CN102457462A

CN102457462A - 一种利用ofdm技术在钻井中进行信号传输的方法

Info

Publication number: CN102457462A
Application number: CN2010105269374A
Authority: CN
Inventors: 周静; 谢海明; 尚海燕; 付鑫生
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明涉及一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法。现有技术中传输速率慢，无法实现实时的信息传输导致地面获得信息的实时性差。本发明采用的技术方案是：一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法，包括调制步骤和解调步骤，首先在调制步骤中，待传输的信号先经编码调制后***导频，再经快速逆傅立叶变换后加上周期前缀，最后经并串变换、数模转换后经换能器转换为声波信号，声波信号利用钻杆作为上行或下行通道，然后进入解调步骤，被接收的声波信号先经模数转换为数字信号，该信号串并变换后，再去掉周期前缀后经快速傅立叶变换，最后经信道估计后再进行数据解调得到接收信号。本发明信息传输速率高，实现实时传输。

Description

一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法

技术领域：

本发明涉及石油工程技术领域，进一步涉及智能钻井技术领域，特别涉及一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法。

背景技术：

智能钻井是现在石油工程技术的关键技术之一，无论地质导向钻井和旋转导向钻井，钻井过程中，地面与井下的之间的信息传输是非常重要的组成部分。随钻数据传输包括上行通道和下行通道，上行通道是由井下向地面发送信息的通道，可将井下近钻头传感器随钻测得的地质和工程参数传送到地面供钻井工程师实时了解井下钻进情况。下行通道是由地面向井下发送信息的通道，下行通道发送钻井工程师调控井眼轨迹变化的指令等，随钻信息通道是提高钻井效率和提高经济效益的重要组成。目前，无线随钻通讯信道主要有三种实现方法：一种是利用泥浆脉冲发生器的随钻信息传输的方法，它也是目前唯一有商业化设备随钻信息通道，其数据传输速率很低，典型为2-3bits/s；第二种方法是利用电磁辐射穿透岩石地层来传输数据，自20世纪40年代开始俄罗斯有研究、陆续应用的报导。电磁波信息传输存在的主要问题是电磁辐射与地层电阻率息息相关，电磁信号穿过某些岩性地层后衰减很大，导致长距离传输信息时很不稳定。第三种方法是利用声波信号通过钻杆来实现双向通讯，由于钻杆的周期性结构和钻具组合的多样性导致能在钻杆中长距离传播的声波振动频率具有很强的选频性和变化性，因此利用声波传输信息非常不可靠，稳定性很差。但其中唯一可实现商业化的利用泥浆脉冲发生器的随钻信息传输的方法存在的问题是：因为传输速率慢，因此虽然实时采集了各种信息，但无法实现实时的信息传输，因此导致地面获得信息的实时性差。

发明内容：

本发明要提供一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法，以克服现有技术存在的无法实现实时的信息传输，导致地面获得信息的实时性差的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法，包括调制步骤和解调步骤，首先在调制步骤中，待传输的信号先经编码调制后***导频，再经快速逆傅立叶变换后加上周期前缀，最后经并串变换、数模转换后经换能器转换为声波信号，声波信号利用钻杆作为上行或下行通道，然后进入解调步骤，被接收的声波信号先经模数转换为数字信号，该信号串并变换后，再去掉周期前缀后经快速傅立叶变换，最后经信道估计后再进行数据解调得到接收信号。

所述声波信道的通带为钻杆内设置的多个子通带，将多个子通带组合传输数据；在各个子通带内应用OFDM技术，在子通带间采用频率分集处理。

OFDM技术中，其子载波是正交的，在时域上表现是在一个OFDM 符号周期内T与每个子载波的周期是整数倍的关系，在频域上的表现是相邻子载波的频率间隔Df与OFDM符号周期T是倒数关系。子载波的正交性允许各子载波的频谱可以重叠，却不互相干扰，从而大大地提高了频带的利用效率。这样的特性特别适用于频谱资源紧张的钻井信道分段子集合式的频谱特性，钻杆子通带宽度有限，且子通带内存在平坦衰落和频率选择性衰落，应用OFDM技术可以有效地克服信道衰落和码间干扰，因此与现有技术相比，本发明的优点是：利用OFDM技术，采用钻杆作为信道，信息传输速率得到极大地提高，使得地面可实时获得较大的信息量，可以做到实时传输。

