BR112014009959B1

BR112014009959B1 - sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço e método para a comunicação de dados

Info

Publication number: BR112014009959B1
Application number: BR112014009959-6A
Authority: BR
Inventors: Manfred G. Prammer
Original assignee: Jdi International Leasing Limited
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2020-11-03
Also published as: US20130106615A1; RU2630832C2; EP2771544A4; BR112014009959A2; EP2771544B8; WO2013062949A1; AU2012329100B2; EP2771544A1; EP2771544B1; MX2014005083A; AU2012329100A1; MX357306B; RU2014120998A

Abstract

SISTEMA PARA A TRANSMISSÃO DE SINAL DE FUNDO DE POÇO E MÉTODO PARA A COMUNICAÇÃO DE DADOS Um sistema de transmissão de dados de fundo de poço comunica dados ao longo de uma coluna de fundo de poço incluindo um mestre de comunicações selecionado do grupo que inclui uma interface de superfície, uma interface de fundo de poço, e um nodo, e incluindo uma linha de comunicações de uma pluralidade de segmentos de transmissão que transportam sinais ao longo da coluna de fundo de poço, e uma pluralidade de repetidores que periodicamente renovam e restauram os sinais transmitidos ao longo da coluna de fundo de poço. Para minimizar o consumo de energia e melhorar a eficiência das comunicações, a interface de superfície, o nodo, e a interface de fundo de poço comunicam-se na(s) linha(s) de comunicações usando pulsos de energia de radiofrequência. Esses pulsos podem ser organizados em quadros de dados que podem incluir um ou mais pulsos de despertar. O sistema de transmissão de dados pode ainda ser caracterizado pelos repetidores e/ou pelo mestre de comunicações estarem conectados à linha de comunicações de forma à prova de falhas em que os pulsos de energia de (...).

Description

Campo técnico

[0001] A presente invenção se refere aos campos dos sistemas de transmissão de dados e de redes de sensores e atuadores. Em particular, a invenção se refere sistemas de transmissão de dados adequados para uso em fundo de poço, como em uma coluna de perfuração utilizada na exploração de óleo e gás, ou em colunas de produção ou em colunas de revestimento. Essas colunas serão sumariamente denominadas “colunas” ou “colunas de tubos” na discussão a seguir. Esses sistemas de transmissão de dados foram descritos anteriormente pelo presente inventor na Patente Norte- Americana supramencionada No. 8,242,928, e no Pedido de Patente Norte-Americana supramencionado No. 13/142, 612, depositado em 10 de agosto de 2011.

Fundamentos

[0002] Os sistemas de transmissão de dados de fundo de poço têm vários propósitos: Primeiro, os dados de sensor coletados no “Bottom Hole Assembly” (BHA) precisam ser transmitidos (“telemetrados”) para a superfície em tempo real. Segundo, os sistemas de superfície precisam comunicar-se e terem controle sobre os componentes do BHA, como para indicar o bit de perfuração na direção desejada.

[0003] Terceiro, os dados coletados ao longo da coluna de tubos pelos sensores distribuídos devem ser enviados em tempo real para a superfície. Quarto, sensores distribuídos e também atuadores distribuídos devem ser operados e controlados a partir da superfície em tempo real. Como exemplo, um sistema de transmissão de dados de fundo de poço desse tipo com sensores distribuídos foi descrito na Patente Norte-Americana 7,207,396 de Hall et al, depositada em 24 de abril de 2007.

[0004] Alternativamente, uma unidade de controle dentro do BHA ou localizada ao longo da coluna de perfuração pode assumir o papel do sistema de superfície. Essa configuração pode ser particularmente vantajosa, já que o BHA está continuamente conectado à coluna de perfuração, enquanto o sistema de superfície pode somente ser conectado de forma intermitente à coluna de perfuração. Por exemplo, durante operações de parada, a coluna de tubos é levantada ou abaixada enquanto é desmontada (durante o levantamento) ou remontada (durante o abaixamento) sem que os equipamentos de comunicação com a superfície sejam conectados à coluna de perfuração. Durante as operações normais de perfuração, o sistema de comunicação com a superfície é periodicamente desligado para permitir a extensão da coluna de perfuração na superfície. Em todos esses casos, é vantajoso ter uma unidade de controle localizada no BHA ou localizada ao longo da coluna de perfuração, fazendo as funções de controle de comunicações ao invés da unidade de superfície.

[0005] Uma operação de perfuração adequada para a constituição da presente invenção é mostrada na figura 1. A plataforma de perfuração 100 aciona a coluna de perfuração 110, que é composta de um grande número de seções interligadas 120, denominadas uniões de tubos de perfuração. Em uma típica operação de perfuração, a plataforma gira a coluna de perfuração 110 e assim também o BHA 130. O BHA 130 pode conter vários pacotes de instrumentação; pode conter um motor de lama ou um sistema direcionável rotativo, estabilizadores, centralizadores, colares de perfuração, e contém o bit de perfuração.

[0006] O sistema de transmissão de dados, também mostrado esquematicamente na figura 1, pode ter os seguintes componentes principais: o sistema de controle de superfície 200, uma unidade de interface de superfície 210, múltiplos segmentos de transmissão 220 que transportam sinais para cima e para baixo da coluna de tubos, múltiplos repetidores 230 que periodicamente renovam e restauram o sinal, uma unidade de interface de fundo de poço (a “interface BEIA”) 240, instrumentação de fundo de poço contida no BHA 130, e múltiplos sensores e atuadores (“nodos”) 250 distribuídos ao longo da coluna de tubos. A interface BHA 240 ou a instrumentação adicional dentro do BHA 130 pode dotar uma suficiente funcionalidade para realizar as tarefas do sistema de controle de superfície 200. Alternativamente, essas tarefas podem ser feitas por unidades localizadas dentro da coluna de tubos. Um link contínuo de dados do sistema de superfície para o BHA pode ser constituído conectando os segmentos de transmissão 220 por meio de acopladores elétricos, magnéticos ou eletromagnéticos montados nas extremidades das uniões de tubos 120. Além disso, ou ao invés da comunicação ponta a ponta entre a superfície e o BEIA 130, esse link de dados também pode ser usado para se conectar a um conjunto de nodos sensores e/ou atuadores 250. Como discutido acima, o sistema de controle de superfície 200 e a unidade de interface de superfície 210 podem ser removidos do sistema de transmissão de dados, como no caso durante operações de parada ou enquanto se prolonga ou encurta a coluna de perfuração.

[0007] Os repetidores 230 e nodos 250 tipicamente diferem em suas disposições físicas. Um repetidor 230 tipicamente deve ser muito pequeno para se adaptar na junção de tubos. Da mesma forma, o fornecimento de energia de um repetidor 230 deve ser pequeno para combinar com a restrição do tamanho físico e tipicamente tem somente uma pequena corrente e/ou capacidade de carga. Consequentemente, um repetidor pode somente consumir muito pouca energia, em particular, já que seu tempo de desenvolvimento pode medir em centésimos e milésimos de horas. Um nodo 250, por outro lado, pode ser um dispositivo separado de fundo de poço com espaço para placas de circuitos e baterias consistindo de várias células primárias. Portanto, um circuito de nodo pode ser substancialmente mais complexo e pode ter muito mais capacidades que um circuito repetidor. Além disso, nodos podem receber mais manutenção preventiva e podem ter menos horas de instalação que os repetidores.

[0008] Para as finalidades da seguinte discussão, deve ser suposto que o nodo 250 também iria tipicamente constituir a funcionalidade do repetidor, e assim o termo “repetidor” engloba um repetidor real 230, mas também a funcionalidade repetidora de um sensor e/ou nodo atuador 250. “Além disso, termos como “sistema (de comunicações) de superfície” e” sistema (de comunicações) de poço acima” são usados de forma intercambiável; como são os termos” sistema (de comunicações) de fundo de poço” e” sistema (de comunicações) BHA”, que também são usados de forma intercambiável.

[0009] O BHA 130 compreende vários dispositivos utilizados nos processos de perfuração. Vários sensores geram constantemente dados que descrevem o estado do processo de perfuração, por meio do monitoramento dos parâmetros como o peso-no-bit, torque-no-bit, vibração, orientação magnética, orientação gravitacional, etc; o estado do furo de poço (temperatura, pressão, teor de gases, etc.); assim como o estado de formação das rochas (densidade, radioatividade, resistividade elétrica, etc.). Além disso, serviços sísmicos durante a perfuração (“SWD”) ou serviços similares de levantamentos podem ser realizados alternando com o processo de perfuração ou durante o mesmo. Esses levantamentos geram dados geofônicos ou outros dados de sensor, tanto no BHA como ao longo da coluna de tubos. Tipicamente, um agregado de todas as informações BHA a ser enviado em tempo real para a superfície pode representar uma taxa de dados de 100 - 1.000.000 bit/seg. Além disso, as informações de controle precisam ser constantemente enviadas ao BHA a partir da superfície em tempo real. Essas informações de controle podem incluir comandos de direcionamento para um sistema direcionável rotativo (RSS). Os dados a serem carregados para a superfície e os dados a serem descarregados da superfície são gerados constantemente e não são tipicamente sincronizados entre si. Portanto, existe o desejo de comunicação com o BHA em ambas as direções da forma mais eficiente possível.

[00010] Os sensores contidos nos nodos 250 distribuídos ao longo da coluna de tubos podem ser usados para monitorar as condições de furo de poço, como a temperatura e a pressão dentro e fora da coluna de tubos; para monitorar as condições de perfuração como o peso, tensão e torque; para monitorar as condições da coluna como tensão, compressão, vibração, flexão, torque e/ou orientação; podendo também fazer parte dos serviços de levantamento supramencionados como SWD. Um único desses sensores pode gerar dados em uma taxa tão baixa quanto 1 bit/seg e tão alta quanto 1.000.000 bit/seg ou mais. Os sensores podem ser instalados com espaçamento inferior a 10 metros ou espaçamentos de 1 km ou mais. Pode ser prontamente apreciado que um conjunto de dezenas a centenas de sensores distribuídos pode se constituir em uma carga muito grande de dados de largura de banda mesmo em sistemas muito rápidos de transmissão de fundo de poço. Portanto, existe o desejo de comunicação com um conjunto de nodos de sensores distribuídos da forma mais eficiente possível.

[00011] Os nodos 250 também podem ser usados para operar atuadores que podem abrir e fechar válvulas ou podem realizar outras funções mecânicas ao longo da coluna de tubos. Como esses atuadores podem constituir funções de segurança importantes, existe a necessidade de um acesso rápido e em tempo real a esses nodos e atuadores. Esse acesso deve ser possível mesmo em momentos em que outros componentes do sistema de transmissão de dados não estejam operacionais.

[00012] Devido à despesa do fornecimento ao tubo de perfuração ou aos segmentos de revestimento com meios para o transporte de sinais, como segmentos de cabos, somente uma linha única de transmissão 300 (figura 2 e figuras seguintes) pode ser constituída. A linha de transmissão 300 deve ser considerada “genérica” no senso em que uma constituição real pode compreender um grande número de segmentos de cabos, acopladores, repetidores, transdutores, etc. dispostos em série. A linha de transmissão 300 deve ser compartilhada entre as várias fontes de dados, entre os quais podem existir várias centenas na coluna de tubos, sendo tipicamente utilizadas tanto para a direção de dados para cima do fundo (“uplink” ou “telemetria”) e para a direção dos dados para o fundo de poço (“downlink” ou “controle”)

[00013] Para prover comunicação ininterrupta no caso de um segmento de cabo, mais de uma linha de transmissão 300 pode ser constituída. Essas linhas de transmissão podem atuar como backup entre si e podem ser utilizadas como “cold standby” ou como “hot standby”. Uma linha de transmissão “cold standby” é ativada no caso de uma falha da linha de transmissão primária, enquanto a linha de transmissão “hot standby” está ativa de forma concorrente com a linha de transmissão primária. É também possível uma mistura de “cold standby” e “hot standby”, por exemplo, no caso da necessidade de uma taxa temporária de transmissão de dados muito alta, uma linha de transmissão “cold standby” pode ser ativada em paralelo com a linha de transmissão primária.

[00014] A capacidade de dados da linha de transmissão ou das linhas de transmissão é tipicamente bastante grande e pode alcançar vários Mbit/seg ou mais. Entretanto, se essa capacidade precisar ser compartilhada entre muitos dispositivos, como no caso de um conjunto de sensores distribuídos que precise operar simultaneamente com um BHA com alta taxa de dados, a capacidade disponível de cada sensor é rapidamente reduzida. Portanto, existe um forte desejo que a capacidade de transmissão disponível seja utilizada da forma mais eficiente possível.

[00015] A(s) linha(s) de transmissão300 sempre são dissipativas, isto é, o sinal decai e será distorcido com a propagação ao longo da coluna, O sinal e as informações que transportam devem ser periodicamente restaurados por meio de repetidores de sinais 230 ao longo da coluna. Como mostrado na figura 2, existem diferentes configurações possíveis para esses repetidores. A figura 2a mostra uma configuração convencional “serial”, onde os repetidores estão eletricamente em série com a linha de transmissão 300. Sob o controle da lógica do repetidor 234, transceptores de linha 232 ligam e desligam suas respectivas saídas e conduzem o segmento “superior” e “inferior” da linha 300 da forma necessária para rotear os sinais. Apesar de essa configuração ser direta para constituir, não é à prova de falhas. Uma condição de falha em qualquer repetidor, entre os quais podem haver centenas, pode desabilitar as comunicações entre as seções de linha “superior” e “inferior”, uma condição em que o link entre o BHA e o sistema de controle de superfície pode ser perdida. Portanto, existe um forte desejo para que a capacidade disponível de transmissão seja à prova de falhas, de maneira que o link entre o BHA e a superfície não seja perdido, mesmo no caso de mau funcionamento em um ou mais elementos intervenientes de transmissão.

[00016] Os repetidores 230 são tipicamente espaçados entre dezenas de metros a várias centenas de metros. O número total de repetidores pode variar entre dezenas a milhares, dependendo do comprimento da coluna e da tecnologia utilizada para a geração dos sinais e o transporte dos sinais. A partir da visão da rede, o efeito de repetidores é uma redução da velocidade do sinal e dos dados. Apesar de um sinal poder se propagar dentro de um único segmento de cabo a aproximadamente 2/3 da velocidade da luz no ar livre, os típicos retardos de sinais em um sistema de transmissão do tipo repetidor são da ordem de 0,01-10 milissegundos por quilômetro ou 0,1-100 milissegundos de tempo de transmissão ponta a ponta para uma coluna de 10-km. Se for usada uma única linha de transmissão 300 para comunicações de duas vias, ou se forem usadas várias linhas de transmissão 300 em paralelo com a mesma direção do sinal em um dado ponto no tempo, esse retardo ponta a ponta deve ser mantido o menor possível, porque todos os sinais que viajam em uma direção devem ser recebidos antes que a direção do fluxo do sinal seja revertido, provocando uma pausa nas comunicações de dados. Portanto, existe um forte desejo para que a propagação do sinal seja a mais rápida possível, e para que o tempo necessário para repetir um sinal seja o menor possível, e para o tempo de transmissão ponta a ponta (a “latência da transmissão”) seja o menor possível e para que o tempo necessário para mudar as direções da comunicação seja o menor possível.

[00017] Se, em pontos específicos ao longo da coluna de tubos, for necessária mais funcionalidade que a provida por um repetidor básico, um dispositivo “nodo” é inserido na coluna. Um nodo pode transportar um único sensor ou múltiplos sensores, ou pode transportar um único atuador ou múltiplos atuadores, e um nodo pode também constituir a funcionalidade de um repetidor. Como mostrado na figura 3, sob o controle da interface do nodo 254, transceptores de linha 252 ligam e desligam suas respectivas saídas e dirigem os segmentos “superior” e “inferior” da linha 300 como necessário para rotear os sinais, O interface do nodo 252 comunica-se com a interface atuadora 256 e/ou a interface sensora 258, como exigido pela configuração específica do atuador e/ou do sensor do nodo. A interface do nodo 252 pode também constituir a função de lógica repetidora 234. Esse um nodo 250 está eletricamente em série com a linha de transmissão 300, o que simplifica os protocolos de roteamento e comunicação, mas que não constitui uma arquitetura isenta de falhas. Como acima mencionado, existe um forte desejo de uma capacidade disponível de transmissão para que seja isenta de falhas, de maneira que o link entre BHA e a superfície não seja perdido, mesmo no caso de mau funcionamento em um ou mais elementos intervenientes de transmissão.

