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1、10申请公布号CN103297372A43申请公布日20130911CN103297372ACN103297372A21申请号201310190591922申请日20130522H04L27/26200601E21B47/1220120171申请人西南石油大学地址610500四川省成都市新都区新都大道8号72发明人罗仁泽党煜蒲牛娜李芮杨娇54发明名称一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法57摘要本发明公开了一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法。该发明首先提出了井下数据高速传输OFDM系统，将现有的井下传输方式的传输速率提高到兆比特级，实现了井下数据实时高速传输，为我国井下数据。
2、传输技术提供了新的思路。同时由于该系统具有较高的PAPR值，当PAPR较高的信号经过这些非线性部件，信号会产生非线性失真，会严重影响系统性能；因此，提出了一种改进的SLM方法，省去了边带信息的单独传输，节省井下传输信道带宽。本发明实现容易，能用于各类采用OFDM进行调制的通信系统中。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图5页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图5页10申请公布号CN103297372ACN103297372A1/1页21一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法，其特征在于由井下采集模块、OFDM信号传输模块和井上接收模块构成；所。
3、述的井下采集模块包括传感器模块和模数转换器模块，安装在钻头上方钻铤下方的位置；所述的OFDM信号传输模块包括井下OFDM调制器、OFDM信号传输短节构成；所述的井上接收模块包括OFDM解调器、数模转换器模块和信号恢复模块；所述的OFDM信号传输短节包括OFDM解调器、无线中继器和OFDM调制器；所述的OFDM调制器包括编码映射模块、串/并模块、弱能量叠加训练序列模块、IFFT模块、并/串模块、保护间隔模块、数模转换模块、射频调制模块；所述的OFDM解调器结构包括射频解调、模数转换模块、同步信道估计模块、训练序列模块、去保护间隔模块、串/并模块、FFT模块、并/串模块、解码解映射模块。2根据权利。
4、要求1所述的一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法，其特征在于所述的信号采集、发射、传输和接收过程如下首先传感器模块将采集到的井下温度、压力等波形信号，通过模数转换器模块变成比特流；其信号沿钻柱传输给安装在近钻头处的OFDM调制器，将比特流调制成OFDM信号；处理后的OFDM信号以电磁波形式沿着钻柱传输给50米处的OFDM信号传输短节，钻柱内每50米安装一个OFDM信号传输短节；信号一直沿钻柱传输到井上接收模块的OFDM解调器中进行解调，将解调的信号再数模转换、恢复并传输给计算机终端进行处理。3根据权利要求1所述的一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法，其特征在于所述的OFDM。
5、信号传输短节中OFDM信号首先通过OFDM解调器解调成数字信号；再通过无线中继器放大信号，补偿沿钻柱传输过程中信号的衰减；最后通过OFDM调制器调制成OFDM信号，并向下一个传输短节传输。4根据权利要求1所述的一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法，其特征在于所述的降低峰均比方法应用在每一个OFDM调制器上，具体步骤如下步骤1OFDM调制器首先将接收到的数字信号进行串并转换得到并行信号序列XNX1,X2,XN，N表示信号序列的个数，N1,2,N；步骤2并行信号中的每一个信号序列XN，和HADAMARD矩阵H相乘得到信号XN；步骤3再将HADAMARD矩阵的前U行向量HU，U表示相位序列。
