CN105809924A - 一种微地震压裂监测实时传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微地震压裂监测实时传输系统,首先是基于WLAN的负载均衡算法能够充分利用AP的带宽，均衡每个AP的负载量，提高了AP的整体带载能力，采用基于最大吞吐量的轮询机制，能够对压裂监测现场的采集站在最大吞吐量的前提下采用轮询的方法来减少信道的拥塞状态，避免了现场所有的采集站同时进行数据传输而产生信道拥塞导致不能在有效时间内完成数据的实时传输，通过对现场的采集站均衡分组，使得每个AP都能够均衡负载且保证有较好的传输性能，解决了数据传输过程中因为拥塞而降低信道传输性能的缺点，大幅度提高了无线传输的实时性。满足野外微地震监测中数据的实时回收的要求，降低了成本，提高了效率。

Description

一种微地震压裂监测实时传输系统

技术领域

本发明涉及一种基于WLAN的无线实时传输系统，尤其是涉及微地震压裂监测无线实时传输的系统。

背景技术

目前，我国中高渗透性油田的开发难度越来越大，低渗透油田却越来越多，而在低渗透油田的开发的过程中，压裂技术是一项重要的增产措施，微地震压裂监测技术是近年来低渗透油气压裂改造领域应用的一项重要技术，它通过对水力压裂过程中裂缝的形成过程的进行实时监测，从而对油田的水力压裂以及后续的油气田的开发提供指导，因此对压裂过程中的裂缝形成的实时监测对于微地震压裂监测具有重要的意义。

由于无缆存储式地震仪不需要大线，能够适应各种复杂地形的勘探，大大减轻了野外仪器布设的工作量，在地震勘探领域具有重要的应用价值，同时无缆地震仪被预测为下一代地震仪的发展方向。微地震压裂监测需要对现场所有的采集站的数据进行实时的回收与处理，能够实时对压裂过程进行监测，但是无缆存储式地震仪不能够对仪器的工作状态和数据进行实时监测，成为无缆地震仪在微地震压裂监测领域发展的限制性因素，解决无缆地震仪的通信问题是促进无缆存储式地震仪在微地震监测领域发展的一项重要技术，也是推进无缆存储式地震仪在地震勘探领域发展的一项重要技术。

传统的基于WLAN的地震勘探无线通信方案设计中，采集站基于信噪比(SNR)与其关联度最强的AP进行连接，对现场所有的采集站数据同时进行数据回收。这样的通信系统产生以下几个问题：①AP间的负载不够均衡，不同的AP之间产生过量负载和闲置状态，两种状态都不利于数据的传输；②大量的采集站同时进行数据传输造成信道拥塞，客观上降低了AP的吞吐量，降低了实时性。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种微地震压裂监测实时传输系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种微地震压裂监测实时传输系统，包括采集站对AP的均衡负载的分组和基于最大吞吐量的轮询评价：

——采集站对AP的均衡负载的分组包括：采集站对不同AP的信道链路质量评价和采集站连接信道链路质量最好的AP，并实时进行动态调整；

——基于最大吞吐量的轮询评价包括：实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系和最大吞吐量数目上的轮询方法。

采集站对不同AP的信道链路质量评价，包括以下步骤：

第一步，采集站扫描周围可使用的AP的信息，包括信道，BSSID,SNR；

第二步，对采集站周围的AP的SNR进行判断，若SNR≤S_α，表示信号极差，不满足通信要求，则该AP不作为备选AP考虑，若SNR＞S_α，则该AP作为备选AP；

第三步，AP之间的信息的收集，能够收集每个AP的负载信息，若该AP的负载l＜l₀，则该AP作为备选AP；

第四步，选取最大值ISL_APu,MHv＝MAX[ISL_APi,MHj(t)],APu和MHv即为被选择的采集站和目标AP；

第五步，当被选择的AP增加一个采集站的连接时，该AP的负载信息将会发生变化，当AP的负载增加时，对AP的每个采集站的ISL函数重新计算，若关联度最强的AP没有发生变化，则进行下一个采集站连接，若发生变化，则通过公式计算采集站与AP的链路质量ISL_APu,MHv与现在最好的链路质量MAX[ISL_APi,MHv]之间的变化幅度，对该AP连接的采集站变化幅度最大的采集站进行动态调整，调整结束后对下一个采集站进行判断连接；