[00018] Tipicamente, as únicas fontes de energia prontamente disponíveis ao longo de uma coluna de fundo de poço são as baterias. Essas baterias são tipicamente montadas a partir de células primárias ou secundárias com base em lítio. As células têm capacidade limitada de energia e não são acessíveis para serem substituídas ou para serem recarregadas por períodos de semanas e meses. Portanto, existe um forte desejo para minimizar o consumo de energia elétrica de repetidores e nodos. Esse consumo mínimo de energia pode ser obtido minimizando a atividade exigida por cada repetidor ou nodo, e/ou minimizando o tempo em que um repetidor ou nodo está ativo e/ou minimizando a largura da banda de dados e, portanto, o consumo de energia por repetidor (e/ou por nodo) e/ou usando a capacidade do canal existente da forma mais eficiente possível. Portanto, existe um forte desejo para prover meios de comunicações ao longo da rede que sejam os mais eficientes possíveis em relação ao consumo de energia ao longo da(s) linha(s) de transmissão.

[00019] Por razões de segurança, é altamente desejável a construção de repetidores como unidades seladas hermeticamente. Como partes da coluna de tubos, repetidores e dispositivos de nodo podem operar dentro da zona de segurança mais crítica da plataforma de perfuração (“Zona 0”), que pode conter gases altamente inflamáveis e/ou combustíveis ou misturas de gases como uma combinação de metano e ar. Unidades seladas hermeticamente podem demonstrar ser seguras nessas circunstâncias, mesmo que uma descarga explosiva da unidade interna de armazenagem de energia (tipicamente uma célula de bateria primária) esteja contida dentro do envoltório selado. Por outro lado, essas unidades seladas hermeticamente podem não ser reparáveis e não poder passar por manutenção. Portanto, para prover suficiente tempo de serviço, existe um forte desejo para que a eletrônica do repetidor seja a mais simples possível e para consumir o mínimo possível da carga da bateria. Portanto, existe um forte desejo para prover meios de comunicações que coloquem somente baixas demandas na eletrônica do repetidor em termos de complexidade, consumo de energia, e capacidades de processamento de dados, mantendo ao mesmo tempo altas velocidades de sinalização e altas velocidades de produção de dados.

[00020] Durante longas operações de construção de poços, pode não ser possível fazer a manutenção ou substituir os repetidores e/ou nodos. Nessas circunstâncias, algumas das baterias internas podem descarregar enquanto o sistema de comunicações ainda esteja em operação. Esse descarregamento prematuro pode ocorrer, por exemplo, devido às tolerâncias de fabricação e/devido à prolongada exposição a altas temperaturas no fundo de um poço. Portanto, existe um forte desejo para prover os meios de comunicações que possam fazer a ponte entre um ou mais repetidores e/ou nodos não energizados.

[00021] Durante as operações normais, longos retardos sem a atividade das comunicações ocorrem normalmente. Esses retardos ocorrem, por exemplo, durante o transporte do tubo, quando o tubo estiver em standby ou no rack ou quando o tubo estiver sendo utilizado para propósitos de construção de poços além de perfuração/comunicação, como o cimento de bombeamento ou fluidos de fracionamento. Pelos motivos acima mencionados, existe um forte desejo de prover meios de comunicação que possam colocar-se nos tempos adequados nos modos stand-by que exijam pouca ou quase nenhuma energia, estendendo assim o tempo de vida das fontes internas de energia como as baterias.

[00022] Durante operações normais, segmentos de tubos podem ter usos muito diferentes. Alguns segmentos de tubo podem estar no poço somente por pequenos períodos de tempo, outros segmentos podem estar no poço por longos períodos de tempo, e ainda outros segmentos podem estar em standby por todo o tempo. Se muitos, senão todos os segmentos de tubo contiverem um repetidor, esses repetidores podem ter perfis de uso muito diferentes durante o processo de construção do poço. Como resultado, as fontes internas de energia podem se descarregar de diferentes formas. Não seria prudente estimar o tempo restante de serviço desse sistema de comunicações com base em um perfil “médio” de uso, e, por outro lado, não seria econômico estimar o tempo restante de serviço desse sistema de comunicações com base em um perfil de uso de “pior caso”. Portanto, existe um forte desejo de um sistema de comunicações que possa rastrear o perfil de uso de cada fonte interna de energia, que possa interrogar o status de cada fonte interna de energia antes de essa fonte de energia entrar em operação no poço e que possa automaticamente indicar a necessidade de uma fonte interna de energia a ser substituída ou para que o dispositivo que contenha essa fonte de energia seja substituída.

[00023] Como acima mencionado, um sistema de transmissão de dados de fundo de poço pode ter importantes funções de segurança. Por exemplo, sensores no BHA podem detectar condições inseguras de perfuração, como uma abordagem a uma bolha de gás subterrânea que precise ser comunicada imediatamente à superfície. Portanto, existe um forte desejo de estabelecer prioridades entre fontes de dados, com o BHA tipicamente recebendo a mais alta prioridade para transmitir dados para a superfície, e para mecanismos que garantam urn link de comunicações operando do BEIA para a superfície, mesmo na presença de interrupções e mau funcionamento de hardware nos repetidores e/ou nodos intervenientes.

[00024] O modo de transmissão de um sistema de transmissão de dados de fundo de poço é tipicamente bit-serial devido aos gastos supramencionados do hardware associado ao provisionamento do canal de transmissão ao longo de toda a coluna. A constituição de muitos canais paralelos aumentaria significativamente o custo desse sistema de transmissão de fundo de poço. Os bits são tipicamente representados por “pulsos” como mostrado na figura 17. Existem vários esquemas para a translação entre bits e pulsos, esses esquemas geralmente conhecidos como “códigos de linha”. Um desses possíveis códigos é mostrado na figura 17a. Uma sequência de pulsos, onde cada pulso pode ser um curto surto de sinal portador de alta frequência, codifica uma sequência de bits de maneira que os pulsos “clock” espaçados regularmente (“C”) estabelecem um padrão de temporização e os pulsos de “dados” (“D”) representam a informação. A presença ou a ausência de um determinado pulso D representa uma lógica “0” ou “1” ou vice-versa, isto é, um par de um pulso O e um pulso D transporta 1 bit de informação. Como mostrado na figura 17b, a taxa de dados pode ser aumentada mudando a taxa de pulsos C para D, de maneira que um número fixo de mais de um D pulsos siga cada pulso C. No extremo dos códigos de linha self-clocking, somente pulsos D são utilizados.

[00025] Existem muitos possíveis códigos de linha e as apresentações das figuras 17a e 17b simplesmente servem como exemplo para auxiliar na compreensão da presente invenção. Por exemplo, códigos de linha podem usar a posição do pulso, a largura do pulso, a amplitude do pulso, a fase do pulso e/ou a frequência do pulso, entre outros parâmetros, para representar uma pluralidade de bits de dados em um único pulso. Esses diferentes códigos de linha, entretanto, podem induzir diferentes cargas em termos de capacidades de manuseio de sinal na eletrônica do repetidor. Cada repetidor deve ser capaz de restaurar corretamente essas propriedades físicas dos pulsos que codificam as informações, enquanto as propriedades físicas dos pulsos que não codificam as informações podem ser trocadas durante o processo de transmissão. Cada uma dessas propriedades físicas pede diferentes capacidades do repetidor para reconhecer os pulsos de chegada e para gerar os pulsos de saída, com cada capacidade adicionando complexidade à eletrônica e aumentando o consumo de energia. Portanto, existe um forte desejo para prover esquemas de codificação de linha que sejam tanto eficientes em termos de transmissão de dados, isto é, obter uma alta taxa de bits por pulso ou grupo de pulsos, enquanto ao mesmo tempo coloca somente baixas demandas nas capacidades de processamento do sinal dos repetidores.

[00026] Como os dados são transmitidos em um canal físico, são sujeitos a interferências, seja do ruído elétrico randômico ou das interferências elétricas que podem surgir de dentro do próprio sistema de comunicações. Como em todo sistema de transmissão de dados, uma determinada quantidade de dados transmitidos pode ser perdida, destorcido ou ide qualquer outra forma afetada durante o trânsito. Como deve ficar óbvio a partir da descrição acima, a maioria, senão todos os dados transmitidos em um sistema de transmissão de fundo de poço possuem missões críticas e devem ser transmitidos e recebidos sem erros. Portanto, os dados devem ser salvaguardados por paridade de dados, que é utilizada por hardware e software de verificação de erros e/ou de correção de erros, para garantir a integridade dos dados. Em uma rede de capacidade limitada, como no caso de uma rede de fundo de poço, a quantidade necessária de paridade de dados deve ser relativamente pequena comparada com os dados de carga útil transmitidos, de maneira a manter a eficiência de todo o sistema. Além disso, a detecção de erros e/ou a correção de erros deve ocorrer com o mínimo possível de headers no sistema. A partir do exposto, deve ter ficado claro que a mudança das direções dos sinais pode ser um processo consumidor de tempo e, portanto, a retransmissão dos dados também pode ser consumidora de tempo. Portanto, existe um forte desejo de prover meios de comunicações isentas de erros ao longo da rede e que sejam eficientes com relação ao uso de largura de banda e despesas de sistema e que sejam dimensionadas para as particularidades de uma rede de fundo de poço, isto é, minimizando o número de comutações de comutações necessárias.

[00027] Uma abordagem normalmente usada organiza os bits de informações a serem transmitidos em um canal em agregados chamados pacotes, que contêm tanto os dados de usuário (“payload”) e dados descritivos (“header”). Tipicamente, os bits são agrupados em bytes e os pacotes consistem *de vários bytes. Cada byte ou grupos de bytes têm funções específicas em um pacote: por exemplo, endereço de destino, endereço de origem, comprimento do pacote, dados de payload, verificação de bytes, etc. Todos os bits compreendendo em um pacote são transmitidos em um bloco único, sem interrupções, entre nodos de rede. Os pacotes de dados são separados por curtos períodos de tempo em que nenhum dado é transmitido. Essas falhas são necessárias para permitir que uma rede de pacote comutado mude o roteamento entre nodos de rede e roteiem os pacotes individuais em diferentes caminhos de sinais, como necessário. As informações de como dispor o caminho de rateamento em uma base por pacote são obtidas a partir dos headers dos pacotes e das tabelas de roteamento que descrevem a configuração corrente da rede. Qualquer nodo de rede pode determinar a partir de um pacote por inspeção (a) a validade do pacote, e (b) a disposição pretendida do pacote. Um nodo pode ser por si um recipiente pretendido de um pacote ou o nodo pode ser necessário para enviar um pacote. Pacotes danificados, em que os bytes de verificação não concordam com o resto do pacote, são tipicamente descartados logo que detectados. A organização dos dados em pacotes é um método bem conhecido para o roteamento de dados em uma rede. Infelizmente, pode ser um método muito ineficiente nos casos em que grandes números de fontes de dados tenham que compartilhar um único canal de sinais, como é naturalmente o caso para uma rede de fundo de poço.

[00028] Outro problema com a abordagem de pacotes é a perda da largura de banda dos dados associada aos dados de não payload como o header de pacote. Os dados em tempo real devem ser frequentemente atualizados, isto é, vindo em pedaços relativamente pequenos, e empacotar os dados de payload pode exigir um número comparativamente significativo de outros bits não payload.

[00029] Ainda outro problema com o empacotamento de dados é o overhead associado à configuração da linha de transmissão acima de cada transmissão de dados e a velocidade finita da propagação de sinais por meio de uma rede repetidor- amplificada. Todas as vezes em que muda a direção do sinal, é gasto um tempo esperando que o último pacote que viaja na direção antiga chegue a seu destino e para o ajuste de uma nova direção oposta de dados ao longo de toda a linha de transmissão, reduzindo ainda mais a eficiência de uma rede limitada por largura de banda.

[00030] A partir da descrição acima do problema geral das comunicações de fundo de poço e das várias abordagens para solucioná-lo, pode ser prontamente visto que novas soluções são necessárias para se constituir a rede de comunicações de fundo de poço que possa compreender um grande número de repetidores e/ou de nodos de comunicações, e que preencha os requisitos de alta eficiência, combinados com baixo consumo de energia e de operação segura contra falhas e que possa combinar as comunicações simultâneas priorizados de conjunto com as comunicações ponta a ponta, usando um único ou um pequeno número de linha(s) paralela(s) de transmissão. A presente invenção objetiva essas necessidades na técnica.

Sumário

[00031] Um sistema de transmissão de dados de fundo de poço objetiva as necessidades na técnica comunicando dados ao longo de uma coluna de fundo de poço incluindo um mestre de comunicações selecionado do grupo incluindo uma interface de superfície, uma interface de fundo de poço, e um nodo, e incluindo uma linha de comunicações incluindo uma pluralidade de segmentos de transmissão que transportam sinais ao longo da coluna de fundo de poço, e uma pluralidade de repetidores de sinal de baixa potência que periodicamente renovam e restauram os sinais transmitidos ao longo da coluna de fundo de poço. Para minimizar o consumo de energia e melhorar a eficiência das comunicações, a interface de superfície, o nodo, e a interface de fundo de poço comunicam-se na(s) linha(s) de comunicações usando pulsos de energia de radiofrequência. Esses pulsos podem ser organizados em quadros de dados que podem incluir um ou mais pulsos de despertar. O sistema de transmissão de dados pode ainda ser caracterizado em que os repetidores e/ou o mestre de comunicações estejam conectados à linha de comunicações de forma à prova de falhas em que os pulsos de energia de radiofrequência desviam ou passam pelo repetidor de sinais e/ou pelo mestre de comunicações quando o repetidor de sinais e/ou o mestre de comunicações falham.

[00032] Em uma realização exemplar, o sistema de transmissão de dados é caracterizado em que os repetidores e/ou os nodos estão conectados à(s) linha(s) de comunicações em uma configuração em “T” ou de “fragmento lateral” para prover operações à prova de falhas na(s) linha(s) de comunicações. O sistema de transmissão de dados nesse sistema é ainda caracterizado em que os repetidores e/ou os nodos estão conectados à(s) linha(s) de comunicações paralelas a um comutador que é definido fechado ou definido aberto em seu estado desativado para prover operações à prova de falhas na(s) linha(s) de comunicações.

[00033] Na mesma realização ou em outra realização exemplar, o quadro de dados inclui pelo menos um pulso de despertar e um ou mais pulsos de dados. Na realização exemplar, o mestre de comunicações comunica-se pela(s) linha(s) de comunicações modulando os dados em pulsos de energia de radiofrequência e pelo menos uma das pluralidades de repetidores de sinais regenera os pulsos de energia de radiofrequência sem decodificar todos os ditos dados modulados nos pulsos. Preferencialmente, os pulsos de energia de radiofrequência desviam ou passam pelo repetidor de sinais à prova de falhas quando o repetidor de sinais à prova de falhas falha. Além disso, o mestre de comunicações pode receber prioridade de transmissão com relação aos dispositivos de transmissão. Os respectivos quadros de dados também podem ser espaçados para permitir a transmissão de dados de alta prioridade entre quadros de dados.