6、的个数，U1,2,U作为相位序列，按照叠加公式叠加在处理后的测井信号XN得到信号其中001；步骤4信号再与相位序列HU对应相乘得到一个原始测井信号的多选择信号序列步骤5从所得的多选择信号序列中选择具有最小的PAPR值的信号序列发送；步骤6在井上接收端的OFDM解调器通过信道估计方法首先恢复出相位序列HU，再采用逆过程解调恢复出原始的井下数字信号。权利要求书CN103297372A1/5页3一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法技术领域0001本发明属于油气井井下数据高速传输领域，涉及基于正交频分复用（ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING，OFD。
7、M）调制技术的井下数据高速无线传输系统，及该系统中信号高峰均比PEAKTOAVERAGEPOWERRATIO,PAPR）的问题。更具体地，本发明涉及一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法。背景技术0002井下信息有效提取和信号传输速率问题一直制约着油气井开发新技术的发展。特别是随钻测量、随钻测井和地质导向已成为水平井、大位移井及定向井施工中不可缺少的技术，但目前，我国还处于引进国外随钻测量技术的阶段。其中，井下数据传输技术是制约其发展的主要瓶颈。常用的井下数据传输方式是泥浆脉冲传输方式，这种方式有正脉冲、负脉冲、连续波脉冲三种，正、负脉冲传输方式均因传输数据速度慢、腐蚀破坏较强、功耗大。
8、而逐渐被连续波传输方式代替。但是，连续波泥浆脉冲发生器目前只有SCHUMLBURGER公司拥有该项技术比较成熟的仪器，同时传输效率也仅提高到510BIT/S，且噪声干扰影响比较大。0003随着国家对石油能源的重视，电子技术和通信技术在随钻测井中的应用日益广泛。针对现有技术传输速率低的缺陷和井下采集数据剧增需高速传输到井口的发展现状，我国发展井下数据传输技术要有新的思路，实现跨越式发展，才能与世界石油工业先进技术的发展步伐一致，达到提高国内随钻测井高速传输的目的。OFDM技术以其高数据传输速率、高频谱利用率、良好的抗多径衰落性能、系统容量大等特点已为第四代移动通信系统所采用。目前，将OFDM应用。
9、于井下电缆的有线传输国内已有研究和应用，如中石油测井有限公司EILOG高性能测井系统，采用编码正交频分复用（COFDM）技术，将OFDM技术应用于测井领域，传输速度达到430KBIT/S。中国石油长城钻探LEAP800测井系统在分析七芯测井电缆传输特性的基础上，结合测井的实际情况，开发出基于正交频分复用技术的兆级高速测井遥传系统，系统具有双向通信能力，可提供上行1000KBIT/S、下行50KBIT/S的数据传输速率，并具有建立时间短、工作稳定可靠、自适应不同测井电缆等特点。由于电缆传输方式存在连接可靠性差、结构复杂等不足，近年来基于OFDM调制方式的井下传输系统已成为研究的热点，在文章“王强。
10、，李成，丁天怀钻柱声传输的OFDM调制方法实现J机电工程，2012，294373376”提出了基于OFDM调制方式的短节钻杆声传输方案可实现160BIT/S的传输速率，该方案为后续的研究提供了方向。0004目前井下OFDM传输系统已经存在，但是，井下无线OFDM传输系统尚没有。而无线相对有线，能够克服基于OFDM电缆传输系统的连接不可靠和结构复杂等不足。所以，研究并提出一种井下OFDM高速传输系统技术具有重要意义。0005同时，由于OFDM信号在时域上表现为多个正交子载波信号叠加而成，其信号具有高的PAPR，而井下传输系统中的功率放大器很多是非线性的，其动态范围也很有限，当PAPR较高的数据信。
