署 LTE 或 IEEE 802.16 等標準技術（這兩種無線技術最為常見）。此外，LTE 等標準適用于消費行業(yè)。石油和天然氣公司被迫安裝專有通信網(wǎng)絡，如果制造商倒閉或停產(chǎn)某條產(chǎn)品線，它們就會面臨風險。然而，2017 年，IEEE 批準并發(fā)布了一項更窄的信道標準技術。

IEEE 802.16s 是一項草根性努力的成果，因為電力公司和其他關鍵任務行業(yè)正在尋找一種標準技術，用于他們所訪問的窄帶信道，這些窄帶通常在二級市場上購買，例如 700 MHz A 頻段、217 – 219 MHz、1.4 GHz 等。這些頻段沒有足夠的帶寬來支持其他標準技術。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 標準專為任務關鍵型私人寬帶無線市場而設計。它使用相對較窄的信道大?。?00 kHz 至 1.20 MHz 之間）和長距離（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)絡基礎設施成本。

IEEE 802.16s 針對任務關鍵型遠程控制應用進行了優(yōu)化，而非針對消費市場。許多任務關鍵型應用（如 SCADA）需要更多數(shù)據(jù)從遠程設備（如井泵頭）傳輸?shù)街髟O備。這是一種反向非對稱數(shù)據(jù)流，與消費市場幾乎相反，后者主要由從網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程設備的數(shù)據(jù)驅(qū)動。IEEE 802.16s 通過采用時分雙工 (TDD) 解決了這個問題，下行鏈路與上行鏈路的流量比高達 1:10。

FDD 與 TDD

由于頻譜歷來是成對的，因此 LTE 和幾種專有技術都基于 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，進出城市的車道數(shù)量相同。在早高峰，所有進城的車道都擁堵不堪，交通擁堵導致車流變慢，而出城的車道則大多空置。如果可以配置其中一些車道，讓更多車道進入城市，因為該方向的車流量更大，那么效率會更高。TDD 允許這種“車道”配置。您可以選擇每個方向有多少車道移動，從而更有效地利用 RF 頻譜。當 RF 頻譜有限時，這一點很重要，也是 IEEE 802.16 和 IEEE 802.16s 的基礎。

雖然 IEEE 802.16 是高效無線技術的良好基礎，但需要進行修改以減少開銷，從而傳輸更多用戶數(shù)據(jù)。該標準可以是反向非對稱的，以便上行吞吐量大于下行吞吐量，這是大多數(shù)關鍵任務系統(tǒng)的工作方式。此外，它可以是對稱的或非對稱的，具體取決于系統(tǒng)要求。此外，該標準已經(jīng)變得更加高效。

隨著石油和天然氣網(wǎng)絡向網(wǎng)絡邊緣發(fā)展，通信網(wǎng)絡能力需要提升。這種高效、更窄的信道標準使關鍵行業(yè)能夠在私有、授權、安全的無線通信網(wǎng)絡上部署關鍵任務應用程序。

這些通信網(wǎng)絡可以管理各種石油和天然氣作業(yè)，包括鉆機、壓力表、整流器、油箱監(jiān)控器等。除了控制啟動或停止泵等操作外，這些網(wǎng)絡還提供資產(chǎn)的實時監(jiān)控，識別并盡量減少因磨損或通信中斷而導致的潛在設備故障。操作員可以提高現(xiàn)場生產(chǎn)力并減少能源浪費和機器磨損。

雪佛龍已在 1.4 GHz 頻段測試了 IEEE 802.16s 無線電。它有望取代電話公司正在停止使用的點對點銅纜線路，并可用于井口監(jiān)控和控制的點對多點選項。使用這種專用無線標準，主無線電可以與 20 英里以外的遠程無線電進行通話。

雪佛龍基礎設施架構師弗雷德里克·史密斯 (Fredrick Smith) 表示：“當我們展望下一代 1.4 GHz 設備時，擁有一個行業(yè)標準作為選擇的前景是令人興奮的，特別是當新標準注入了大量新技術，可以更有效地利用頻譜時?！?/p>

更好的選擇

私有的、許可的、標準的技術網(wǎng)絡運營方法可以更好地控制關鍵服務的可用性和安全性，并為石油和天然氣所需的智能應用奠定基礎。

但或許更重要的是，私有授權網(wǎng)絡讓關鍵任務服務能夠為行業(yè)帶來所需的好處。通過在私有授權網(wǎng)絡上運行關鍵任務服務，石油和天然氣行業(yè)在困難時期將保持更安全、更具彈性。