[00034] Essas e outras caracteristicas da invenção ficarão aparentes para os técnicos no assunto a partir da seguinte descrição detalhada. Breve descrição dos desenhos

[00035] A figura 1 é uma representação esquemática de um ambiente de perfuração com os elementos de transmissão de dados instalados;

[00036] A figura 2a é uma representação esquemática de um repetidor de sinais genérico da técnica anterior;

[00037] A figura 2b é uma representação esquemática de um repetidor de sinais de acordo com a presente invenção;

[00038] A figura 2c é uma representação esquemática de outro repetidor de sinais de acordo com a presente invenção;

[00039] A figura 3 é uma representação esquemática de um nodo genérico da técnica anterior;

[00040] A figura 4 é uma representação esquemática de um nodo de acordo com a presente invenção;

[00041] A figura 5 é uma representação esquemática de outro nodo de acordo com a presente invenção;

[00042] A figura 6 é um desenho conceituai de uma junção de tubos de acordo com a presente invenção, seccionado paralelo ao eixo principal e com elementos do sistema de transmissão de dados instalados;

[00043] A figura 7 é um desenho conceituai de uma junta curta de acordo com a presente invenção, seccionada paralelo ao eixo principal e com elementos do sistema de transmissão de dados instalados;

[00044] A figura 8 é uma vista em seção transversal da junção de tubos mostrada na figura 6 ao longo do plano A-A’;

[00045] A figura 9 é uma vista rotulada “B” nas figuras 6 e 7, mostrando a extremidade do pino e o acoplador do pino;

[00046] A figura 10 é uma vista rotulada “B” nas figuras 6 e 7, mostrando a extremidade do pino e uma realização alternativa do acoplador do pino;

[00047] As figuras 11a - 11c são seções transversais ao longo dos planos B-B’, C-C e D-D, correspondendo à figura 10;

[00048] A figura 12 é uma vista rotulada “C” nas figuras 6 e 7, mostrando a extremidade da caixa repetidora;

[00049] A figura 13 é um diagrama de blocos de circuito conceituai da eletrônica do repetidor;

[00050] A figura 14 é um diagrama de blocos de circuito conceituai da eletrônica do bastidor do nodo;

[00051] A figura 15 é uma vista conceituai de uma junta de ferramenta montada com repetidor “botão”;

[00052] A figura 16 é um diagrama de blocos de circuito conceituai de eletrônica de repetidor “botão”;

[00053] As figuras 17a - 17b são representações esquemáticas de dois códigos de linha PCM;

[00054] A figura 18 é uma representação esquemática de um código de linha PPM;

[00055] A figura 19 é um diagrama esquemático de blocos de um modem nodo/terminal;

[00056] A figura 20 é um diagrama esquemático de blocos da unidade FEO de um modem nodo/terminal;

[00057] A figura 21 é um diagrama esquemático de blocos de parte do codificador PPM de um modem nodo/terminal;

[00058] A figura 22 é um diagrama esquemático de blocos de parte do codificador PPM de um modem nodo/terminal;

[00059] A figura 23 é um diagrama esquemático de blocos da unidade de correção de erros de um modem nodo/terminal;

[00060] A figura 24 é um diagrama conceituai de temporização de um ciclo de comunicações;

[00061] As figuras 25a- 25c são diagramas conceituais de temporização de sequências de comunicações; e

[00062] As figuras 26a- 26c são diagramas conceituais de temporização de outras sequências de comunicações.

Descrição detalhada das realizações ilustrativas

[00063] Segue uma descrição detalhada das realizações ilustrativas da presente invenção com referências às Figuras 2b-26c. Apesar de esta descrição prover um exemplo detalhado das possíveis constituições da presente invenção, deve ser notado que esses detalhes são somente exemplares e, de forma nenhuma delimitam o escopo da invenção.

[00064] A figura 2b mostra uma possível constituição da operação preferida “fail-safe” (à prova de falhas) preferida de um repetidor de acordo com a invenção. O repetidor 234 tem interface com a linha de comunicações 300 em uma configuração em “T” ou de “fragmento lateral”. Nessa configuração, fica pronto para dispor transceptores 232 que não interfiram com a linha 300 no caso de uma falha do repetidor os sinais podem desviar o repetidor defeituoso usando a conexão de “passagem direta” existente. Os repetidores de operação, por outro lado, monitoram os sinais de linha e substituem os sinais fracos por novas cópias com níveis restaurados de tensão e temporização restaurada. Os sinais, uma vez lançados na linha de transmissão 300, estão livres para viajarem na linha, somente limitados em suas faixas pelo processo de dissipação da transmissão. O roteamento correto dos sinais é, portanto mais complexo e deve levarem conta as propriedades físicas da linha 300. Como os transceptores 232 têm acessos elétricos iguais à linha de transmissão, pode ocorrer a corrupção do sinal se dois ou mais transmissores estiverem simultaneamente ativos e os protocolos adequados e as salvaguardas fail-safe devem garantir que essas situações não surjam.

[00065] A figura 2c mostra outra possível constituição da operação preferida “fail-safe” de um repetidor. Aqui, o repetidor 234 tem interface com a linha de comunicações 300 em uma combinação “T” e configurações “serial”. Nessa configuração “paralela”, é também recomendado dispor os transceptores 232 para não interferirem com a linha 300 no caso de uma falha do repetidor e os sinais possam desviar o repetidor defeituoso por uma conexão de passagem direta. O comutador 236 mostrado na Figura pode ser um comutador semicondutor baseado na tecnologia FET de alta frequência. Um componente adequado é o circuito integrado BF1Í18 fabricado pela NXP Semiconductors N.V., 5656 AG Eindhoven, The Netherlands. Esse componente compreende um transistor de efeito de campo tipo depletor (FET) que implementa um comutador para sinais de alta frequência que fica fechado (isto é, quase transparente para sinais) quando desenergizado, provendo assim um caminho de sinal default com passagem livre. O comutador 236 pode ser controlado por uma unidade microprocessadora (MPU) 410 (não mostrada na Figura 2c para clareza) ou por hardware dedicado que só abre o comutador se (a) existir energia elétrica (tipicamente de uma bateria), (b) o MPU 410 ou o próprio hardware dedicado esteja operando de forma adequada, e (c) o MPU 410 ou o hardware dedicado detectar a operação adequada dos transceptores 232 e da lógica repetidora 234. A constituição “paralela” combina as vantagens da configuração “T”, isto é, do bypass fail-safe de um repetidor com defeito ou desligado, com as vantagens da configuração “serial”, como a facilidade do roteamento do sinal e simples protocolos de comunicações.

[00066] Como acima mencionado, um nodo do tipo “serial”, como o nome implica e como mostrado na figura 3, está eletricamente em série com a linha de transmissão 300, que simplifica o roteamento e os protocolos de comunicações, mas não constitui uma arquitetura “failsafe”. Para aplicações críticas, como comunicações de fundo de poço, é preferida uma comunicação fail-safe, como a constituição “T” da figura 4. A configuração da figura 4 precisa de protocolos de comunicações mais complexos, mas oferece um método fail-safe para desligar um nodo com defeito. Se um nodo perde potência ou sofre uma falha, os transceptores conectados à linha 300 reduzem a potência, o que efetivamente desliga eletricamente o nodo da linha de transmissão 300 e habilita os sinais para atravessarem o nodo defeituoso em ambas as direções.

[00067] A figura 5 mostra a configuração “paralela” para um nodo failsafe. Nesse caso, uma combinação das configurações “T” e “serial” é utilizada. Em analogia com o repetidor da figura 2c, o nodo da figura 5 incorpora um comutador de alta frequência 236 que liga eletricamente os segmentos da linha de transmissão 300 quando desligados, provendo assim um caminho de sinal default com passagem livre. O comutador é controlado por um MPU 410 (não mostrado na Figura 5 para clareza) ou hardware dedicado que abra o comutador somente se (a) existir energia elétrica (tipicamente de uma bateria) (b) o MPU 410 ou o próprio hardware dedicado estiver funcionando de forma adequada, e (c) o MPU 410 ou o hardware dedicado detectar operação adequada do nodo, em particular dos transceptores 252 e da interface do nodo 254. A constituição “paralela” combina as vantagens da configuração “T”, isto é, fazendo o bypass fail-safe de um repetidor defeituoso ou sem energia, com as vantagens da configuração “serial”, como para a facilidade do roteamento do sinal e simples protocolos de comunicações. Se um nodo perde potência ou sofre uma falha, os transceptores 252 conectados à linha 300 perdem potência e o comutador 236 fecha, o que efetivamente desliga o nodo eletricamente da linha de transmissão 300 e habilita os sinais a atravessarem o nodo com falha em ambas as direções.

[00068] As arquiteturas fail-safe, como as exemplares descritas acima, podem ser constituídas nos sistemas de comunicações, compreendendo segmentos de uma linha de transmissão 300. Caso sejam utilizadas uniões de tubos do tipo “Range 2”, esses segmentos têm tipicamente 31 pés de comprimento. Caso sejam utilizadas uniões de tubos do tipo “Range 3”, esses segmentos têm tipicamente 46 pés de comprimento. Outros componentes da coluna de tubos podem ter comprimentos irregulares e, portanto, podem compreender segmentos da linha de transmissão 300 de comprimentos irregulares.

[00069] Segmentos da linha de transmissão 300 podem ser constituídos usando cabos coaxiais. Os segmentos da linha de transmissão 300 também podem ser constituídos usando cabo (DTP) não blindado de par dobrado ou cabo (STP) blindado de par dobrado. Os segmentos da linha de transmissão também podem ser constituídos usando fios simples, com o tubo metálico ou uma de suas partes utilizada como caminho elétrico de retorno.

[00070] Em uma realização particular, pode ser usado um segmento de linha de transmissão 300. Alternativamente, podem ser usados dois ou mais segmentos paralelos da linha de transmissão 300. Também, o número de segmentos paralelos da linha de transmissão 300 pode diferir entre segmentos adjacentes da coluna de tubos. Por exemplo, uniões de tubos regulares podem ser equipadas com dois segmentos paralelos da linha de transmissão 300 para prover redundância no caso de uma falha dos cabos. Como pode haver 1.000 ou mais dessas uniões de tubos em uma coluna, essa redundância nas uniões de tubos pode ser essencial para o funcionamento do sistema de comunicações. Um componente especializado da coluna de tubos, entretanto, dos quais somente pode haver um ou uns poucos na coluna de tubos, pode ser ligado somente com um único segmento de linha de transmissão 300. Os exemplos desses componentes especializados utilizados nas colunas de perfuração são jarros, escareadores, alargadores de furos e centralizadores, para citar alguns.

[00071] As uniões de tubos podem ser conectadas a outras uniões de tubos e/ou outros componentes da coluna por meio de conexões rotativas. Naquela união, acopladores eletromagnéticos podem acoplar sinais bidirecionalmente entre linhas de transmissão adjacentes 300. Esse acoplamento pode ser indutivo ou capacitivo ou pode ser feito por meio de acoplamento eletromagnético de curta distância de alta frequência. No último caso, os acopladores podem compreender uma ou mais antenas de alta frequência que podem ser colocadas em ressonância eletromagnética na frequência de operação e trocam energia eletromagnética enquanto em ressonância. É vantajoso escolher um mecanismo de acoplamento que seja consistente com a propagação de sinais na linha de transmissão 300, por exemplo, um que use a mesma frequência de cadeia alternada que a da linha de transmissão. Assim, o uso de transponders ou translacionadores em cada união é desnecessário. Foi achado que curtos surtos (“pulsos”) de energia eletromagnética na faixa de frequência de 10 MHz a 3 GHz viajam bem nas linhas de transmissão. Além disso para bem acoplar nos vãos entre segmentos da linha de transmissão, e para levar os acopladores eletromagnéticos em ressonância, e para serem repetidos por eletrônica simples que possa ser energizada por pequenas baterias por longos períodos de tempo. Em uma realização exemplar, a frequência de operação e a frequência de sintonia dos acopladores podem ser selecionadas na faixa de aproximadamente 50 MHz a 500 MHz.

[00072] A figura 6 mostra de forma exemplar uma possível constituição de sistema de transmissão de dados em uma coluna de tubos, que pode ser utilizada, por exemplo, como uma coluna de perfuração. Sinais, dados e/ou potência são transportados de forma redundante em dois segmentos paralelos da linha de transmissão 220 montados dentro de cada junção de tubos 120. Preferencialmente, as linhas de transmissão localizam-se o mais distantes uma da outra de maneira que um evento danoso que destrua um dos segmentos de linha de transmissão 220 não tenha probabilidade de danificar os demais segmentos de linha de transmissão 220. A junção de tubos 120 é mostrada na figura 6 cortada paralela a seu eixo, com dois segmentos da linha de transmissão 220, um repetidor 230 (mostrado como exemplo) ou um nodo 250 (não mostrado) e acopladores eletromagnéticos 61 e 62 instalados. A caixa 31 da junção de tubos 120 tem furos traseiros para acomodar o repetidor 230. O repetidor 230 abriga os acopladores 63 e 64. Dentro dc repetidor 230 e vedado contra o exterior localizam- se várias cavidades 52 que podem abrigar circuitos eletrônicos e baterias. Cavidades adjacentes 52 podem ser unidas para simplificar as ligações elétricas ou para abrigar componentes elétricos com formas estranhas. O acoplador virado para dentro 63 interfaceia com o acoplador montado na caixa 61. O acoplador montado na caixa 61 está ligado eletricamente por linhas de transmissão 220 ao acoplador montado em pinos 62. Quando a conexão é feita, o pino 33 da junção de tubos adjacentes se acopla ao lado virado para fora do repetidor 230 nos apoios 35 de maneira que o acoplador montado em pinos da junção de tubos adjacentes interfaceie com o acoplador 63. Assim, uma coluna de tubos montada contém uma corrente contínua de linhas de transmissão 220 que prolonga o comprimento da seção tubular 32, acopladores 61 e 63 e repetidores 230 com acopladores 62 e 64. Essa cadeia é capaz transmite dados de telemetria de alta velocidade em ambas as direções por sinais portadores de radiofrequência que são modulados com os dados. Essa corrente é também capaz de transmitir potência de alta frequência útil para o acionamento de repetidores, eletrônica sensora e para a recarga de baterias recarregáveis contidas nos repetidores e/ou na eletrônica sensora.

[00073] A figura 7 mostra uma junta curta ou “pup” 121, que consiste de uma união de ferramenta caixa 31 e uma união de ferramenta pino 32 soldadas sem um tubo intermediário. Alternativamente, pode ser usado um tubo curto. A caixa tem furos na traseira e pode abrigar um repetidor 230 (não mostrado) ou um nodo 250 (mostrado como exemplo). As linhas de transmissão 220, que conectam os acopladores 61 e 62, estão contidas nos canais de roteamento 41. O propósito da junta pup pode ser a introdução de um repetidor ou de um nodo em qualquer local desejado dentro da cadeia de transmissão de dados sem usar todo o comprimento da junção de tubos. Pode ser necessário introduzir um repetidor em íntima vizinhança de um componente da coluna de tubos com fiação passante passivamente. Esse componente da coluna de tubos passiva pode não ter espaço para montar um repetidor dentro do componente. Também pode ser desejável introduzir um nodo nos vários locais dentro da coluna de tubos para sentir as condições locais da coluna de perfuração ou as condições de formação ou as condições do fluido de perfuração. Pode também ser desejável introduzir um nodo em vários locais dentro da coluna de tubos para abrigar os atuadores, como comutadores e/ou válvulas mecânicas. Em todos esses casos exemplares, uma junta pup como mostrada na figura 7 pode ser benéfica.

[00074] Uma vista em corte no tubo 32 e nos segmentos da linha de transmissão 220 ao longo do plano A-A’ da figura 6 é mostrada na figura 8. Os segmentos da linha de transmissão 220 podem ser constituídos de cabos coaxiais blindados com aço nos lados opostos da junção de tubos 120 como ilustrado. Os cabos também podem ser montados em ângulos diferentes de 1800 um em relação ao outro. Preferencialmente, os cabos são da variedade de baixa perda adequados para operação em até 3 GHz. São adequados os cabos de diâmetros por volta de 0,250” (6,4 mm), com condutor interno sólido ou em fios com diâmetro de cerca de 1 mm e com politetrafluoroetileno sólido (PTFE) como dielétrico. Alternativamente, os segmentos da linha de transmissão 220 podem ser constituídos como cabos de pares dobrados (TP), preferencialmente da variedade blindada (STP) Cabos STP com isolação de cabos PTFE são prontamente disponíveis com uma variedade de principais diâmetros adequados e podem ser roteados por meio de tubos de aço que atuem como blindagem protetora do(s) cabo(s) TP. A faixa das impedâncias características preferidas de segmentos da linha de 220 é cerca de 50-100 ohm.