11、号经过这些非线性部件，信号会产生非线性失真，非线性失真所产生的说明书CN103297372A2/5页4谐波会严重影响系统性能。但是较大动态范围的功率器件，意味着发射机的设备成本更高。因此需要寻找减小信号PAPR的方法。人们已经提出了很多降低峰均功率比的方法，包括限幅类技术、编码类技术和概率类技术。由于限幅类技术采用非线性过程，会带来信号畸变；编码类技术编解码复杂度很大。其中，选择映射法（SELECTIVEMAPPING，SLM）方法可以无失真地降低PAPR，但由于该方法需产生多个代表相同信息的发送序列，与多个不同的随机相位序列矢量点乘，再进行多次IFFT运算，需要多个IFFT模块，这大大增加了。
12、系统的计算量和硬件的复杂程度；另外，接收端恢复原数据信息需要接收端完全知道发送端的多个随机向量，即多个随机向量也要作为边带信息被发送，这些边带信息就是SLM方法的冗余，它牺牲了部分发送带宽。发明内容0006本发明的目的在于克服现有井下数据高速传输系统及其降低峰均比方法的上述问题，提供一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法。该系统对井下传感器采集的数据进行OFDM调制，并采用改进的SLM方法降低系统信号的高PAPR，调制信号以电磁波的形式沿着钻柱搭建的无线网桥传输到井上并恢复；该发明将数据传输速度提高至兆比特级的速率，远超过现有井下数据传输技术的速率，能更好的实现井下数据的实时高速传输，。
13、并更好地解决了系统信号高PAPR的问题。0007为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下0008一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法，其特征在于由井下采集模块、OFDM信号传输模块和井上接收模块构成；所述的井下采集模块包括传感器模块和模数转换器模块，安装在钻头上方钻铤下方的位置；所述的OFDM信号传输模块包括井下OFDM调制器、OFDM信号传输短节构成；所述的井上接收模块包括OFDM解调器、数模转换器模块和信号恢复模块；所述的OFDM信号传输短节包括OFDM解调器、无线中继器和OFDM调制器；所述的OFDM调制器包括编码映射模块、串/并模块、弱能量叠加训练序列模块、IFFT模块、并/。
14、串模块、保护间隔模块、数模转换模块、射频调制模块；所述的OFDM解调器结构包括射频解调、模数转换模块、同步信道估计模块、训练序列模块、去保护间隔模块、串/并模块、FFT模块、并/串模块、解码解映射模块；0009所述的信号采集、发射、传输和接收过程如下首先传感器模块将采集到的井下温度、压力等波形信号，通过模数转换器模块变成比特流；其信号沿钻柱传输给安装在近钻头处的OFDM调制器，将比特流调制成OFDM信号；处理后的OFDM信号以电磁波形式沿着钻柱传输给50米处的OFDM信号传输短节，钻柱内每50米安装一个OFDM信号传输短节；信号一直沿钻柱传输到井上接收模块的OFDM解调器中进行解调，将解调的信。
15、号再数模转换、恢复并传输给计算机终端进行处理。0010所述的OFDM信号传输短节中OFDM信号首先通过OFDM解调器解调成数字信号；再通过无线中继器放大信号，补偿沿钻柱传输过程中信号的衰减；最后通过OFDM调制器调制成OFDM信号，并向下一个传输短节传输。0011所述的降低峰均比方法应用在每一个OFDM调制器上，具体步骤如下0012步骤1OFDM调制器首先将接收到的数字信号进行串并转换得到并行信号序列XNX1,X2,XN，N表示信号序列的个数，N1,2,N；说明书CN103297372A3/5页50013步骤2并行信号中的每一个信号序列XN，和HADAMARD矩阵H相乘得到信号XN；0014步。
16、骤3再将HADAMARD矩阵的前U行向量HU，U表示相位序列的个数，U1,2,U作为相位序列，按照叠加公式叠加在处理后的测井信号XN得到信号其中001；0015步骤4信号再与相位序列HU对应相乘得到一个原始测井信号的多选择信号序列0016步骤5从所得的多选择信号序列中选择具有最小的PAPR值的信号序列发送；0017步骤6在井上接收端的OFDM解调器通过信道估计方法首先恢复出相位序列HU，再采用逆过程解调恢复出原始的井下数字信号。0018本发明的有益效果在于本发明解决了目前井下数据高速传输系统中存在的低传输速率的问题，能够将数据传输速率提高到兆比特级，并能够克服井下多径信道带来的符号间干扰，为我。
