几十年来，石油和天然气行业一直依赖自己的电信网络。这些私有、私人维护的网络用于管理日常运营并在危机时刻协调应急服务。这些网络中有许多都是任务关键型网络，它们使用的无线频谱部分要么对其他用户不可用，要么其他行业不想要。从历史上看，FCC 已通过频谱协调器提供一些窄带频谱，以便在不受干扰的情况下进行地理重用。这些低数据容量网络越来越难以跟上物联网软件开发(IoT) 技术的发展。

此外，之所以使用私有、不拥挤的频谱部分，是因为关键任务（如供电、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。新服务的部署导致数据通信呈指数级增长，并使许多现有基础设施的容量不堪重负。同时，持续实施和维护网络和物理安全的需求也增加了关键任务网络的数据需求。

更加现代化，更少干扰

当今许多关键任务网络面临双重挑战。首先，需要进行现代化改造。当今对实时数据、靠近网络边缘的复杂控制和监控以及高级别安全性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所能支持的范围。

其次是需要确保通信质量。授权频谱的某些部分（例如急救人员使用的频谱）仍专供他们使用，因此不会受到干扰。其他部分（例如石油和天然气行业使用的频谱）由于分配变化而更加拥挤。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提供商，要么可供其他用户使用。因此，它们受到的干扰增加。

私有网络能满足需求吗？

随着任务关键型服务应对现代化挑战，并因频谱紧缩而被迫寻找信号干扰较少的替代方案，利用公共蜂窝网络的压力也随之增加，因为这些网络可用。任务关键型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。

虽然商业网络提供商渴望在关键任务服务领域获得业务，并可能根据这些需求构建其产品，但他们的长期承诺会影响其政策。例如，蜂窝技术支持优先级，使网络运营商可以优先处理关键任务通信，但当今的商业提供商并未利用此功能。因此，消费者对流媒体等内容的需求在最需要时夺走了关键任务服务的带宽。

此外，当与公共蜂窝提供商合作时，商业网络通常无法提供支持关键任务应用程序所需的性能水平。

严格要求

石油和天然气行业在连接性方面不能妥协。与其他行业相比，石油和天然气行业的运营要求更为严格，其业务连续性驱动因素需要稳定且可预测的专用网络。

通过运行自己的网络，石油和天然气运营商及其他关键任务服务可以确保他们拥有在紧急情况下保持响应和有效所需的四个要素：可靠性、可用性、延迟和安全性。

可靠性：即使传输和接收发生在农村或偏远地区，人员和设备的通信也需要畅通无阻，不受干扰。

可用性：关键网络不能承受停机时间。100% 网络可用性的目标可能仅在理论上可实现，但当今任务关键型网络的标准是 99.999% 的可用性，相当于每年停机 5 分钟。很少有商业网络能提供这种级别的可用性。即使是 99.99% 的可用性，相当于每年停机 52 分钟，也不是商业运营商及其面向消费者的公开网络产品所提供的服务水平。

延迟： 远程设备发送和接收的控制和信号通信必须以极低的延迟率无延迟地传输。在执行远程控制石油或天然气流量和设备等任务时，信号需要在几分之一秒内传输，但商业网络永远无法保证延迟率如此之低。

安全： 安全和保护对于员工和公众来说都至关重要，因为如果石油和天然气基础设施以任何方式遭到黑客攻击，都可能造成极大危害。需要限制对网络的访问，以确保只有授权人员才能进入网络，并且数据传输需要加密，以防止篡改、盗窃，或者更糟的是，破坏或恐怖主义行为。

商业蜂窝网络存在不足

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、延迟性和安全性。商业蜂窝网络主要面向消费者市场，其大部分资源集中在城市地区，因为这些地区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如任务关键型网络。商业基站可能在现场配备备用电池，可运行 4 到 8 小时，或能够连接到备用电源，而任务关键型网络往往在现场配备发电机，可连续运行数天而无需服务电话。许多站点都有冗余回程路径或环路，以在紧急情况下提高站点的数据可访问性，并安装冗余无线电硬件以确保连续性。

现实世界的失败

近年来的自然灾害清楚地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，热带风暴哈维登陆德克萨斯州，55 个县被宣布为灾区。暴雨和强风导致整个地区的蜂窝网络中断。一些县的覆盖率损失接近 95%。

然而，当地公用事业公司拥有、运营和维护着一套私人陆地移动无线电系统，以及一套用于监控和控制设备（包括 SCADA）的关键任务通信专用网络，因此在整个飓风哈维期间，该公用事业公司的通信可用性达到 100%。该公司只在一个变电站发生过一次因大面积洪水而导致的停电。