[00075] Como mostrado na figura 9, que é uma vista “B” nas figuras 6 e 7, a face do pino 33 abriga um acoplador 62 contido em uma ranhura circular 70 de aproximadamente 5 mm de largura e 5-10 mm de profundidade. Apesar de não mostrada na figura 9, a seguinte discussão aplica-se igualmente ao acoplador de caixa 61 e aos acopladores montados em repetidores 63 e 64. As paredes das ranhuras 70 podem ser revestidas com uma camada condutora eletricamente alta, como um filme de cobre, prata ou ouro nebulizadc com plasma. O acoplador 62 é uma unidade autocontida e encapsulada que pode ser adaptada por pressão na ranhura 70. Um componente ativo no interior do acoplador 62 é uma antena circular 71. A antena 71 é enterrada com um acoplador 62 em uma profundidade de 1-2 mm, protegendo assim a antena contra danos. A antena 71 preferencialmente compreende múltiplos segmentos de cabo (“segmentos de antena”) 173 de aproximadamente iguais comprimentos. Enterrado abaixo dos segmentos de cabo 173 e também parte da estrutura da antena é um anel metálico 175 (não visível na figura 9) . O anel metálico traz estabilidade mecânica e integridade para a estrutura do acoplador e também serve o propósito elétrico do fechamento dos caminhos da corrente elétrica dentro da estrutura da antena. Portanto, os segmentos de antena e o anel metálico devem ser revestidos com um material elétrico altamente condutor como cobre, prata ou ouro. A distância entre o(s) segmento(s) de antena e o anel metálico deve(m) estar na ordem de milímetros para obter uma boa sensibilidade na antena.

[00076] Preferencialmente, os segmentos de cabo 173 são colocados em ressonância elétrica por meio de blocos de capacitores 74 e 78. Cada bloco de capacitor pode compreender um ou mais capacitores individuais. É também possível deixar (a) bloco(s) de capacitore(s) não povoados. A frequência de ressonância é escolhida para estar na frequência de operação do sistema, provocando a amplificação das tensões e das correntes elétricas na estrutura da antenas formadas pelos segmentos de cabo 173 e capacitores 74 e 78. Existem vários esquemas para obter ressonância na estrutura da antena. Como exemplo e sem perda da generalidade, cada segmento de cabo 173 pode ser finalizado por um capacitor individual em cada extremidade. Esse projeto equilibrado demonstra certas vantagens, como uma sensibilidade muito baixa com relação às capacitâncias parasitas. Em uma constituição, os blocos capacitores 74 contêm cada um dois capacitores (cada um pertencendo a cada segmento da antena vizinha 173, e os blocos capacitores 78 não são povoados). Os blocos capacitores 74 e 78 podem abrigar capacitores de dispositivos montados na superfície (SMD) que são protegidos contra estresses mecânicos por serem encapsulados em um bloco. Os blocos podem ser formados a partir de plásticos de alta temperatura, epóxis reforçados de alta temperatura, vidros de alta temperatura ou podem ser “caixas” cerâmicas em miniatura. As ligações elétricas necessárias dentro e fora dos blocos são feitas por meio de calhas elétricas de alimentação.

[00077] A antena 71 está permanentemente conectada eletricamente a um ou mais conectores de radiofrequência, de alta temperatura 174 que fazem parte do acoplador 62 (ou 61, 63, 64, respectivamente). Esses e outros mais conectores combinam com outro conjunto de conectores que são fixados a cabos 220 (escondidos na vista da figura 9). Ao instalar o acoplador 62 (ou 61, 63, 64) na ranhura 70, os conectores correspondentes se acoplam e conectam-se eletricamente os segmentos de antena 173 aos correspondentes segmentos de cabos 220. Assim, existe um relação unívoca entre segmentos de antena 173 em um acoplador do pino 62 e segmentos de cabos 220 e dos segmentos de antena 173 em um acoplador de caixa 61.

[00078] Em condições normais de operação, os segmentos de antena 173 ressoam de forma sincrônica entre si. Entretanto, apesar de mecânica e eletricamente conectados, os segmentos de antena 173 também podem ressoar independentes um do outro. Este é o caso se um segmento de antena tiver sido danificado e/ou um cabo anexo tiver sido danificado. Se um segmento de antena 173 não ressoar na frequência de operação devido a danos, os segmento(s) de antena restante(s) 173, que ainda fazem parte de um circuito L-C capaz de ressonância (formado pelos segmentos de cabo 173 e dos blocos capacitores 74 e 78) , ainda permanecem capazes de ressonância eletromagnética na frequência de operação e assim podem transportar sinais, dados e/ou potência à volta do segmento de antena danificado.

[00079] A impedância característica de um segmento de cabo 220 geralmente não combina com a impedância característica de um segmento de antena 173. Como exemplo, uma impedância típica de cabo pode ser 50 ohm e uma impedância típica de antena pode ser 1.000 ohm. Para a transferência ideal de sinal e potência, entretanto, é desejável combinar essas impedâncias. Essa combinação de impedância pode ser feita por meio de capacitores contidos em blocos capacitores 74 e/ou 78. Em particular, os capacitores contidos em blocos 74 colocados em série entre segmento(s) de fio(s) 173 e segmento de cabo(s) 220 podem servir para isso. Se a antena for operada um pouco abaixo de sua frequência de ressonância “nativa”, a impedância dos segmentos de antena se tornam “indutivas”, e formam circuitos “L” com o(s) capacitor(es) 74. O segmento de cabo é fixo à porta de baixa impedância do circuito IJ e o segmento de antena se situa em um ponto de alta impedância do circuito “L”, realizando assim a transformada desejada de impedância.

[00080] Uma perfeita combinação de impedância com a impedância do cabo (por exemplo, 50 ohm) não é necessariamente desejável. Carregando supostamente a(s) antena(s) com impedâncias descombinadas, podem ser otimizadas as respostas dos impulsos da(s) antena(s). Como será mostrado na seção abaixo, a sinalização de linha é feita tipicamente usando curtos pulsos de radiofrequência. Esses pulsos compreendem somente um pequeno número de ciclos de radiofrequência. Uma combinação convencional ideal entre antena(s) e cabo(s) tipicamente resulta na máxima transferência possível de potência às expensas de uma borda de retardo crescente de um pulso transmitido. Assim, a redução da potência transferida entre a(s) antena(s) e os cabo(s) pelo supercarregamento da(s) antena(s), pode resultar em respostas de pulsos mais rápidas, beneficiando as maiores taxas de repetição de pulsos e, portanto maiores taxas de dados.

[00081] É também possível uma transformada de impedâncias sem um capacitor em série. Pode ser prontamente visto que os padrões de formas de ondas de permanência eletromagnética aparecem nos segmentos de antena 173. Essas ondas de permanência criam pontos de altas e de baixas tensões à volta dos segmento da(s) antena(s). Utilizando o segmento de antena(s) em pontos preselecionados, podem ser obtidas combinações de impedâncias (ou descombinações calculadas como ressaltado acima) Uma possível constituição é mostrada na figura 10. Comparada à figura 9, a estrutura da antena é girada, enquanto os conectores 174 são mantidos no lugar para fazerem interface com os cabos nas posições Norte-Sul mostrados na figura 8. A posição angular da antena de aproximadamente 45° como mostrado na figura 9 é somente exemplar. As posições angulares entre aproximadamente 0o (medidas a partir da extremidade de um segmento de antena 173) e 80° demonstraram produzir úteis relações de compromisso de combinação de impedâncias entre a capacidade de resposta entre combinação e pulsos de potência no caso do segmento de antena “balanceado” com capacitores de finalização em cada extremidade de segmento. Outras configurações de antena, como uma distribuição desbalanceada de capacitores exige outras posições angulares para a otimização da transferência de potência e/ou de resposta de impulsos.

[00082] Como mostrado na figura 11, todo o conjunto do acoplador compreendendo segmentos de antena), anel metálico, blocos capacitores e conectores está preferencialmente está alojado em um material plástico de alta temperatura 176 que não é condutor e adequado como dielétrico de radiofrequência. Materiais adequados são o polieteretercetona (PEEK), ou materiais epóxi reforçados de alto desempenho ou vários elastômeros como o fluoroelastômero “Viton Extreme”, fabricado pela DuPont, Wilmington, DE. As dimensões externas do acoplador encapsulado devem combinar com as dimensões da ranhura 70 para produzir um ajuste firme. É preferível que a parte externa final seja uma camada metálica fina e altamente condutora 73 que atue como um refletor de todos os campos de radiofrequência emitidos pelos acopladores. Essa camada deve ser aplicada por dispersão de chama em todas as superfícies do acoplador, exceto na face frontal. Obviamente, os conectores integrados 174 não devem ser encurtados no processo. A espessura da camada deve ser pelo menos três vezes a profundidade da pele elétrica na frequência de ressonância. Nas faixas de frequências de interesse (VHF) uma espessura de camada condutora de cerca de 50-100 micrômetros pode ser suficiente. Alternativamente, o conjunto do acoplador pode ser encapsulado em uma proteção de aço que se conforme com as dimensões da ranhura 70. Essa proteção pode ser vantajosa, particularmente no caso de materiais de encapsulamento macio como os elastômeros. Essa capa de proteção de aço pode também servir como uma âncora durante o processo de encapsulação, somando para a estabilidade dimensional do acoplador acabado. Pode ser vantajoso cobrir o interior da proteção com uma camada metálica fina e altamente condutora 73, ao invés de pintar ou tratar com chamas o corpo elastomérico.

[00083] As figuras 11 a -11 c detalham várias seções transversais no acoplador 62 como mostrado na figura 10. A seção transversal B-B’ (figura lia) mostra o segmento de antena 173 e o anel metálico 175, ambos integrados no material plástico 176, formando uma estrutura de anel autocontida. A estrutura é encapsulada pela camada metálica 73 em todos os lados, à exceção da face frontal do acoplador. A figura 11 b (seção transversal O-O) é um corte no acoplador em um local de um bloco capacitor 74. Esse bloco é fixo entre o anel metálico 175 e o segmento de antena 173, preferencialmente por meio de retenção, soldagem, colagem ou solda de alta temperatura. As áreas de contato metálico 7401 nos lados opostos da caixa de capacitor tornam necessários os contatos elétricos com o anel 175 e com o segmento de antena 173, também preferencialmente por meio de retenção, soldagem, colagem ou solda de alta temperatura. A figura 11c (seção transversal D-D’) detalha a área do conector 174. O conector 174 compreende um pino metálico 177 que liga o segmento de antena 173 com o núcleo interno de um cabo coaxial ou um ou ambos os fios de um cabo de par dobrado (também não mostrado na figura 11c) ; um elemento de isolação elétrica 178 que pode ser feito com o mesmo material do material de encapsulamento 176 como o PEEK, ou pode ser um material diferente como cerâmica; e uma blindagem externa metálica 179 que una a blindagem de um cabo coaxial ou a blindagem de um cabo blindado de par dobrado (STP) com o anel metálico 175 e a camada externa 73.

[00084] Apesar de a discussão acima ter sido principalmente centrada à volta do acoplador do pino 62 para clareza, aplica-se igualmente ao acoplador de caixa 61. Além disso, também se aplica aos acopladores montados em repetidores 63 e 64. Existe uma relação unitária entre os segmentos de antena 173 no acoplador do pino 62 e o acoplador de caixa 61, e assim o número de segmentos de antena 173 nesses acopladores é o mesmo. Existem algumas vantagens, por exemplo, ser fácil produzir acopladores com frequências de ressonância idênticas no caso de compartilharem dimensões idênticas. Não existem requisitos de combinação para o número de segmentos de antena nos acopladores montados em repetidores; portanto, um repetidor pode usar um número diferente de segmentos de antena 173. Com finalidades de ilustração, entretanto, será suposto a seguir que cada antena 71 compreende dois segmentos de antena 173.

[00085] Ao invés de um cabo coaxial, diferentes cabos coaxiais podem ser utilizados. Em particular, o uso de um cabo blindado de par dobrado (STP) foi achado útil. Produtos adequados são fabricados por W. L. Gore Associates, Inc., Newark, DE, as “Gore Shielded Twisted Pair I Controlled Impedance Wire”. A vantagem do uso do cabo STP pode ser apreciada considerando que a tela externa de urn cabo coaxial funciona tanto como blindagem elétrica e como blindagem magnética, portanto exigindo substanciais de transporte de corrente em uma faixa muito ampla de frequências (10 kHz - GHz), e, portanto, tomando uma valiosa área transversal. Um cabo STP, por outro lado, é magneticamente autoblindado em virtude da geometria dobrada, e exige somente uma fina blindagem elétrica como uma folha de alumínio. A espessura da folha de alumínio é bem combinada com a profundidade da pele elétrica nas frequências de operação da presente invenção, cerca de 10 MHz - 3 GHz, o que torna a folha um adequado condutor externo nessa faixa de radiofrequência (RF) Convencionalmente, em um cabo STP, os fios dobrados são usados em um circuito em série (“modo diferencial”), com impedâncias características de 100 -120 ohm. No contexto da presente invenção, entretanto, foi achado vantajoso operar os fios dobrados em paralelo (“modo comum”), com impedâncias características de 50 - 60 ohm. Para a operação em modo comum, cada extremidade de segmento de cabo, os condutores internos do cabo STP são conectados eletricamente ao pino conector do acoplador 177 e ao segmento de antena 173, enquanto a blindagem do cabo SIP está conectada eletricamente a ambas as extremidades da blindagem do conector do acoplador 179 e ao anel metálico 175. A isolação dielétrica que circunda cada fio atua para suprimir o denominado “efeito de proximidade” que, de outra forma negaria a vantagem de ter duas áreas superficiais de fio disponíveis em paralelo para o transporte da corrente RF.

[00086] Alternativamente, o cabo STP pode ser operado em “modo meio diferencial”, em que um fio é utilizado como o fio “quente” para o transporte de sinais em virtude de estar eletricamente conectado ao segmento de antena 173 (e pino 177), e o outro fio como fio de retorno “frio” em virtude de estar conectado ao anel metálico 175 (e à blindagem 179) Nessa configuração, a resistência ôhmica do cabo dobra, o que e compensado pela impedância característica do cabo, que também dobra, deixando a atenuação por unidade de comprimento do cabo aproximadamente constante. Nessa configuração, a combinação da impedância entre o acoplador e o cabo deve ser ajustada como discutido acima para evitar perdas por reflexões na interface do acoplador/cabo. Como discutido, os métodos para a combinação de impedâncias podem prontamente acomodar a impedância característica de 100 - 120 ohm exibida pelo cabo de par dobrado em “modo meio diferencial”. Também é possível o uso de um cabo de par dobrado em “modo totalmente diferencial”. Em “modo totalmente diferencial “, ambos os fios do par dobrado são “quentes”, isto é, são condutores transportadores de sinais, mas em fases CA complementares. Pode ser prontamente apreciado que segmentos de antena ressonantes adjacentes 173 têm pontos de tensões iguais, porém fora de fase em seus padrões presentes de forma de onda. Esses pontos complementares, quando ligados por pinos 177, são adequados para a conexão de um cabo de par dobrado em “modo totalmente diferencial”. As várias possíveis variações e permutações se situam no escopo da presente invenção.

[00087] A vista principal do repetidor 230 ou nodo 250, isto é, a vista rotulada “O” nas figuras 6 e 7, é mostrada na figura 12. O repetidor 230 contém em sua face para o exterior o acoplador 64. O acoplador 64 tem construção similar ao acoplador 62, que consiste de uma ranhura 70 com uma antena 71. Eletricamente, a antena 71 está conectada ao interior do repetidor 230 por meio de conectores ou alimentadores 174 (não mostrados na figura 12). Dentro do repetidor 230 e vedado contra a pressão externa, localizam-se várias cavidades com forma cilíndrica 52 que podem abrigar circuitos eletrônicos e baterias. Não são mostrados na figura 12 os canais de fios que conectam as cavidades 52 com a finalidade de roteamento da fiação de sinal e potência. O acoplador 63, que se localiza na face aposta do repetidor 230 e que não é mostrado na FIG 12, é construído da mesma forma do acoplador 64.

[00088] Um diagrama de blocos elétrico conceituai e exemplar de um repetidor 230 (e possivelmente do bastidor de um nodo 250) é mostrado na figura 13. Como discutido anteriormente, o repetidor transporta os acopladores 63 e 64. Como mostrado na realização exemplar, cada acoplador transporta uma antena 71 que compreende dois segmentos de antena 173 e dois blocos capacitores 74. O método para a combinação de impedâncias é suposto como sendo o método “tapping” da figura 10 que foi discutido acima. Alternativamente, pode ser usado o método de combinação de impedâncias “capacitor em série”.