附图说明：

图1为实施例1中的某一参数条件下的钻杆信道的频谱结构图；

图2为OFDM解调过程的处理流程；

图3为仿真信息传输的误码率随信噪比变化图；

图4为对输入信号

Figure 2010105269374100002DEST_PATH_IMAGE001

分组处理过程图；

图5为各子通带信号进行OFDM解调处理的过程图。

具体实施方式：

下面将通过具体实施例对本发明进行详细地说明。

实施例1：钻杆信道是不连续信道，通带与阻带是相间的，并且不是均匀分隔，声波信号能否远距离传播决定于声波信号的频率，只有声波振动频率位于通带内的信号才能远距离传播。声波信道通带范围决定于钻杆信道的组成结构。因此，要想实现利用钻杆进行声波通讯，必须根据钻柱整体的组成结构，分析其通带频率，然后确定声波传播信号的频率与传播方法。假设有300根相同的钻杆连接成一个钻杆信道，钻杆的参数如表1所示，其第300节钻杆频谱结构如图1所示。

表1 钻杆参数

类型	内径mm	外径mm	横截面积m²	长度m
					直段钢体	151.52	178	0.0274	9
接箍	151.52	203	0.0573	0.13

图1表明钻杆声波信道的通带与阻带间隔分段，在每个子通带内信道的幅度有衰落，各子通带宽度并不完全相同的。由于钻杆信道的周期性结构，声波信号传输必然是多径传输，不可避免地存在的码间干扰，***通信技术OFDM对克服由多径带来的信道衰落和码间干扰非常有效。分段子信道OFDM的信号处理流程图如图2所示。

假设第m个子通带内待传输信号是二进制数据流x _m (k)，在钻井环境下，通常采用4QAM将二进制数据编码成复数数据流S _k，k=0,…,K-1，S _k就是分配给第m个子通带的数据符号。若第m个子通带的第0个子载波的载波频率为f _m，子通带内子载波的个数为K，OFDM符号宽度为T，OFDM要求子通带内的子频波间完全正交，相邻子载波的频率间隔Df等于符号周期T的倒数，即Df=1/T，时域上相当于一个OFDM符号周期内需包含整数个子载波的周期，则从t=t _m0开始的OFDM符号可以表示为：

(1)

采用复等效基带信号表示为：

(2)

其中：rect(t)=1在|t|≦T/2时，其它t时取零。正是由于各子载波之间的正交性，使得在每个子载波频率的最大值处，所有其它子载波频率值恰好为零，以保证解调过程可以分开各子载波信号，子载波频率可以相互重叠，得到更高的频谱利用率。

不失一般性，令t _m0 =0，对一个矩形周期内的信号进行时域采样，令t=nT/K，则利用

，式(2)可离散化为

Figure 2010105269374100002DEST_PATH_IMAGE005

， (3)

式(3)表明可以利用快速傅立叶逆变换(IFFT)实现OFDM。只要钻杆的各子通带在一个符号周期内是平稳的，则可通过***导频方法进行信道估计，通过加入周期前缀方法抑制码间干扰(ISI)。只要周期前缀大于信道最大时延扩展，不仅可以消除由多径带来时延扩展引起的ISI，而且OFDM符号在信道传输过程中，子载波间的正交性不会受到破坏，解调过程就不会产生子载波间干扰(ICI)。分段窄带信道中影响数据传输质量的噪声主要是地面钻井设备工作引入的噪声，分析表明可将其看作高斯噪声。

若将信道输入端信号的离散频域表示为

，相当于式(3)中的S _k，信道的离散频域表示为

Figure 2010105269374100002DEST_PATH_IMAGE007

，高斯噪声的离散频域表示为

，则信道输出端的离散频域表示

Figure 2010105269374100002DEST_PATH_IMAGE009

，有

(4)

当选择某些频点为导频信号，***导频表示为S _p (l)，接收信号中导频表示为Y _p (l)，只考虑导频传输有：

(5)

H _p (l)是H(k)在导频点上值。l=0,…,P-1，K为每个OFDM符号中子载频个数，P为***导频个数。根据最小二乘估计算法，可以得到导频点的信道频率响应最小平方估计值：

(6)

应用线性内插计算信道所有频点的估计值，根据线性***的时域卷积定理可以去除信道对传输信号的影响，以获得更好的传输性能。

OFDM解调过程与其调制过程相对应，处理流程如图2所示。当相同规格的钻杆组成信道时，由仿真可得最窄子通带的宽度大于100Hz，设x _m (n)待传输信号为100bit，采用4QAM调制，则S _k的长度为50个复数，每个字符周期为50点，采用***导频方法估计信道，每隔2个点***一个复数导频。应用128点IFFT得到时域信号。将基频信号调制到某一子通带的载频上。采用数字调频方式实现。另外，钻井井场各种地面设备声波噪声主要集中在400Hz以下，因此不能使用400Hz以下频带传输声波信息。