第六步，重复第二、第三、第四和第五步，直至所有的采集站都连接至WLAN内。

实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系，包括以下步骤：

A、信道选择；

B、采集站进行数据传输时，分析采集站数量与AP吞吐量之间的定量关系；

C、当AP吞吐量达到最大时，获得数据传输时所对应的采集站数量n。

最大吞吐量数目上的轮询方法，AP首先对采集站按照SNR的顺序，由强到弱依次轮询，包括以下步骤：

a、开始，n个采集站同时数据传输；

b、是否有采集站传输完成？是；

c、将权限释放给其他采集站；

d、n个采集站继续数据传输；

e、所有采集站是否传输完成？

f、是，结束。

有益的效果：为克服数据回收过程中产生的问题，本发明提出的基于WLAN的微地震压裂监测无线传输系统，对现有的基于WLAN的数据回收方法进行了优化，与现有的直接对现场所有的采集站的数据进行实时回收的方案相比，首先通过对现场的采集站进行均衡分组，使得每个AP都能够均衡负载且保证有较好的传输性能，然后通过基于最大吞吐量的轮询的方式解决在数据传输过程中因为拥塞而降低信道传输性能的缺点，大幅度提高了该无线传输系统的实时性。满足野外微地震监测中数据的实时回收的要求。

附图说明

图1：微地震压裂监测无线传输系统结构框图

图2：采集站对不同AP的信道链路质量评价流程图

图3：最大吞吐量数据传输流程图

图4：最大吞吐量的轮询方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种微地震压裂监测实时传输系统，包括采集站对AP的均衡负载的分组和基于最大吞吐量的轮询评价：

——采集站对AP的均衡负载的分组包括：采集站对不同AP的信道链路质量评价和采集站连接信道链路质量最好的AP，并实时进行动态调整；

——基于最大吞吐量的轮询评价包括：实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系和最大吞吐量数目上的轮询方法。

采集站对不同AP的信道链路质量评价，包括以下步骤：

第一步，采集站扫描周围可使用的AP的信息，包括信道，BSSID,SNR；

第二步，对采集站周围的AP的SNR进行判断，若SNR≤S_α，表示信号极差，不满足通信要求，则该AP不作为备选AP考虑，若SNR＞S_α，则该AP作为备选AP；

第三步，AP之间的信息的收集，能够收集每个AP的负载信息，若该AP的负载l＜l₀，则该AP作为备选AP；

第四步，选取最大值ISL_APu,MHv＝MAX[ISL_APi,MHj(t)],APu和MHv即为被选择的采集站和目标AP；

第五步，当被选择的AP增加一个采集站的连接时，该AP的负载信息将会发生变化，当AP的负载增加时，对AP的每个采集站的ISL函数重新计算，若关联度最强的AP没有发生变化，则进行下一个采集站连接，若发生变化，则通过公式计算采集站与AP的链路质量ISL_APu,MHv与现在最好的链路质量MAX[ISL_APi,MHv]之间的变化幅度，对该AP连接的采集站变化幅度最大的采集站进行动态调整，调整结束后对下一个采集站进行判断连接；

第六步，重复第二、第三、第四和第五步，直至所有的采集站都连接至WLAN内。

实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系，包括以下步骤：

A、信道选择；

B、采集站进行数据传输时，分析采集站数量与AP吞吐量之间的定量关系；

C、当AP吞吐量达到最大时，获得数据传输时所对应的采集站数量n。

最大吞吐量数目上的轮询方法，AP首先对采集站按照SNR的顺序，由强到弱依次轮询，包括以下步骤：

a、开始，n个采集站同时数据传输；

b、是否有采集站传输完成？是；

c、将权限释放给其他采集站；

d、n个采集站继续数据传输；

e、所有采集站是否传输完成？

f、是，结束。

本发明通过图1的技术方案进行实施。该方案首先通过对均衡负载算法的优化，对现场所有的采集站均衡且保证AP最佳利用率的基础上连接至相关联AP，然后通过基于最大吞吐量的轮询机制对现场所有的采集站进行轮询的方式进行数据传输，避免了拥塞。