[00089] Como discutido anteriormente, podem ser usados comutadores semicondutores de alta frequência 236 para prover vias elétricas contínuas entre acopladores 63 e 64. Como neste exemplo são usados dois segmentos de antena 173, duas vias 421 devem ser providas para haver total redundância. Os comutadores 236 (por exemplo, BF1118 por NXP) são sinais condutores, caso os comutadores estiverem desenergizados e, de outra forma sob o controle da unidade microprocessadora (MPU) 410 ou algum hardware dedicado. Portanto, a condição default contra falhas do circuito é a continuidade entre acopladores, isto é, a transferência de sinal não amplificado. O circuito de cruzamento 426 provê uma via de cruzamento 423 entre os dois caminhos elétricos 421 providos pelos comutadores 236. Em operações normais, não haveria diferença de tensão entre os caminhos 421 e o circuito de cruzamento 426 não teria função. Na eventualidade de uma falha parcial, entretanto, um caminho pode transportar todos ou a maioria dos sinais úteis e o circuito de cruzamento 426 pode difundir aquele sinal para outro caminho de maneira a restaurar a transmissão de sinais em ambos os caminhos. O circuito de cruzamento 426 também atenua propositadamente o sinal de acoplamento cruzado, de maneira que uma falha interna que resulte em um curto-circuito elétrico em qualquer caminho 421 não suprima o sinal remanescente no outro caminho 421. No caso mais simples, o circuito de cruzamento 426 pode ser um resistor 421. O circuito de cruzamento 426 também pode ser um circuito mais complexo com componentes resistivas e reativas. O circuito de cruzamento 426 também pode compreender componentes ativos como o comutador de radiofrequência BF1118.

[00090] O circuito de cruzamento 426 também desempenha um papel habilitando as orientações azimutais entre o repetidor, a caixa de união e o pino de união. Cada um desses componentes transporta acopladores que, no caso de mais de um segmento de antena 173 por acoplador, não possuem total simetria azimutal. Durante operações normais, onde cada segmento de antena aproximadamente transporta frações idênticas de potência de sinal, as orientações azimutais relativas não são relevantes. No caso de falha do segmento de cabo e/ou do segmento de antena, entretanto, alguns segmentos de antena recebem potência de sinal somente dependentes de suas orientações azimutais relativas. Quando o sinal alcançar o repetidor, entretanto, o repetidor regenera o sinal em todas as linhas disponíveis de sinais, independente do caminho em que o detector 424 detectou o pulso de entrada. No modo fail-safe, essa redistribuição ativa é funcionalmente perdida, mas é parcialmente, isto é, passivamente, restaurada pelo circuito de cruzamento 426. Também conectados aos segmentos de antena 173 estão os diodos detectores de radiofrequência 422 e os amplificadores de potência de radiofrequência 420. Os diodos detectores são preferencialmente do tipo Schottky Barrier como o HSMS-282x, fabricado pela Avago Technologies, San Jose, CA.

[00091] A tensão retificada do detector dos diodos 422 é enviada aos detectores 424 que compreendem comparadores análogos de alta velocidade que acionam e produzem um sinal lógico na presença de um pulso de radiofrequência em um ou mais segmentos de antena 173. Os detectores 424 podem preferencialmente compreender outros diodos Schottky que preferencialmente compartilham alojamentos com os diodos detectores 422 de maneira que são formados circuitos ponte que compensam os coeficientes de temperatura dos diodos detectores 422.

[00092] Alternativamente ao circuito diodo detector discutido acima, os detectores RF 424 podem ser feitos como detectores RF monolíticos. Por exemplo, o detector AD8312 RF da Analog Devices, Inc., Norwood, MA, pode ser um dispositivo adequado. Comparado ao diodo detector, que tem um menor limite de potência RF de cerca de -30 dBm, o AD8312 responde a níveis RF tão baixos quanto -45 dBm. Assim, os níveis de potência de transmissão podem ser reduzidos em cerca de - 15 dB.

[00093] Os sinais de disparo dos detectores 424 têm lógica OU (porta 430) e disparam um circuito de temporização de alta velocidade 432. O circuito de temporização 432 que pode ser feito como um multivibrador monoestável com uma constante de tempo (“tau”) por volta de 0,5 -1,5 microssegundos, inibe múltiplos e/ou falsos disparos que podem aparecer, seja por autodisparo por meio de amplificadores de potência 420 ou pelos pulsos enviados por repetidores vizinhos como respostas a este repetidor. A saída do circuito de temporização 432 inicia um circuito de modulação de largura de pulso (PWM) 434 que gera um sinal envelope de pulso. O sinal envelope de pulso passa por uma porta E 436, na qual o sinal envelope de pulso é um E com um sinal habilitado da MPU 410. A saída da porta E 436 inicia os amplificadores de potência 420, junto com o oscilador de radiofrequência 438. Dependendo do modo de operação, o envelope de pulso pode ser muito curto, isto é, somente alguns poucos ciclos de radiofrequência, ou podem ter maior duração. O oscilador 438 produz uma forma de onda de radiofrequência na frequência de operação, que está próxima à qual frequência dos acopladores 63 e 64 (e por extensão os acopladores 61 e 62) está sintonizada. A frequência de operação está na faixa de radiofrequência, e mais particularmente, na faixa 10 MHz - 3 GHz. A ação da cadeia do circuito de alta velocidade, compreende os diodos detectores 422, detectores 424, porta 430, circuito de temporização 432, circuito PWM 434, porta 436, oscilador 438 e amplificadores de potência 420, sendo tipicamente muito rápida, preferencialmente na faixa de cerca de 100 nanossegundos, de maneira que um pulso de radiofrequência de comprimento e amplitude definidos é gerado logo após a chegada da borda de ataque de um pulso de chegada de radiofrequência. A duração do pulso operacional como estabelecido pelo circuito PWM 434 pode também ser muito curto. Portanto, o tempo de retardo por repetidor é minimizado, resultando em uma propagação de pulso muito rápida na cadeia de repetidores. Toda a ação repetidora básica se baseia em hardware e não precisa da intervenção da MPU 410 para cada pulso. Ao invés disso, a MPU 410 controla as alterações de estado e monitora o circuito de hardware com relação a possíveis defeitos.

[00094] Opcionalmente, o circuito repetidor 230 também pode realizar uma função de “retemporização” nos trens de pulsos transmitidos. Como retemporizador, um repetidor compreende um gerador interno de clock cujo período define a granularidade do período de repetição do pulso. O circuito retemporizador retém temporariamente a geração de pulsos seguindo um pulso recebido até a próxima borda do clock interno, ocasião em que a temporização do pulso é repetida. A ação do retemporizador compensa qualquer surto de temporização de curto prazo que possa ter sido introduzida durante a transmissão do pulso de outros repetidores. É também possível misturar repetidores de não retemporização e de retemporização e nodos. Um repetidor básico pode ser sem função de retemporização, salvando assim a retirada de potência do gerador de clock interno. Os nodos 250, por outro lado, podem incluir uma funcionalidade de retemporização dentro de sua funcionalidade de repetidor para compensar o surto de temporização de pulso acumulado durante o trânsito de pulsos em uma cadeia de repetidores básicos de não retemporização.

[00095] O circuito de temporização 432 provê a necessária funcionalidade para permitir a propagação de pulsos coordenados em uma cadeia de repetidores. O circuito repetidor, por si pode não estar ciente ou ter uma preferência para a direção de pulsos. Uma cadeia de repetidores armados, isto é, prontos para disparo, uma vez acionados por um pulso de radiofrequência em uma das duas extremidades da cadeia, propaga pulsos a partir da extremidade de acionamento por toda a cadeia até a outra extremidade. Os circuitos de temporização 432 retardam a rearmação dos repetidores por uma constante de tempo “tau”, de maneira que o pulso, a resposta do repetidor, assim como os pulsos gerados a jusante do repetidor tenham desaparecido e não possam provocar um falso evento de reacionamento. Portanto, a constante de tempo “tau”, o tempo de “retenção” do circuito 432, devem ser estabelecidos maiores que o tempo de chegada do eco do pulso de pior caso dos repetidores a jusante. Por outro lado, os pulsos não podem se seguir mais rápido que a constante de tempo de “retenção” programada no circuito 432, que, portanto, limita as maiores taxas possíveis de pulsos de dados. Portanto, é desejável (a) estabelecer a constante de tempo de “retenção” não mais alta que o necessário, e (b) usar esquemas de codificação de linha que evitem repetições rápidas de pulsos. Uma típica constante de tempo de “retenção” “tau” para o circuito de temporização 432 pode ser um microssegundo ou menos.

[00096] Sem os pulsos de entrada que disparam a ação de repetição de pulso do circuito, o MPU 410 coloca o circuito no estado de baixa potência com os comutadores 236 fechados, isto é, permitindo os caminhos passivos contínuos 421. Na chegada de um pulso de “despertar”, que possa ter uma maior duração e/ou maior intensidade que os pulsos regulares, o circuito responde imediatamente enviando outra cópia de um pulso de despertar por meio de todos os amplificadores de potência 420, com o circuito PWM 434 programado para uma grande duração de pulsos (da ordem de um ou mais microssegundos) pela MPU 410. A MPU 410 pode monitorar as respostas dos detectores 424 ou pode diretamente medir a energia de radiofrequência, a frequência de saída, etc., para avaliar o estado operacional do repetidor. A MPU 4IOtambém monitora a tensão da bateria. No caso de uma bateria quase esgotada 415, a amplitude de radiofrequência de saída é fraca e/ou a retirada de corrente dos amplificadores de potência provocam uma significativa queda na tensão da bateria. Em qualquer caso, a MPU 410 pode colocar o circuito repetidor no estado de fail-safe “passivo”, em que o comutadores 236 permanecem fechado e a porta E 436 desabilita a geração de outros pulsos.

[00097] Se o circuito passar nesse autoteste inicial, a MPU 410 pode abrir os comutadores 236 e pode reprogramar o circuito PWM 434 para uma geração regular de pulsos. A MPU 410 também pode reconfigurar os detectores para uma impedância de menor entrada e prover combinação de impedâncias e terminações de linha para as pontas de linhas 421. Essa reprogramação dos detectores pode compreender mudanças nas correntes de tendência para os diodos do detector 422. Durante operações normais, cada diodo 422 pode ter tendência para frente por meio de uma pequena corrente contínua de, por exemplo, 10 microamperes. Essa corrente de tendência pode ser desligada para todos ou para alguns diodos 422 para reduzir o consumo geral de potência durante estados de sono de baixa potência. Além disso, alguns detectores 424 também podem ser desligados para estados de sono de baixa potência.

[00098] Alternativamente à MPU 410 operar os comutadores 236, os comutadores 236 podem ser abertos (não conduzindo) automaticamente durante e/ou após a transmissão de um pulso, e podem fechar (conduzir), após um retardo de tempo que indica um sistema de transmissão inativo. Assim, em uma constituição simplificada, pode não haver a necessidade de uma MPU 410. Todas essas variações de circuitos se situam no escopo da presente especificação.

[00099] Apesar de os circuitos acima descritos utilizarem comutadores 236 que são fechados quando desativados (“normalmente fechados”), esses circuitos podem ser prontamente convertidos em circuitos alternados adequados para comutadores que estejam abertos quando desativados (“normalmente abertos”). Uma modificação adequada de circuito pode ser a inclusão de uma ou mais linhas de retardo e/ou um ou mais circuitos ressonantes, como circuitos ressonantes L- C. Um tempo adequado de retardo pode ser uma seção de cabo coaxial com um comprimento de um quarto do comprimento de onda da frequência de operação. Essa linha de retardo sintonizado ou um circuito ressonante equivalente converte - na frequência de operação - um curto elétrico em um aberto elétrico e vice-versa, preparando o circuito para operação com um comutador normalmente aberto ou um normalmente fechado. Todas essas variações de circuito se situam no escopo da presente especificação. O único requisito para o comutador é uma condição definida aberta ou definida fechada quando desativado.

[000100] O circuito “paralelo” descrito pode também ser constituído não tendo o circuito paralelo em série com o caminho do sinal 421, mas a partir do caminho 421 para o terra do sinal. Essa configuração pode ter caminhos contínuos eletricamente 421 como também providos pela configuração “T” ou “fragmento lateral” descrita anteriormente. Fechando o comutador (ou alternativamente, abrindo um comutador na extremidade de uma linha de retardo sintonizada em um quarto de comprimento de onda), os sinais de entrada na frequência de operação são refletidos no(s) detector(es) 424 sem propagar sem amplificação pelo repetidor. Combinando as várias variações de circuitos com as possíveis constituições de comutadores, as linhas de retardo e/ou os circuitos ressonantes, existe uma pluralidade de possíveis constituições de circuitos que se situam no espírito e no escopo da presente invenção.

[000101] A MPU 410 também pode monitorar os sinais de entrada imediatamente seguintes ao despertar para maiores instruções, a denominada fase de “ajuste de comunicações” a ser discutida abaixo. Essas instruções podem fazer o circuito entrar em vários modos de testes, podendo fazer a MPU 410 enviar informações de auto identificação e/ou informações de status/saúde, ou podem fazer o circuito entrar em diferentes modos de operação ou de sono. Na falta de instruções diferentes, a MPU 410 programaria tipicamente o circuito para a operação regular de repetição de pulsos. Como a MPU 410 é geralmente lenta para decodificar rápidos trens de pulsos que possam transportar dados em velocidades na faixa de Mbit/seg, as instruções ligadas à MPU podem ser codificadas usando modulações mais lentas, e em particular usando modulação de código de pulsos (PCM) que é fácil de decodificar com MPUs de baixa potência e baixa velocidade. No modo PCM de baixa velocidade e usando o registrador de mudanças 412, a MPU 410 pode receber comandos e pode transmitir informações como identificadores, informações de status de saúde/erro, e/ou leituras de sensores (por exemplo, tensão, temperatura). O registrador de mudanças 412 também pode ser um circuito transmissor/receptor síncrono/assíncrono universal (US ART). Além disso, a MPU 410 pode guardar outras informações que pertençam ao repetidor em que está instalada, e/ou à componente de coluna de tubos em que o repetidor está instalada. Essas informações podem ser escritas para a MPUs após a instalação do repetidor e podem ser lidas depois a qualquer momento. A esse respeito, os circuitos do repetidor funcionam de forma similar a um circuito RF-ID. Ao sair de um modo PCM de baixa velocidade e entrar em um modo de modulação de posição de pulsos (PPM) de alta velocidade, a MPU 410 pode parar a decodificação do fluxo de dados. A MPU 410 e/ou o circuito dedicado, entretanto, podem continuar a monitorar o fluxo de pulsos como descrito abaixo. Tipicamente, a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem monitorar a operação do circuito de repetidor ou nodo de forma intermitente ou contínua. Durante operações normais, uma sequência de comunicações tem duração limitada, por exemplo, 10-100 milissegundos (ver também a figura 24) , seguida por uma pausa nos pulsos que faz o circuito reentrar em um estado de baixa energia. Se o circuito não entrar em um estado de baixa energia dentro de um período predeterminado de tempo, isto é, estiver descontrolado, pulsando continuamente, a MPU 410 desabilita o circuito e força um estado de baixa energia e fail-safe controlando a porta E 436, em que a geração de pulsos é desabilitada e o circuito passa de forma passiva os sinais com caminhos 421 e comutadores 236. Além disso, a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem contar o número de pulsos por meio de sua entrada a partir do circuito PWM 434 e pode comparar aquele número com o número máximo de pulsos gerado pelo esquema de modulação de pulsos em uso em um dado período de tempo. Um número excessivo de pulsos pode indicar uma condição de fuga, novamente fazendo a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados desabilitarem outras gerações de pulsos e forçar uma condição de fail-safe.

[000102] A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem monitorar a operação do circuito repetidor 230 e/ou do circuito do nodo 250 em uma pluralidade de maneiras. Por exemplo, a MPU 410 pode monitorar a tensão de fornecimento de energia, por exemplo, a tensão das baterias em condições de baixa carga, pode monitorar a tensão de fornecimento de energia em condições de alta carga e pode computar a(s) resistência(s) interna(s) da bateria a partir dessas medições. A MPU 410 pode tentar remover a passivação da bateria ou das baterias 415 retirando temporariamente a alta corrente da bateria ou das baterias 415. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem comparar as tensões medidas com limites predefinidos de tensão, acima e abaixo do repetidor correto ou a ação do nodo pode não ser possível. Após a detecção dessa condição de sobre- ou de subtensão, a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem desabilitar o repetidor 230 ou o nodo 250 desabilitando outras gerações de pulsos e forçando o modo fail-safe. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem manter um registro histórico das tensões medidas para deduzir a saúde dos circuitos repetidores.