17、国井下数据高速传输提供新思路。同时利用HADAMARD和弱能量叠加训练序列方法的改进SLM方法降低系统带来的高PAPR的缺陷；另外，由于是弱能量叠加，接收机无需分离叠加训练序列，还可以通过训练序列模块进行同步、信道估计，从而提高系统性能。附图说明0019图1是一种井下数据高速无线传输OFDM系统框图，主要包括井下采集模块、OFDM信号传输模块和井上接收模块构成；所述的井下采集模块包括传感器模块和模数转换器模块；所述的OFDM信号传输模块包括井下OFDM调制器、OFDM信号传输短节构成；所述的井上接收模块包括OFDM解调器、数模转换器模块和信号恢复模块；传输信道为钻柱和连接在钻柱不同部位的OFD。
18、M信号传输短节；0020图2是一个OFDM信号传输短节的结构框图，依次包括OFDM解调器、无线中继器、OFDM调制器；0021图3是一个OFDM调制器原理框图，包括编码映射模块、串/并模块、弱能量叠加训练序列模块、IFFT模块、并/串模块、保护间隔模块、数模转换模块、射频调制模块；0022图4是一个OFDM解调器原理框图，包括射频解调、模数转换模块、同步信道估计模块、训练序列模块、去保护间隔模块、串/并模块、FFT模块、并/串模块、解码解映射模块；0023图5是改进SLM方法的主要实现过程示意图，虚线框内为叠加训练序列算法框图；0024图6是改进方法中叠加训练序列方法的PAPR仿真曲线图，“原。
19、始”表示原始信号的PAPR，“SLM传统方法”表示采用SLM传统方法信号的PAPR，“叠加训练序列方法”表示采用叠加训练序列方法的SLM方法信号的PAPR，横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示PAPR超过某一门限值的概率，即互补累计概率分布函数（CCDF）；0025图7是改进SLM方法实施例的PAPR仿真曲线图，“原始”表示原始信号的PAPR，“SLM传统方法”表示采用SLM传统方法信号的PAPR，“改进SLM方法”表示采用本发明提出的改进SLM方法信号的PAPR，相位序列个数U128，横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示说明书CN103297372A4/5页6PAPR超过某一门限值的概率。
20、，即互补累计概率分布函数（CCDF）；0026图8是改进SLM方法在不同数量的相位序列的情况下实施例的PAPR仿真曲线图，“原始”表示原始信号的PAPR，“改进SLM方法”表示采用本发明提出的改进SLM方法信号的PAPR，U表示相位序列的个数，分别取2、4、8、16，原始的方法即是U1；横坐标表示PAPR的门限值，纵坐标表示PAPR超过某一门限值的概率，即互补累计概率分布函数（CCDF）。具体实施方式0027下面结合附图对本发明的技术方案的主要实现原理、具体实施方式等进行详细描述。0028本发明所述的井下数据高速传输OFDM系统工作原理如下井下的传感器将采集到的井下温度、压力等波形信号，通过模。
21、数转换器变成比特流；信号沿钻柱传输给安装在近钻头处的OFDM调制器，将比特流调制成OFDM信号，同时降低该信号峰均比；处理后的OFDM信号以电磁波形式沿着钻柱传输给50米处的OFDM信号传输短节，钻柱内每50米安装一个OFDM信号传输短节；信号一直沿钻柱传输到地面OFDM解调器进行解调，将解调的信号恢复并传输给计算机终端进行处理。0029请参照图1，该图是一种井下数据高速无线传输OFDM系统原理框图，井下各种传感器获得的井下数据调制成OFDM信号后，以电磁波的形式沿钻柱传输到井上设备，并远传到控制中心，其中为了在传输过程中补偿信号的衰减，钻柱内每50米安装一个OFDM信号传输短节。请参照图2，。