请注意，基站中断通常是由于停电造成的。任何依赖公共蜂窝网络进行通信的关键基础设施服务在停电和其他紧急情况下都将无法响应，因为基站中断意味着与现场人员和设备的通信中断。也就是说，用于停电期间的通信网络必须具有可靠的备用电源。

私人许可的替代方案

由于对与公众共享频谱的前景感到沮丧，关键任务服务正在扩展和增强私有网络，以获得所需的连接和覆盖范围。

私有网络在受 FCC 保护的授权频谱中运行，以保持控制、安全性和可靠性。但是，任务关键型服务需要访问自己的私有授权频谱，以便在给定的频段和地理区域内使用。授权可确保无线运营商不会干扰彼此的传输，并为任务关键型服务提供一个不受未授权信道干扰的运行环境。

需要标准化

虽然私有网络对于关键任务行业至关重要，但大多数运营商（包括石油和天然气运营商）都无法获得足够的射频 (RF) 频谱来部署 LTE 或 IEEE 802.16 等标准技术（这两种无线技术最为常见）。此外，LTE 等标准适用于消费行业。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某条产品线，它们就会面临风险。然而，2017 年，IEEE 批准并发布了一项更窄的信道标准技术。

IEEE 802.16s 是一项草根性努力的成果，因为电力公司和其他关键任务行业正在寻找一种标准技术，用于他们所访问的窄带信道，这些窄带通常在二级市场上购买，例如 700 MHz A 频段、217 – 219 MHz、1.4 GHz 等。这些频段没有足够的带宽来支持其他标准技术。LTE 至少需要 1.4 MHz 的带宽，而 IEEE 802.16 至少需要 1.25 MHz 的带宽。

IEEE 802.16s 标准专为任务关键型私人宽带无线市场而设计。它使用相对较窄的信道大小（100 kHz 至 1.20 MHz 之间）和长距离（例如 25 英里及以上）提供多兆位吞吐量，以最大限度地降低频谱获取和网络基础设施成本。

IEEE 802.16s 针对任务关键型远程控制应用进行了优化，而非针对消费市场。许多任务关键型应用（如 SCADA）需要更多数据从远程设备（如井泵头）传输到主设备。这是一种反向非对称数据流，与消费市场几乎相反，后者主要由从网络传输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，下行链路与上行链路的流量比高达 1:10。

FDD 与 TDD

由于频谱历来是成对的，因此 LTE 和几种专有技术都基于 FDD。要理解 FDD 和 TDD 之间的区别，可以将 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，所有进城的车道都拥堵不堪，交通拥堵导致车流变慢，而出城的车道则大多空置。如果可以配置其中一些车道，让更多车道进入城市，因为该方向的车流量更大，那么效率会更高。TDD 允许这种“车道”配置。您可以选择每个方向有多少车道移动，从而更有效地利用 RF 频谱。当 RF 频谱有限时，这一点很重要，也是 IEEE 802.16 和 IEEE 802.16s 的基础。

虽然 IEEE 802.16 是高效无线技术的良好基础，但需要进行修改以减少开销，从而传输更多用户数据。该标准可以是反向非对称的，以便上行吞吐量大于下行吞吐量，这是大多数关键任务系统的工作方式。此外，它可以是对称的或非对称的，具体取决于系统要求。此外，该标准已经变得更加高效。

随着石油和天然气网络向网络边缘发展，通信网络能力需要提升。这种高效、更窄的信道标准使关键行业能够在私有、授权、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作业，包括钻机、压力表、整流器、油箱监控器等。除了控制启动或停止泵等操作外，这些网络还提供资产的实时监控，识别并尽量减少因磨损或通信中断而导致的潜在设备故障。操作员可以提高现场生产力并减少能源浪费和机器磨损。

雪佛龙已在 1.4 GHz 频段测试了 IEEE 802.16s 无线电。它有望取代电话公司正在停止使用的点对点铜缆线路，并可用于井口监控和控制的点对多点选项。使用这种专用无线标准，主无线电可以与 20 英里以外的远程无线电进行通话。

雪佛龙基础设施架构师弗雷德里克·史密斯 (Fredrick Smith) 表示：“当我们展望下一代 1.4 GHz 设备时，拥有一个行业标准作为选择的前景是令人兴奋的，特别是当新标准注入了大量新技术，可以更有效地利用频谱时。”

更好的选择

私有的、许可的、标准的技术网络运营方法可以更好地控制关键服务的可用性和安全性，并为石油和天然气所需的智能应用奠定基础。

但或许更重要的是，私有授权网络让关键任务服务能够为行业带来所需的好处。通过在私有授权网络上运行关键任务服务，石油和天然气行业在困难时期将保持更安全、更具弹性。