[000103] A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem monitorar a temperatura ambiente e podem manter um registro histórico das temperaturas medidas. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem fatorar essas medições de temperatura na avaliação da condição da bateria.

[000104] A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem medir a retirada de corrente do fornecimento de energia e podem comparar a medida de retirada de corrente com os limites de corrente típicos do esquema de modulação de pulsos em uso. Após a detecção de uma condição de sobrecorrente, a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem desabilitar o repetidor ou o nodo desabilitando outras gerações de pulsos e forçando um modo fail-safe. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem manter um registro histórico das correntes medidas para deduzir a saúde dos circuitos repetidores.

[000105] A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados também pode integrar a retirada de corrente medida no tempo para chegar a uma estimativa da carga elétrica retirada da(s) bateria/baterias no tempo. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem estimar a carga restante na(s) bateria/baterias combinando medidas de tensão, temperatura e corrente e seus registros. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem monitorar tendências na tensão e na corrente para mais refinar uma estimativa da carga restante. A MPU 410 pode contar separadamente os tempos acumulados gastos nos vários estados de operação e fatorar esses tempos em conjunto com retiradas conhecidas ou medidas de correntes desses estados na estimativa da carga restante. A MPU 410 pode contar o número de pulsos transmitidos e pode fatorar em um número em conjunto com uma retirada conhecida ou medida de corrente durante os pulsos na estimativa da carga restante. A MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem estima o tempo de vida restante da(s) bateria/baterias a partir dessas estimativas de carga restante.

[000106] O repetidor 230 e/ou o nodo 250 podem comunicar seus estados de “saúde” junto com as estimativas das condições das baterias e os tempos de vida restantes, se assim indicados. Esse relatório pode ser integrado em uma sequência de comunicações de “roll cail” descrita mais abaixo. Esse relatório também pode ser produzido com especial interrogação, seja por um repetidor ou nodo isolado, por um repetidor ou nodo montado em uniões de tubos, por um pequeno número ou repetidores montados em um “stand” de uniões de tubos ou por repetidores ou nodos dentro da coluna de tubos. Essas sequências de comunicações de propósitos especiais são descritas mais abaixo. Os repetidores e/ou nodos também podem ser colocados em modos especiais de testes por essas sequências de comunicações especiais.

[000107] Saindo de um estado à prova de falhas pode depender de alguns fatores. A detecção de uma bateria fraca 415 normalmente faria a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados realizarem um permanente estado de falhas, já que a recuperação da bateria é improvável. Para outras condições de fail-safe, a MPU 410 e/ou os circuitos dedicados podem tentar reabilitar o repetidor após um retardo predeterminado de tempo, por exemplo, um segundo, e somente por um número limitado de vezes. Assim, os problemas transientes podem ser esclarecidos e o repetidor afetado pode entrar novamente em serviço, enquanto os problemas persistentes provocam um estado permanente de fail-safe para o repetidor ou nodo afetado.

[000108] O circuito mostrado na figura 13 e a seguintes figuras são tipicamente acionados por uma bateria 415. A bateria 415 pode compreender células primárias ou pode ser do tipo recarregável. Mais de uma célula podem ser utilizadas em paralelo para maiores cargas de baterias e/ou podem ser utilizadas em série para maiores tensões de alimentação.

[000109] A figura 14 mostra de forma exemplar uma constituição modificada do circuito repetidor. Considerando que o circuito repetidor mostrado na figura 13 e descrito acima é essencialmente “cego” na direção das comunicações de dados, o circuito de exemplo da figura 14 pode identificar a direção da qual pulsos estão sendo recebidos. O circuito é moderadamente mais complexo que o da figura 13 pela inclusão de outros detectores 424. Além disso, os detectores 424 podem habilitar e desabilitar seletivamente os amplificadores de potência 420 para fazer os pulsos serem somente retransmitidos em suas direções originais de propagação. Essa funcionalidade exige que os comutadores de radiofrequência 424 abram durante a geração de pulsos. A vantagem principal dessa funcionalidade adicionada é uma menor retirada de potência, já que somente a metade dos amplificadores de potência estão ativos durante a geração normal de pulsos. Em contraste, o circuito repetidor da figura 13 não está ciente da direção de propagação dos pulsos e, portanto, deve repetir todos os pulsos em ambas as direções, seja habilitando todos os amplificadores de potência 420 ou mantendo os comutadores 236 fechados durante a geração de pulsos.

[000110] Em constituições alternativas, podem ser exigidos menos detectores 424. Nesse caso, uma MPU 410 pode receber instruções durante a fase de “ajuste de comunicações” na qual os amplificadores de potência 420 são utilizados durante o período corrente de transmissão.

[000111] Também mostrado na figura 14 há o circuito adicional que pode ser incluído, se o circuito repetidor for usado como bastidor *de radiofrequência (RF) 540 de um modem de comunicações. A necessidade desses modems surge sempre que um fluxo de dados de alta velocidade seja gerado ou consumido, por exemplo, na unidade de interface de superfície 210 (figura 1) e na interface de fundo de poço (BHA) 240 (figura 1). Também, em qualquer nodo intermediário que exija ou que gere dados em mais que pequenas quantidades, modems podem ser utilizados. O registrador de mudanças adicional 413 troca dados com o registrador de mudanças primário 412 e com a MPU 410. O registrador de mudanças 413 aceita fluxos de dados seriais de subunidades de modem usadas para a transmissão de dados (a ser discutido abaixo) e envia fluxos de dados seriais a subunidades de modem usadas para a recepção de dados (também a ser discutida abaixo) e faz o circuito repetidor adequado como um bloco de construção de bastidor de propósitos gerais para projetos de modem. O registrador de mudanças 413 também pode ser um circuito universal receptor/transmissor síncrono/assíncrono (USART)

[000112] O método de abrigar repetidores em uma conexão rotativa não é o único método possível. A figura 15 mostra conceitualmente uma junta de ferramenta, e em particular a extremidade da caixa 31 da junção de tubos, com um repetidor “botão” 230 ou um nodo “botão” 250 instalado. O “botão” contém a parte eletrônica do repetidor e uma bateria, é hermeticamente vedado contra o exterior e roscado em uma cavidade usinada na junta de ferramenta. As ligações elétricas no interior da junta de ferramenta conectam o repetidor ao acoplador de caixa instalado no interior da caixa e no cabo que corre na junta de ferramenta (cabos e acoplador não são mostrados na figura 15)

[000113] A figura 16 mostra conceitualmente um circuito repetidor adequado para a configuração “botão”. Nesse caso, o botão está eletricamente ligado a um ou mais (como mostrado) segmentos de antena 173 do acoplador de caixa 61. Como mostrado, nesse exemplo a configuração “T” foi feita sem comutadores e com conexões diretas entre segmentos de acoplador e segmentos de cabos. Assim, alguma funcionalidade de repetidor acima descrita não se aplica a este circuito; entretanto, o resto do circuito é autoexplanatório dadas as descrições acima.

[000114] A partir da descrição acima, deve ter ficado aparente ao técnico no assunto que os circuitos repetidor ou bastidor RF descritos constituem simples, e portanto robustos métodos para a transmissão de dados em distâncias arbitrárias com altas taxas *de dados e pequenas necessidades de energia para cada repetidor. Os circuitos têm a capacidade de entrar em estados de baixa potência na ausência de comunicações, a capacidade de despertar em microssegundos para realizar as tarefas de comunicações e exigem pouca energia da bateria quando em operação total. Além disso, os circuitos proporcionam funcionalidade fail-safe, permitindo as comunicações mesmo na presença de repetidores com defeitos. Portanto, esses circuitos são eminentemente adequados para a instalação em ambientes remotos e hostis, como no subsolo, onde os circuitos devem ser miniaturizados e não são facilmente acessíveis, por exemplo, para serem realizados reparos e/ou para trocar baterias.

[000115] Outro aspecto dessa funcionalidade de instalação remota é o uso de esquemas específicos de modulação para o transporte dos dados no sistema de comunicações que exige somente funcionalidade mínima em termos de codificação e decodificação de sinais e modulação e demodulação de sinais nos repetidores. Ao invés disso, essa funcionalidade de codificação e modulação pode ser carregada nos terminais de extremidade, isto é, na interface de superfície, na interface de fundo de poço, e (se presentes) nos nodos. O significativo espaço e os limites de potência aplicáveis aos repetidores não existem ou podem ser relaxados para as interfaces e os nodos. A seguir,os esquemas de modulação e codificação serão revelados, que exibem a propriedade de exigir somente simples e repetidores de baixa energia para a transmissão de dados em altas velocidades usando curtos pulsos de energia de radiofrequência.

[000116] Um exemplo de um código de linha para modulação de código de pulsos (PCM) adequado para o sistema de transmissão de dados acima descrito é mostrado na figura 17a. Uma sequência de pulsos, em que cada pulso pode ser um curto surto de um sinal portador de alta frequência, codifica uma sequência de bits. Pulsos “clock” regularmente espaçados (“C”) estabelecem um padrão de temporização e pulsos de “dados” (“D”) representem as informações transmitidas. A presença ou a ausência de um determinado pulso D representa um “0” ou um “1” lógico e vice-versa, isto é, um par de um pulso C e de um pulso D transporta 1 bit de informações. Como mostrado na figura 17b, a taxa de dados pode ser aumentada mudando a taxa de pulsos C para D, de maneira que um número fixo de mais de um pulso D siga cada pulso O. No extremo dos códigos de linha de auto-clocking, somente são usados pulsos D. No caso de codificação de linha POM, a máxima taxa de dados que pode ser obtida é dada primariamente pela constante de tempo “retenção” “tau” descrita anteriormente. Se o tempo de “retenção” tiver sido estabelecido, por exemplo, em 1 microssegundo, os pulsos podem ser repetidos, não mais rapidamente que, por exemplo, 1,5 microssegundos. Dado o esquema de codificação da figura 17a, um bit é transmitido a cada dois pulsos (3 microssegundos neste exemplo), resultando em uma taxa de dados brutos de 333 kbit/seg. Dado o esquema de codificação da figura 17b, são transmitidos 3 bits para cada 4 pulsos (6 microssegundos) com uma taxa de dados brutos de 500 kbit/seg. Os códigos PCM são energética e relativamente ineficientes por exigirem pelo menos um pulso por bit. Em contraste, o(s) código(s) PPM (modulação de posição de pulso) abaixo descritos transmitem múltiplos bits por pulso.

[000117] O método de modulação de não retorno a zero (NRZ) geralmente usados em linhas seriais assíncronas também podem mapeado no esquema PCM. O formato serial NRZ consiste de um bit de partida, um número variado de bits de dados, um bit de paridade opcional, seguido por 1, 1.5 ou 2 bits de parada. Mapeado em PCM, o bit de partida é transmitido como um pulso “C”, os bits de dados e o bit de paridade são expressos como pulsos “D”, e os bits de parada são expressos como silêncio de comprimento variável (sem transmissão de pulsos). A vantagem de usar NRZ mapeados para PCM é a simplicidade pela qual podem ser codificados e decodificados, já que muitas MPlIs já contêm periféricos USART adequados para a tarefa. Na presente discussão, NRZ mapeados para PCM são ampliados com outros códigos PCM sob o guarda-chuva do termo “POM”.

[000118] Os propósitos primários da codificação POM no presente sistema são (a) a comunicação com MPlIs de baixa velocidade, como as instaladas nos repetidores, para a manutenção do sistema e para o ajuste de comunicações, e (b) como códigos de baixa velocidade tipo fallback, no caso de instabilidade de sistema como agitação de alto pulso, que evita o uso de códigos mais eficientes como PPM. Os modos de comunicações de baixa velocidade tipo fallback são dinamicamente selecionados durante o ajuste de comunicações no caso de modems de comunicações detectarem uma alta taxa de erros de bits (BER) ao usar códigos mais eficientes, ou podem ser selecionados manualmente por um operador do sistema. Como descrito abaixo, o BER pode ser inferido durante a etapa de decodificação de um código de blocos para a correção de erros, por exemplo, um código Reed-Solomon.

[000119] A figura 18 ilustra um código de modulação de posição de pulsos (PPM) adequado para o sistema de transmissão de dados acima descrito. Como em PCM, uma sequência de pulsos, onde cada pulso pode ser um curto surto de sinal portador de alta frequência, codifica uma sequência de bits. Diferente do POM, as informações são codificadas na distância entre pulsos, mais especificamente nos retardos de tempos entre as bordas levantadas dos surtos de radiofrequência. Assim, o PPM é às vezes denominado modulação de retardo de pulso (PDM) . Para a presente discussão, PPM e PDM são sinônimos. O número de bits que pode ser codificado dessa forma é limitado: (a) pelo tempo de repetição de pulso mínimo, (b) pelo tempo de repetição de pulso máximo, e (c) pela incerteza na quantificação do retardo da codificação das informações. A última limitação é dada pelo pico de temporização de curto prazo randômico entre pulsos. Os circuitos eletrônicos das figuras 13, 14, e 16 foram projetados para minimizar que o pico de curto prazo possa permitir taxas de dados muito altas com eletrônica de repetidor relativamente simples. A constituição da codificação PPM por meio dos códigos de grupos será descrita abaixo.

[000120] A figura 19 mostra conceitualmente um diagrama de blocos parcial de um modem adequado para o sistema de transmissão de dados acima descrito. Somente os blocos funcionais relevantes para a presente discussão foram incluídos na figura 19, já que também exigido, como também as etapas de processamento geral de transmissão de dados via modems são bem conhecidas na técnica. As unidades funcionais em consideração podem ser agrupadas em codecs (decodificador/decodificadores) 510 e modems (modulador/demoduladores) 530. Obviamente o termo “modem” é sobrecarregado, já que se aplica ao dispositivo como um todo, mas também ás unidades funcionais que realizam tarefas de modulação e demodulação. Um fluxo de dados digitais de saída 511 é transmitido pelo sistema de transmissão de dados, sendo convertido em um fluxo de dados de entrada idêntico 521 em diferentes locais ao longo do sistema de transmissão de dados. Consequentemente, cada local (sistema de superfície, sistema BHA de fundo de poço, nodos ao longo da coluna) que possuem fluxos de dados de entrada e/ou de saída exigem cada qual pelo menos um modem.

[000121] Como mostrado na figura 19, a parte codec 510 compreende unidades funcionais para os métodos de modulação utilizados, em particular os codificadores PCM 514 e decodificadores PCM 524, codificadores PPM 516 e decodificadores PPM 526, e outros codificadores 518 e decodificadores 528 e outros moduladores 536 e demoduladores 546 como necessário. O roteamento nos codificadores, moduladores, demoduladores e decodificadores corretos é feito por uma unidade microprocessadora (MPU) 548. Os métodos de codificação e modulação podem ser selecionados dinamicamente com base no modo de operação do sistema de telemetria, por exemplo, o ajuste de comunicações, manutenção, testes, operação de baixa velocidade, operação de alta velocidade, standby, modo “limp” (um sistema comprometido permite somente o tráfego de comunicações de baixa velocidade) , e assim por diante. A codificação e a modulação podem assim ser selecionadas estaticamente pela intervenção de um operador humano, que pode ocorrer localmente ou remotamente, ou por programação.

[000122] A primeira etapa mostrada na formatação do fluxo de dados de saída e’” framing” 512, em que os dados são divididos em pedaços de tamanho fixo; e correção de erro para frente (FEC). Na etapa FEC, é adicionada a informação de paridade de frame, o que permite ao receptor recuperar as informações corretas a partir dos frames corrompidos. Esse procedimento de correção de erros, junto com o unframing de dados, é realizado no bloco 522. Em qualquer dada ocasião, é selecionado um dos vários possíveis caminhos pela seção codec e modem. O modulador selecionado 532, 534, ou 536 aciona a eletrônica do bastidor de radiofrequência (RF) 540. No caso de um modem para um nodo na coluna, o circuito RF de bastidor é essencialmente idêntico ao mostrado na figura 14. Para os terminais finais, o circuito pode ser obtido de forma trivial da figura 14 omitindo o segundo acoplador, os circuitos associados ao segundo acoplador como os amplificadores de potência 420, diodos 422 e detector(es) 424, e omitindo os comutadores 236. As interfaces RF do bastidor 540, dependendo da particular constituição, fazem interface com cabos e/ou com acopladores enviando e recebendo pulsos de radiofrequência. A seguir, serão discutidas as unidades funcionais selecionadas da figura 19. Como os métodos para a codificação PCM são bem conhecidos na técnica, a operação de elementos 514, 532, 542, e 524 é suposta como bem entendida pelos técnicos no assunto e a discussão focalizará as unidades funcionais nos caminhos de dados PPM.