22、该图是一个OFDM信号传输短节的结构框图，依次包括OFDM解调器、无线中继器、OFDM调制器；OFDM信号首先通过OFDM解调器解调成数字信号；再通过无线中继器放大信号，补偿沿钻柱传输过程中信号的衰减；最后通过OFDM调制器调制成OFDM信号，并向下一个传输短节传输；钻柱内每隔50米安装一个OFDM信号传输短节，它可连接在钻柱的不同部位随同钻柱下井，进行数据实时传输。0030将传感器采集的井下数据信息通过模数转换器转换（ADC）成比特流，对于OFDM调制器，请参照图3，其工作原理为比特流首先经过信道编码以减少由于信道影响而产生的在错误概率；其次，比特流映射到符号上，采用的方式是BPSK或者QP。
23、SK。符号流通过串并转换形成并行格式数据流，经过IFFT后再经过并串转换形成串行数据流格式，在OFDM符号之间产生保护间隔，该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的。再经过数模转换（DAC）将数字信号转换成模拟信号，再经射频调制。使用天线调制信号沿钻柱传输，请参照图4，0031OFDM解调器做OFDM调制器相反的过程，将信号解调成数字信号。0032请参照图5，该图表示降低系统信号高PAPR的改进SLM方法过程，具体步骤如下0033步骤1井下各传感器通过电缆将采集到的井下数字信号传输给OFDM调制器的信号输入端，调制器首先将接收到的数字信号进行串并转换得到并行信号序列XNX1,X2,XN，N表。
24、示信号序列的个数，N1,2,N；0034步骤2并行信号中的每一个信号序列XN，和HADAMARD矩阵H相乘得到信号XN；0035步骤3再将HADAMARD矩阵的前U行向量HU，U表示相位序列的个数，U1,2,U作为相位序列，按照叠加公式叠加在处理后的测井信号XN得到信号说明书CN103297372A5/5页70036步骤4信号再与相位序列HU对应相乘得到一个原始测井信号的多选择信号序列0037步骤5从所得的多选择信号序列中选择具有最小的PAPR值的信号序列发送；在井上接收端通过信道估计方法首先恢复出相位序列HU，再采用逆过程解调恢复出原始的井下数字信号。0038所述的HADAMARD矩阵H是由。
25、1和1元素构成的正交方阵。构建该矩阵公式如下00390040其中，图3的虚线框部分体现了采用叠加训练序列方法的具体示意图，按照功率分配因子进行相位序列和信号序列叠加公式00410042其中01。0043请参照图5根据本发明提出的利用HADAMARD矩阵的SLM方法的主要实现原理流程图。在其基础上搭建好的一个井下数据高速传输OFDM系统平台上做一组实施例仿真以验证本发明提出的方法的性能。实施例算法仿真参数为0044信道为高斯信道0045每个OFDM信号包含128个子载波0046OFDM信号个数1000个0047采用BSPK调制方法0048图6是弱能量叠加训练序列方法的PAPR仿真曲线，通过此曲线。
26、的对比，可以得出在弱能量叠加训练序列功率分配因子处于001时，采用叠加训练序列的SLM方法和传统SLM方法相近，不影响系统降低PAPR性能，接收端通过利用信道估计算法便可恢复边带信息，从而节省了带宽和降低硬件复杂度。0049请参照图7，可以看出当互补累积概率分布函数CCDF103时，改进的SLM方法比传统的SLM方法降低了1DB的PAPR。0050请参照图8，可以看出随着相位序列个数的增加改进方法降低PAPR的能力也随之增加，同时HARDMARD的行向量作为相位序列不仅能够降低PAPR，也能够保持较低的复杂度。0051通过实施例的PAPR仿真曲线图7、图8可以看到本发明提出的改进的SLM方法比传统的SLM方法更能降低PAPR，并且随着相位序列个数的增加改进方法降低PAPR的能力也随之增加。说明书CN103297372A1/5页8图1图2图3图4说明书附图CN103297372A2/5页9图5说明书附图CN103297372A3/5页10图6说明书附图CN103297372A104/5页11图7说明书附图CN103297372A115/5页12图8说明书附图CN103297372A12。