为对抗ISI，需要加入周期前缀处理，通常周期前缀的长度占每个符号周期的长度的10%左右，周期前缀是将时域信号的后面部分信号复制到信号的最前面，***周期前缀后的时域信号经数模转换器送入钻杆信道。只有频率位于钻杆信道分段不连续的子通带内的声波信号才能进行远距离传输。仿真中假设在某一子通带内，传输过程中有6条多径，多径信号的幅度衰减服从参数为0.3瑞利分布，相位变化服从0到360°均匀分布，最大多径时延小于周期前缀的长度，且各多径在0到周期前缀长度之间服从均匀分布变化。高斯白噪声加在接收端，均值为0，方差为1。通过调节信号大小调整信噪比由0～40dB变化。具体仿真框图在图2的基础上增加了基频信号的调制与解调。仿真中省略了发送与接收过程中的数模与模数转换器。

仿真信息传输的误码率随信噪比变化如图3。图中的直接曲线表示未经信道估计，根据接收数据直接估计输出序列得到的误码率。LS表示应用最小二乘方法进行信道估计，然后除去信道的影响估计输出序列得到的误码率。一个符号周期内1.28秒内传输100bit，加上约0.13秒的周期前缀，则传输速率约为70bit/s。

若不经信道估计，直接用输出估计传输信息，误码率很大，不能使用。经过最小二乘法进行信道估计后，误码率得到显著改善。当数据传输速率加大时，误码率随之增大。钻杆子通带宽度有限，且子通带内存在平坦衰落和频率选择性衰落，应用OFDM可以有效地克服信道衰落和码间干扰。仿真表明当参数选择合适时，可以有效地传输数据。

实施例2：对于钻杆子通带，由于其各子通带的宽度是变化的，因此取最窄通带的宽度为基准，在各子通带内应用OFDM时，除子通带的初始载频不同外，OFDM其它结构都是一致的，则信号传输在子通带内是OFDM，在子通带间则是频率分集处理。将多个子通带组合起来以提高数据传输速率。

假设有M个子通带参与数据传输，首先要对输入信号进行分组，分成M个子信道输入信号，每组子信道的数据长度为L，有

，，

(7)

第m个输入信号

是信号经过m个延时，再经过下M采样，即先延时m点，然后再每隔M点抽取一点而得，处理流程如图4所示。

通过第m个子通带传输。在每个子通带内部子载波信号是正交的，各子通带的频率又是分段的，因此各子通带间的信号也是正交的。在信道的输出端可用滤波器组取出各子通带信号，再对其进行OFDM解调处理。

信道输入信号为

(8)

其中

，

是第m个子通带的初始载频。因***导频和周期前缀的需要，取K>L。令各信道单位脉冲响应为h _m (n)，则由线性信道***的输出为

(9)

在信道输出端，将

通过滤波器组和OFDM解调处理，分别得到各子通带输出

，再经过插值合成得到输出序列，处理流程如图5所示。

滤波器组除中心频率不同外，其余结构均相同，滤波器m的中心频率为f _m 0+DF/2，仿真中DF取100Hz。OFDM的解调表示为：

，对长度为L的

进行插值，每两个点之间补M-1个零，再分别对插值后序列延时m个单元，然后将全部M个序列加和起来。求和后序列总长为ML点，与原信道的输入复序列长度相同。再经4QAM解调就得到二进制输出序列。

信道的最大传输数据的能力取决于信道的容量，对于钻杆信道，信道的容量与可用钻杆信道的频带宽度和信噪比有关。由于声波换能器的输出功率受限，输入信号的最大功率受到限制，输入信号的功率分配与信道的增益相结合必能得到较优的传输结果。显然，利用多个子通带进行信息传输时，钻杆信道的有效频带宽度增大，传输速率和信道容量必然有所改善。只是使用多个子通带传输信息时，对声波换能器的频带宽度要求较高，因此要想充分利用钻杆信道，对换能器的设计与实现有特别的要求。

Claims

1.一种利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法，包括调制步骤和解调步骤，其特征是：首先在调制步骤中，待传输的信号先经编码调制后***导频，再经快速逆傅立叶变换后加上周期前缀，最后经并串变换、数模转换后经换能器转换为声波信号，声波信号利用钻杆作为上行或下行通道，然后进入解调步骤，被接收的声波信号先经模数转换为数字信号，该信号串并变换后，再去掉周期前缀后经快速傅立叶变换，最后经信道估计后再进行数据解调得到接收信号。

2.根据权利要求1所述的利用OFDM技术在钻井中进行信号传输的方法，其特征在于：所述声波信道的通带为钻杆内设置的多个子通带，将多个子通带组合传输数据；在各个子通带内应用OFDM技术，在子通带间采用频率分集处理。