对负载均衡算法的优化包括两方面，其一，对无线终端进行分组时不但考虑SNR，而且对AP的无线终端的数量作为考虑因素，用ISL函数对链路质量进行综合判断；其二，AP在增加新的无线终端时，原有的无线终端会时刻监听和评价新的无线终端对原有无线终端的链路质量的影响程度，并做出相应的调整，保证了每个AP的负载不仅仅具有均衡性，而且保证了每个AP能够以最大的吞吐量的链接方式建立起采集站与AP之间的关联。最大吞吐量的负载均衡算法主要按照图2进行。通过ISL函数提供的阈值算法可以更好的对采集站和AP之间的链路结构进行合理的评价。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ISL}}_{APi,MHj}={\mathrm{SNR}}_{APi,MHj}\left(t\right)*f_{APi},SNR>S_{\mathrm{\&alpha;}}\\ f_I\left(l\right)=\exp (-k_1\&times;l)+k_2,l<l_0\end{array}\right.$

第一步，采集站扫描周围可使用的AP的信息，包括信道，BSSID,SNR；

第二步，对采集站周围的AP的SNR进行判断，若SNR≤S_α,表示信号极差，不满足通信要求，则该AP不作为备选AP考虑，若SNR＞S_α,则该AP作为备选AP；

第三步，AP之间的信息的收集，能够收集每个AP的负载信息，若该AP的负载l＜l₀，则该AP作为备选AP；

第四步，选取最大值ISL_APu,MHv＝MAX[ISL_APi,MHj(t)],APu和MHv即为被选择的采集站和目标AP；

第五步，当被选择的AP增加一个采集站的连接时，该AP的负载信息将会发生变化，当AP的负载增加时，对AP的每个采集站的ISL函数重新计算，若关联度最强的AP没有发生变化，则进行下一个采集站连接，若发生变化，则通过公式计算采集站与AP的链路质量ISL_APu,MHv与现在最好的链路质量MAX[ISL_APi,MHv]之间的变化幅度，对该AP连接的采集站变化幅度最大的采集站进行动态调整，调整结束后下一个采集站进行判断连接。

第六步，重复第二，三，第四和第五步，直至所有的采集站都连接至WLAN内。

通过ISL函数对信道的链路质量进行判断以及实时监控当AP负载发生变化时对AP原有的负载的链路质量的影响，进行适当的负载调整，使得每个AP的负载不但均衡而且每个采集站还能够有较好的链路质量，从而使得每个AP达到较大的吞吐量，复杂的均衡算法使得采集站连接WLAN的时间消耗比较大，但是在微地震压裂监测应用现场，当数据进行实时传输过程中不会出现新的采集站加入WLAN内，所有的采集站的连接都在数据传输前完成，所以，该方案在微地震压裂监测领域的应用将不受限制。

基于最大吞吐量的轮询机制是为了使得每个AP的吞吐量的利用率达到最大。AP会因负载过大，信道之间的拥塞现象严重，从而使得整体的吞吐量会有明显的下降，在实时传输的系统中，拥塞的信道会使得数据传输的延迟产生累加，不能满足实时性要求。因此，本发明中设计中采用图3的数据传输方法。

首先多个AP之间需要同时进行数据传输，多个AP之间的信道可能产生干扰，整个系统的吞吐量下降，所以，多个AP同时进行数据回收时我们需要对使用不同互不干扰信道来减少信道之间的干扰；

其次，分析采集站的数量与AP吞吐量之间的关系，当进行数据传输的采集站数量少时可能造成AP带宽利用率较低，如果采集站数量太多，可能产生信道拥塞，造成吞吐量下降，所以需要通过分析两者之间的关系，得到当AP的吞吐量利用率达到最佳时，进行数据传输的采集站的数量n；

最后，采用如图4的方式进行轮询，为了避免信号强度差异大的采集站数据传输过程中资源的竞争现象比较严重，AP首先对采集站按照SNR的顺序，由强到弱依次轮询。

在微地震压裂监测现场，通过在控制中心外布设三到五个5.8GHz的大功率AP，野外的采集站通过监测周围与其关联的AP的SNR以及所连接的采集站的数目，通过SNR＞S_α以及l＜l₀来确定备选AP,通过ISL函数