[000123] A primeira unidade funcional a ser discutida é a unidade Framing/FEC 512, mostrada conceitualmente de forma simplificada na figura 20. O fluxo de dados de saída passa por um buffer de retardo 5121, sendo dividido em pedaços de frame fixos e temporariamente guardados no buffer de frame 5122. O bloco de cálculo de paridade 5125 realiza um cálculo de codificação Reed-Solomon e adiciona os dados resultantes de paridade ao buffer de frame 5122. O tamanho do símbolo é normalmente escolhido como sendo 8 bit (1 byte), o que limita o tamanho do maior frame a 255 bytes. Foi achado vantajoso predefinir os vários tamanhos de frames de uns poucos bytes a 255 bytes. Também, o cálculo de paridade de Reed-Solomon adiciona um número variável de bytes de paridade. Como exemplo, foi achado vantajoso definir o maior pedaço de dados como sendo 246 bytes, aos quais são adicionados 8 bytes de paridade, para um total de tamanho de frame de 254 bytes. O buffer de frame é seguido por um Interfolheador/Misturador 5123 que realiza a escolha *de dados dentro de um frame. Esse procedimento ajuda na recuperação de dados dos frames corrompidos por erros de surtos, O frame resultante agora contém somente dados, apesar de codificados de forma redundante de maneira que os dados originais possam ser recuperados de frames recebidos randomicamente corrompidos. O frame misturado é opcionalmente serializado por meio de um registrador *de mudanças 5124 (a serialização depende dos detalhes da constituição do hardware) e passados para o(s) codificador(es). As etapas de interfolheamento e desinterfolheamento podem ser puladas, por exemplo, ao comunicar com repetidores básicos e/ou simples nodos que não possuam hardware e/ou a potência de processamento para realizar os cálculos necessários em tempo real.

[000124] A presente discussão apresenta os códigos de Reed- Solomon como os códigos de blocos preferidos a utilizar. A razão é que os códigos Reed-Solomon são os códigos de blocos mais eficientes, já que oferecem as maiores distâncias de Hamming dadas em um número predefinido de símbolos a serem codificados e dado um número predefinido de símbolos de paridade disponíveis. Claramente, também podem ser usados outros códigos de blocos e que estejam no escopo da invenção. As etapas de codificação de decodificação de blocos podem ser puladas, por exemplo, ao se comunicar com repetidores básicos e/ou simples nodos que não tenham hardware e/ou a potência de processamento para realizar os cálculos necessários em tempo real. Uma boa referência para os métodos e constituições dos codificadores Reed-Solomon e detecção de erros e circuitos de correção pode ser encontrada em: “Reed-Solomon error correction”, by C.K.P. Clarke, R D White Paper WHP 031, British Broadcasting Corporation, July 2002.

[000125] A presente invenção apresenta códigos limitados tipo runlength (RLL) e particularmente EMF, EMFP1u5 e EMFP1u52 (a serem discutidos abaixo) como os códigos de grupos preferidos a utilizar. Os códigos de grupos e o registro de código de grupos (GCR) são mais eficientes em termos de uso de largura de banda de canal que os códigos de não grupos. Claramente, outros códigos de grupos também podem ser usados e que se situam no escopo da invenção. Como mostrado nesta discussão, códigos de blocos e códigos de grupos podem ser usados juntos para uma alta eficiência de canal e alta capacidade de correção de erros. As etapas de codificação e decodificação de grupos podem ser puladas, por exemplo, ao comunicar com repetidores básicos e/ou simples nodos que não possuam hardware e/ou a potência de processamento para realizar os cálculos necessários em tempo real.

[000126] O codificador PPM 516 é mostrado na FIG 21. Sua lógica é parcialmente baseada nos métodos de codificação EMF e EMFP1u5 para o Compact Disk (CD) e DVD, respectivamente. Os detalhes dos EMF e EMFP1u5 podem ser encontrados em “Principles of Digital Audio”, 6~ Ed., by Ken C. Pohl- mann, McGraw-Hill, New York, 2011, Ch. 7 e 8. Em ambos EMF e EMFP1u5, uma palavra de 8-bit (correspondente a um símbolo Reed-Solomon) é convertida em uma palavra de 14-bit usando uma ou mais tabelas de códigos run-length- limited (RLL 2,10). O par de parâmetros RLL (2,10) assinala que a distância mínima entre quaisquer duas transições consecutivas “0/1” ou “1/0” no fluxo codificado de bits é de dois (2) bits e a distância máxima entre quaisquer duas transições consecutivas “0/1” ou “1/0” é dez (10) bits. Como nenhum dado de entrada pode fazer um fluxo de bits codificado prolongado sem pulsos, Todos os métodos de modulação baseados em RLL são auto- clocking.

[000127] Em EMF, duas palavras de códigos de bits de 14-bit são separadas por três (3) bits; em EMFP1u5, duas palavras de códigos de bits de 14-bit são separadas por dois (2) bits. Assim, são necessários 17 ciclos de clock de linha para produzir um byte de entrada de 8-bit usando EFM, e 16 ciclos de clock de linha usando EMFP1u5. Assim, o EMFP1u5 é cerca de 6% mais eficiente que o EMF, às expensas de uma codificação significativamente mais complexa envolvendo uma máquina de estados e múltiplas tabelas de códigos. No contexto da presente invenção, foi achado que pela modificação da tabela de códigos EMF e pelo relaxamento do requisito do controle de baixa frequência para CD e DVD, mas não para os propósitos da presente invenção, a simplicidade do EMF e a eficiência do EMFP1u5 podem ser combinadas, O novo método de codificação pode ser denominado “EMFP1u52”.

[000128] Como mostrado na figura 21, dois registradores seriais de mudanças 5161 e 5162 fazem o buffer de dois bytes a partir da unidade Framing/FEC 512. Esses dois bytes são codificados em 14 bits cada usando a Tabela de Códigos EMF 5163 e 5164. As tabelas de códigos foram otimizadas para o sistema de transmissão de dados descrito e não são idênticas às tabelas de códigos utilizadas na codificação CD e/ou DVD. A partir das duas palavras de códigos 14-bit, uma unidade lógica de bits cola 5165 computa dois bits “cola”. Os bits “cola” não codificam informações, mas mantêm o (2,10) requisito imposto pelo esquema RLL. Finalmente, cada palavra de 16-bit (14+2) é opcionalmente serializada e passada para o modulador PPM 534 pelo registrador de mudanças 5166. Uma exceção à regra (2,10) são os determinados padrões de sincronização que estão integrados ao fluxo de saída pelo(s) codificador(es) para sinalizar os limites entre frames. Esses padrões violam de propósito a (2,10) regra com 11 ou 12 períodos de tempo entre pulsos, o que torna os padrões de sincronização de fácil detecção pelo(s) decodificador(es)

[000129] Obviamente, no lugar de EMFP1us2, pode ser usado o método clássico EMF ou o método EMFP1u5. Em EMF, três (3) bits “cola” são necessários entre palavras de códigos 14-bit para garantir a condição selecionada RLL, reduzindo assim a eficiência da codificação e produção de dados. Em EMFP1u5, somente dois (2) bits “cola” são necessários; entretanto, a codificação e a decodificação são feitas de forma mais complicada pelo uso de múltiplas tabelas de translação 5164. a seleção da tabela de translação ativa 5164 é feita por uma máquina de estados, cujo estado depende do estado das palavras codificadas passadas. Portanto, erros randômicos que ocorrem durante a transmissão de dados podem se espalhar também para as palavras código seguintes, fazendo a pronta recuperação dos erros simples de transmissão mais difícil.

[000130] Na constituição do exemplo, o modulador PPM 534 é trivial. A temporização do clock de linha já está estabelecida pelo clock de dados seriais e a modulação PPM é reduzida a uma operação de produção de um pulso RF a cada “1” no fluxo de bits código e uma pausa para cada “0” no fluxo de bits de palavra código. Seguindo o exemplo dado acima, para uma constante de tempo de “retenção” “tau” de 1 microssegundo, os pulsos podem ser repetidos em até, por exemplo, 1,5 microssegundos. A partir do esquema RLL (2,10) segue imediatamente a maior frequência de clock de linha possível de 2 MHz com um período de 0,5 microssegundos. Assim, são necessários 16 x 0,5 = 8 microssegundos para transmitir um símbolo de 1-byte, resultando em uma taxa de dados de linha brutos de 1 Mbit/sec. Isto é melhor que os métodos PCM discutidos acima pelos fatores de 2 e 3, enquanto o PPM também oferece eficiência energética muito aperfeiçoada devido aos pulsos RF mais esparsos. Para o cálculo do exemplo acima, o modo PPM com uma taxa de dados de 1 Mbit/seg exige, na média, cerca de um pulso a cada 2 microssegundos, ou 0,5 pulsos/bit. Para comparação, o código PCM simples da FIG 17a consome dois (2) pulsos por bit. Dada a simplicidade do modulador PPM, o fluxo do código serial pode ser passado sem modificações para a parte eletrónica RF 540 que realiza a última etapa na cadeia de modulação.

[000131] As funções do demodulador PPM 544 e do decodificador PPM 526 são melhor entendidas juntas, usando o diagrama de blocos simplificado da figura 22. Uma unidade de recuperação de dados e clock (CDR) 5441 sobreamostra os envelopes de pulsos brutos detectados pelo bastidor RF 540. O CDR tipicamente contém um loop de fase travada (PLL) que recupera o clock de transmissão integrado ao fluxo de pulsos (o fluxo de pulsos é auto-clocking, como discutido acima). O PLL rastreia os desvios lentos de clock que possam ser induzidos, por exemplo, por mudanças de temperatura no circuito do clock transmissor. O CDR envia a versão reamostrada do fluxo de dados de código de linha bruto, junto com o clock de linha restaurado para o registrador de mudanças 5442. O registrador de mudanças 5442 produz 14 bits por vez em uma tabela de consulta de código reverso EMF 5444 que emite um símbolo de 8-bit. Em paralelo, um circuito verificador RLL 5443 verifica se a condição RLL (2,10) se confirma no fluxo de entrada; ou então é estabelecido um sinalizador de erro. As exceções à esta regra são determinados padrões de sincronização que estão integrados ao fluxo de entrada pelo(s) codificador(es) para sinalizar os limites entre frames. Esses padrões violam de propósito a regra (2,10) com 11 ou 12 períodos de tempo sem um pulso, o que os torna de fácil detecção no fluxo de entrada usando o circuito de detecção SYNC 5445. O símbolo decodificado de 8- bit, junto com a sincronização e os sinalizadores de erros, é passado para a unidade de correção e unframing de erros 522.

[000132] A figura 23 mostra um diagrama de blocos muito simplificado da unidade de correção e unframing de erros 522. Os dados decodificados, isto é, o fluxo de símbolos, é opcionalmente enviado para um registrador de mudanças de desserialização 5221, de onde entram os dados, no caso dos dados de entrada misturados/interfolheados, o demisturador/desinterfolheador 5222 que realiza a operação reversa do misturador/interfolheador 5123 (figura 20). Os dados desmisturados precisam ser temporariamente armazenados em um buffer de frame 5223, enquanto a unidade de cálculo de síndrome 5224 realiza uma série de divisões polinomiais para determinar os valores da síndrome para os dados no buffer. Os dados corretos são caracterizados por todas as síndromes para ser um símbolo nulo (“O”). Se nem todas as síndromes forem 0, o bloco de correção de erros de Reed-Solomon 5225 calcula: (a) os locais de erros mais prováveis em uma base de símbolo, e (b) os símbolos corretos. Para o exemplo dado com 8 símbolos de paridade integrados a um frame de 254-byte, até 4 localizações de erros e até 4 valores de erros podem ser computados, isto é, até 4 símbolos corrompidos em locais desconhecidos a priori dentro do frame de 254-byte podem ser corrigidos. Supondo que os símbolos corrompidos se devam a erros de bits randômicos, 4 maus bits em um frame de 8 x 254 = 2032 bit são toleráveis. Isso corresponde a uma taxa de erros de bits maximamente aceitável (BER) neste exemplo de 0,197%.

[000133] O bloco de correção 5225 realiza as modificações necessárias nos dados no buffer de frame 5223 e então libera os dados para um registrador de mudanças 5226 para saída. Fora este procedimento estão os símbolos de sincronização que se situam fora do espaço do livro de códigos e, portanto, também não correspondem a um símbolo no espaço de símbolos de Reed-Solomon. Ao invés disso, os símbolos de sincronização controlam o processo de unframing sinalizando os limites de frame para o demisturador 5222 e para o buffer de frame 5223.

[000134] Outra saída da unidade de correção e unframing de erros 522 é uma estimativa da taxa de erros de bits (BER) do canal de comunicações, cada síndrome não zero indica um mau símbolo recebido devido a pelo menos um erro de bit. Tipicamente, a taxa de erros de símbolos deve ser muito baixa, mas não tem que ser zero, para indicar um sistema de comunicações que opera corretamente. Uma MPU 548 (figura 19) pode monitorar continuamente a taxa de erros de símbolos detectada pela unidade de correção de erros 522 e pode realizar a ação corretiva caso a taxa de erros de símbolos alcançar níveis inaceitavelmente altos. Nesses casos, a MPU 548 pode mudar para um diferente esquema de codificação e/ou para uma taxa de dados mais lenta. Na maioria dos casos, os problemas de hardware resultam em um pico excessivo de pulsos que afeta a maioria dos modos PPM com as mais altas taxas de dados. Assim, a mudança para POM e/ou a desescalada da taxa de dados pode aliviar o problema. Os novos parâmetros de comunicações são difundidos na rede usando a fase de “ajuste de comunicações” descrita abaixo.

[000135] Notar que em toda a presente descrição os papéis da interface de fundo de poço (BHA) os papéis da interface de superfície são intercambiáveis. Qualquer interface pode assumir o papel de um “mestre de comunicações”. Além disso, podem existir nodos “inteligentes” dispostos ao longo da coluna de tubos que também podem assumir o papel de mestre de comunicações. Podem ser estabelecidos vários links de comunicações entre a interface de fundo de poço e esse nodo inteligente, entre os próprios nodos inteligentes, e entre nodos inteligentes e a interface de superfície de acordo com a invenção. Essas múltiplas comunicações podem prosseguir sequencialmente ou podem prosseguir de forma concorrente. Essa característica é particularmente útil nas operações de perfuração, já que a coluna de perfuração e, portanto, o sistema de comunicações é dinamicamente configurado. Durante as operações normais de perfuração, o sistema de controle de superfície é periodicamente desligado para permitir a adição de outras uniões de tubos na coluna de perfuração. Durante as operações de parada (“entrando no furo” e “saindo do furo”), o sistema de controle de superfície pode ser desligado por algum tempo da coluna de tubos. É também possível deixar a coluna de tubos em “hang in the slips”, isto é, fixar a junção mais alta de tubos na superfície sem conectar a parte superior dessa junção mais alta de tubos. Tipicamente, em todas essas situações a instrumentação BHA não pode ser acionada hidraulicamente por meio do fluxo de lama, sendo acionada por baterias, como é a maioria dos componentes do sistema de transmissão de dados. Portanto, o sistema de transmissão de dados permanece totalmente operacional, mesmo sem conectividade na superfície. A interface de fundo de poço (BHA) ou um nodo na coluna pode assumir o controle do sistema de comunicações de dados e pode monitorar e/ou comunicar-se com os componentes do sistema de transmissão de dados. Uma particular vantagem dessa funcionalidade, é o contínuo monitoramento do furo, a formação que o circunda e os fluidos contidos no furo de poço e a formação. Os dados podem ser reunidos de forma ininterrupta e independente da construção do poço. Se em um ponto posterior no tempo o sistema de controle de superfície for reconectado, os dados reunidos durante o período de tempo sem conectividade com o sistema de superfície podem ser carregados. Deve ser notado que em toda a presente descrição, os termos “carregar” e “baixar” não se referem a uma determinada direção física do fluxo de dados.