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ISL}}_{APi,MHj}={\mathrm{SNR}}_{APi,MHj}\left(t\right)*f_{APi},SNR>S_{\mathrm{\&alpha;}}\\ f_I\left(l\right)=\exp (-k_1\&times;l)+k_2,l<l_0\end{array}\right.$

计算，选取最大值ISL_APu,MHv＝MAX[ISL_APi,MHj(t)]，然后连接至该AP。每当AP增加一个采集站连接，对该AP的采集站的链路质量重新评价，若关联度最强的AP没有发生变化，则下一个采集站进行连接，若发生变化，则通过公式计算采集站与的链路质量与现在最好的链路质量的变化幅度，对该AP连接的采集站变化量最大的采集站进行动态调整，调整结束后下一个采集站进行连接，直至所有的采集站连接完成。

通过实验对比分析，采集站与AP吞吐量的关系，我们可以发现，当与AP进行数据传输的采集站比较少时，造成带宽浪费，当对AP进行数据传输的采集站比较多时，容易造成信道拥塞，造成AP的吞吐量浪费，所以我们在满足AP的吞吐量达到最大时，首先对所有的采集站的SNR由强到弱依次排序，避免SNR差别大的采集站同时进行数据传输产生的竞争关系，采用轮询的方法，以达到较高的带宽利用率，直至数据传输完成，达到实时回收数据的效果。

优化后的负载均衡算法和基于最大吞吐量的轮询机制结合的无线传输系统大大减少了数据传输的时间，提高了微地震压裂监测的实时性。

Claims (4)

1.一种微地震压裂监测实时传输系统，包括采集站对AP的均衡负载的分组和基于最大吞吐量的轮询评价，其特征在于：

——采集站对AP的均衡负载的分组包括：采集站对不同AP的信道链路质量评价和采集站连接信道链路质量最好的AP，并实时进行动态调整；

——基于最大吞吐量的轮询评价包括：实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系和最大吞吐量数目上的轮询方法。

2.按照权利要求1所述的微地震压裂监测实时传输系统，其特征在于，采集站对不同AP的信道链路质量评价，包括以下步骤：

第一步，采集站扫描周围可使用的AP的信息，包括信道，BSSID,SNR；

第二步，对采集站周围的AP的SNR进行判断，若SNR≤S_α，表示信号极差，不满足通信要求，则该AP不作为备选AP考虑，若SNR＞S_α，则该AP作为备选AP；

第三步，AP之间的信息的收集，能够收集每个AP的负载信息，若该AP的负载l＜l₀，则该AP作为备选AP；

第四步，选取最大值ISL_APu,MHv＝MAX[ISL_APi,MHj(t)],APu和MHv即为被选择的采集站和目标AP；

第五步，当被选择的AP增加一个采集站的连接时，该AP的负载信息将会发生变化，当AP的负载增加时，对AP的每个采集站的ISL函数重新计算，若关联度最强的AP没有发生变化，则进行下一个采集站连接，若发生变化，则通过公式计算采集站与AP的链路质量ISL_APu,MHv与现在最好的链路质量MAX[ISL_APi,MHv]之间的变化幅度，对该AP连接的采集站变化幅度最大的采集站进行动态调整，调整结束后对下一个采集站进行判断连接；

第六步，重复第二、第三、第四和第五步，直至所有的采集站都连接至WLAN内。

3.按照权利要求1所述的微地震压裂监测实时传输系统，其特征在于，实验对比AP的吞吐量与采集站的数目之间的定量关系，包括以下步骤：

A、信道选择；

B、采集站进行数据传输时，分析采集站数量与AP吞吐量之间的定量关系；

C、当AP吞吐量达到最大时，获得数据传输时所对应的采集站数量n。

4.按照权利要求1所述的微地震压裂监测实时传输系统，其特征在于，最大吞吐量数目上的轮询方法，AP首先对采集站按照SNR的顺序，由强到弱依次轮询，包括以下步骤：

a、开始，n个采集站同时数据传输；

b、是否有采集站传输完成？是；

c、将权限释放给其他采集站；

d、n个采集站继续数据传输；

e、所有采集站是否传输完成？

f、是，结束。