[000136] Um ciclo exemplar de comunicações é conceitualmente mostrado no diagrama de tempos da figura 24. O indicado “mestre de comunicações”, que pode ser, por exemplo, a interface de superfície ou pode ser a interface de fundo de poço, inicia as comunicações transmitindo um pulso de “despertar” 610 que progride por toda a cadeia de comunicações por meio da repetição de pulsos acima descrita. O pulso de “despertar” 610 serve para fazer a transição dos repetidores, nodos, modem, etc. de um estado de baixa potência para um estado de maior alerta. Todas essas interfaces podem realizar autoverificações nessa ocasião. O pulso de “despertar” 610 pode ter maior duração que os pulsos comuns ou pode ter outras características que o distinguem de outros pulsos como de sua frequência, sua fase, sua forma e/ou sua amplitude. O pulso de despertar 610 pode também ser constituído de uma série de pulsos, por exemplo, um rápido trem de pulsos que de propósito viole o tempo de repetição mínimo de pulsos do esquema PPM RLL escolhido. Segue-se uma fase de “ajuste de comunicações” 620 na qual o mestre de comunicações estabelece os parâmetros de comunicações, como o método de modulação, taxa de dados, taxa de repetição de pulsos, modo do ciclo de comunicações, etc. A fase de ajuste 620 pode ser tipicamente transmitida com um único frame. Para ser reconhecida por simples repetidores ou nodos, os pulsos da fase de ajuste são tipicamente transmitidos em PCM (que podem incluir NRZ mapeado para PCM, como acima descrito) Dependendo do modo de comunicações escolhido, uma fase de comutação direcional pode ser necessária para esclarecer toda a linha de transmissão dos pulsos. Essa comutação pode ter tipicamente 0,1 ms - 1 ms. A seguir temos a comunicação escolhida, na qual tipicamente uma série de quadros de dados 630 é transmitida com base no protocolo de comunicações escolhido pelo mestre de comunicações. Após essa transmissão de dados, a linha fica silenciosa para obter a comutação das comunicações necessária e sinalizar o fim do ciclo atual de comunicações. Repetidores, nodos, etc. podem entrar em modos de baixa potência nesse ponto. Como mostrado na figura 24, o próximo ciclo é iniciado por outro pulso de despertar 610. Os quadros de dados 630 são opcionais; por exemplo, para iniciar resets ou autotestes ou mudanças de modos, pode não ser necessário nenhum quadro de dados além do frame 620.

[000137] Outro propósito da fase/frame de “ajuste de comunicações” 620 pode ser a distribuição de tempo de todo o sistema. O tempo atual pode ser expresso como o número de “ticks” (um tick pode ser 1 milissegundo) a partir de uma data e tempo predefinidos no passado. Devido à propagação muito rápida de pulsos no presente sistema de comunicações, todos os nodos que exijam informações em tempo real, podem ser sincronizados dentro de um único “tick” incluindo o tempo presente como uma palavra multibytes no frame 620. Portanto, pode ser vantajoso deixar o mestre de comunicações também ser o “mestre do tempo”. Alternativamente, as informações de tempo podem ser transmitidas em um frame de dados 630. Como o sistema de superfície tem acesso às fontes mais precisas de clock, por exemplo, em uma rede de plataformas ou por meio de uma interface de Sistema de Posicionamento Global (GPS), pode ser vantajoso para o mestre de comunicações ser a interface de superfície. Para a maioria das aplicações, é suficiente uma precisão dentro de 1 milissegundo. Uma precisão submilissegundo pode ser obtida considerando o retardo de propagação do mestre de comunicações para receber o nodo como abaixo descrito.

[000138] Nas figuras 25a - 25c, são mostrados vários ciclos possíveis de comunicações para carregamentos de dados com base no diagrama de tempos da figura 24. Como os diagramas 25a-25c são o propósito dos dados de “carregamento” de um nodo ou de uma pluralidade de nodos para um receptor de dados, que pode, por exemplo, ser a interface de superfície ou a interface de fundo de poço. A figura 25a é o exemplo mais simples, em que um único nodo carrega dados pela transmissão de múltiplos quadros de dados 630 como indicado durante a fase de ajuste de comunicações 620. Os dados de outro nodo podem ser carregados em outro ciclo de comunicações, e assim por diante.

[000139] As figuras 25b e 25c mostram possibilidades para a constituição de carregamentos multiriodos. Em um sistema de comunicações compreendendo muitos nodos que recolhem dados, é claramente vantajoso usar alguns dos possíveis ciclos de comunicações para obter o máximo de dados possível. Isto é particularmente verdade no caso de sensores distribuídos que gerem somente pequenas quantidades de dados e/ou cujos dados precisem ser solicitados de forma não frequente. Como mostrado na figura 25b, em um ciclo de carregamento multinodos, a transmissão dos nodos tem períodos para transmitir seus quadros de dados dentro do período da sequência alocada seguindo a comutação de direção. Para que essa função seja realizada da forma correta, os nodos devem poder pelo menos reconhecer os vãos nas comunicações após a janela de carregamento de um nodo. É também desejável que os nodos tenham sido alocados em números de série para seguir um programa fixo para escolher as ocasiões para a transmissão dos quadros de dados.

[000140] Uma constituição para a alocação de um número de série se aproveita das vantagens das interfaces físicas dos repetidores e nodos. Como discutido, as configurações “paralelas” compreendem comutadores eletrónicos 236 que rompem a linha de transmissão 300 nos pontos de repetidores e/ou nodos ativos e de funcionamento adequado. Assim, entrando em uma sequência de “enumeração” como indicada na fase de ajuste 620, os repetidores e/ou nodos são instruídos a: (a) manter os comutadores 236 abertos durante a fase de carregamento multinodos, e (b) responder a um frame de dados de chegada de numérico serial enviando um frame de dados de numérico serial contendo um número de série incrementado. O repetidor ou nodo armazena o número de série recebido como seu próprio número de série alocado dinamicamente e usa esse número para encontrar seu slot alocado nos subsequentes carregamentos multinodos. Alternativamente, o repetidor ou nodo pode alocar para si mesmo uma faixa de números de série consecutivos enviando o próximo maior número serial. O mestre de comunicações inicia um processo de indicação dinâmica do número de série (DSNA) indicando para si próprio uma faixa de números de série, iniciando com o número 0, e enviando um frame com o próximo número de série livre. Na recepção, o repetidor ou nodo que estiver fisicamente próximo em linha indica para si mesmo o número de entrada, incrementa o número de série em pelo menos 1, e envia um novo frame com o novo número para o próximo repetidor/nodo em linha. As etapas de processo DSNA repetem-se, até que todos os repetidores e/ou nodos em funcionamento que exigem essa numeração de série tenham recebido números dinâmicos de séries. Tipicamente, o DSNA pode acontecer após os componentes da coluna de tubos terem sido adicionados ou removidos ou em qualquer outra ocasião após que a configuração da rede possa ter mudado. Como o DSNA pode exigir a intervenção MPU, esta pode ser feita no modo PCM para acomodar a menor velocidade do MPU.

[000141] Após ter sido feito o DSNA, todos os nodos que exigirem resolução de tempo de submilissegundo podem ajustar seus clocks internos estimando o tempo de latência entre a transmissão das presentes informações de tempo e sua recepção em um determinado nodo. Como tipicamente cada repetidor e cada nodo recebeu um número, a distância total entre o mestre do tempo e um nodo pode ser estimada multiplicando o número DSNA do nodo por um tempo de latência médio por distância de repetidor. Esse tempo de latência “hop” é quase constante, já que compreende (a) o comprimento do cabo dividido pela velocidade do cabo, e (b) o tempo de latência para a resposta do repetidor. Esses parâmetros são bem conhecido previamente. Adicionando o tempo estimado do tempo de latência da transmissão relativo às informações do tempo recebido, um nodo pode obter uma precisão de submilissegundo de seu clock interno sem a necessidade de caros clocks de alta precisão de fundo de poço.

[000142] Além dos números de série repetidor/nodo dinâmicos indicados pelo DSNA, é também vantajoso armazenar números de séries estáticos e exclusivos em cada repetidor e/ou nodo. A partir dos números de séries estáticos, cada história de fabricação e uso de repetidor/nodo pode ser consultada. Em outro exemplo de carregamentos de dados de nodo simples e/ou multinodos, no denominado ciclo “roll call”, cada repetidor e/ou nodo responde a um ajuste/solicitação de “roll call” pelo carregamento de seus números de séries estáticos e dinâmicos, sua condição interna e sua condição de saúde (como a tensão da bateria) e uma estimativa computadorizada da carga consumida pela bateria, respectivamente do tempo de vida restante estimado da bateria, com base em um número de parâmetros conhecidos, medidos e/ou estimados acima descritos. Os repetidores/nodos não funcionais não respondem a uma solicitação “roll call”, uma condição em que o mestre de comunicações pode detectar e sinalizar como um problema escondido do sistema comparando a história de todos os roll calls durante a presente colocação. A inspeção desse registro histórico pode revelar rapidamente repetidores e nodos subitamente faltantes, isto é que ficaram danificados.

[000143] A figura 25c detalha outra possível sequência de carregamento multinodos. Comparado à figura 25b, onde os nodos carregam quadros de dados completos, o carregamento na figura 25c prossegue de forma interfolheada como indicado pelas linhas cruzadas que ligam as figuras 25b e 25c. Apesar de os mesmos dados da figura 25b poderem ser carregados, a sequência é tal que os nodos têm suas vezes (na ordem de seus números dinâmicos de séries) na contribuição de pequenos pedaços de dados que estejam sendo agregados aos frames. O propósito dos carregamentos interfolheados é a maior eficiência de transmissão pela formação dos maiores quadros de dados possíveis e, portanto inativando a linha de transmissão entre frames da forma mais curta possível.

[000144] As figuras 26a - 26c mostram sequências “downlink” ou “write” de nodo simples e multinodos. Os diagramas de tempo correspondem às figuras 25a - 25c e aplicam-se descrições similares. Nas FIGS 26a - 26c, entretanto os dados são escritos para um nodo ou para múltiplos nodos. Os possíveis casos incluem: dados escritos em um único nodo, os mesmos dados escritos para múltiplos e diferentes nodos, múltiplos data escritos para múltiplos nodos. Obviamente, em uma sequência de transferências de transferências de dados simples de nodo simples as transferências de nodos simples seriam suficiente em todos esses casos; entretanto, as sequências dadas nas figuras 26b e 26c aumentam muito a eficiência das transferências, tomando um mínimo possível de ciclos de comunicações e formando o maior quadros de dados possível consistente com os dados transferidos.

[000145] A sequência de mensagens mostrada nas figuras 24 - 26c são bem adequadas para comunicações prioritárias. Em geral, cada sequência de comunicações é autocontida e de relativamente curta duração. Portanto, as sequências de manutenção de rede de baixa prioridade e/ou carregamentos dos dados de sensor de baixa prioridade podem ser dispersas livremente com os carregamentos de dados de alta prioridade e/ou funções de controle de alta prioridade. O controle geral de rede e de comunicações é retido pelo mestre de comunicações que pode programar mensagens de alta prioridade e/ou transferências de dados sem interferência ou muito retardo das funções de rede de baixa prioridade. Também, o mestre de comunicações mantém o controle físico da rede, porque os repetidores sem comunicação ou nodos são forçados para fora da rede por meio de sua lógica integrada de avaliação de saúde e a lógica fail-safe.

[000146] Mudanças não substanciais da matéria reivindicada vistas pelo técnico no assunto, não conhecidas ou percebidas posteriormente, são expressamente contempladas como sendo equivalentes dentro do escopo das reivindicações. Portanto, as substituições óbvias conhecidas agora ou posteriormente pelo técnico no assunto são definidas como estando no escopo dos elementos definidos.

Claims

1. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, para a comunicação de dados ao longo de uma coluna de componentes de fundo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de componentes de fundo de poço interconectados, compreendendo: uma ou mais linhas de comunicação adaptadas para transportar sinais de radiofrequência ao longo da coluna de componentes de fundo de poço; pelo menos uma comunicação mestre selecionado do grupo: uma interface de superfície, uma interface de fundo de poço, e um nó; e uma pluralidade de repetidores de sinal de baixa potência espaçados ao longo da dita coluna de componentes de fundo de poço, os ditos repetidores de sinais sendo receptíveis aos sinais de radiofrequência, onde a dita pelo menos uma comunicação mestre é adaptada para se comunicar na(s) dita(s) linha(s) de comunicações modulando os dados em pulsos de energia de radiofrequência, e onde pelo menos uma da dita pluralidade de repetidores de sinais é adaptada para regenerar os ditos pulsos de energia de radiofrequência relativo a decodificação de somente uma parte dos ditos dados modulados nos ditos pulsos.

2. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema é adaptado para transmitir os ditos pulsos de radiofrequência em um ou mais quadros de dados compreendendo pelo menos um pulso de despertar e um ou mais pulsos de dados, onde o dito pelo menos um pulso de despertar é destinado para desperta pelo menos um dos ditos repetidores de sinais e/ou pelo menos um dos ditos mestres de comunicações.

3. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um dos ditos mestres de comunicações é adaptado para transmitir pelo menos uma parte dos ditos dados por modulação de código de pulsos.

4. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um dos ditos mestres de comunicações é adaptado para transmitir pelo menos uma parte dos ditos dados por modulação de posição de pulsos.

5. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita energia de radiofrequência está em uma faixa de frequências de 10 MHz a 3 GHz.

6. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um repetidor de sinais compreende: pelo menos um circuito detector receptivo aos ditos pulsos de energia de radiofrequência; pelo menos um circuito é adaptado para regenerar os ditos pulsos de energia de radiofrequência; e pelo menos um circuito de temporização adaptado para inibir a regeneração de outros pulsos de energia de radiofrequência por um período de tempo após a regeneração de um pulso de energia de radiofrequência.

7. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita última uma comunicação mestre compreende um nó incluindo sensores e/ou atuadores.

8. Sistema para a transmissão de sinal de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma comunicação mestre e/ou os repetidores estão conectados a uma ou mais linhas de comunicação de forma à prova de falhas para prover operações à prova de falhas em uma ou mais linhas de comunicação.

9. Método para a comunicação de dados, ao longo de uma coluna de componentes de fundo de poço compreendendo uma pluralidade de componentes de fundo de poço interconectados, incluindo pelo menos uma comunicação mestre selecionado do grupo: uma interface de superfície, uma interface de fundo de poço, e um nó, e uma pluralidade de repetidores de sinal de baixa potência espaçados ao longo da dita coluna de componentes de fundo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a dita comunicação mestre modular dados nos pulsos de energia de radiofrequência para a transmissão por uma ou mais linhas de comunicação que conectam a coluna de componentes de fundo de poço; pelo menos um dos ditos repetidores de sinais recebendo ditos pulsos de energia de radiofrequência e regenerando os ditos pulsos de energia de radiofrequência relativo a decodificação de somente uma parte dos ditos dados modulados nos ditos pulsos.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de modulação compreende a transmissão dos ditos pulsos em um ou mais quadros de dados compreendendo pelo menos um pulso de despertar e um ou mais pulsos de dados, onde o dito pelo menos um pulso de despertar desperta pelo menos um dos ditos repetidores de sinais e/ou pelo menos um dos ditos mestres de comunicações.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado AIA pelo fato de que a dita etapa de modulação compreende a dita comunicação mestre transmitindo pelo menos uma parte dos ditos dados por modulação de código de pulsos.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de modulação compreende os ditos mestres de comunicações transmitindo pelo menos uma parte dos ditos dados por modulação de posição de pulsos.

13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de modulação compreende a transmissão da dita energia de radiofrequência em uma faixa de frequências de 10 MHz a 3 GHz.

14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que regenerar os ditos pulsos de energia de radiofrequência sem decodificar todos os ditos dados modulados nos ditos pulsos compreende as etapas de: pelo menos um circuito detector recebendo os ditos pulsos de energia de radiofrequência; pelo menos um circuito regenerando os ditos pulsos de energia de radiofrequência; e pelo menos um circuito de temporização inibindo a regeneração de outros pulsos de energia de radiofrequência por um período de tempo após a regeneração de um pulso de energia de radiofrequência.

15. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de conexão da dita comunicação mestre e/ou dos repetidores a uma ou mais linhas de comunicação de forma à prova de falhas para prover operações à prova de falhas em uma ou mais linhas de comunicação.