CN111699640A - 使用唯一音调签名的网络对等识别和自组织的方法及使用该方法的井 - Google Patents

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CN111699640A
CN111699640A CN201980012430.6A CN201980012430A CN111699640A CN 111699640 A CN111699640 A CN 111699640A CN 201980012430 A CN201980012430 A CN 201980012430A CN 111699640 A CN111699640 A CN 111699640A
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    • H04W76/10—Connection setup

Abstract

公开了一种使用无线网络的通信方法。在第一节点处接收无线传输的信号。该信号具有频率签名。将接收到的信号的频率签名与先前从第二节点接收到的信号的频率签名进行比较。如果确定接收到的信号的频率签名与先前接收到的信号的频率签名在预定的相似度范围内，那么接收到的信号和先前接收到的信号被接受作为是已经由第二节点发送。

Description

使用唯一音调签名的网络对等识别和自组织的方法及使用该 方法的井
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月8日提交的标题为“Methods of Network PeerIdentification and Self-Organization using Unique Tonal Signatures and Wellsthat Use the Methods”的美国临时申请序列No.62/628,105以及于2019年2月1日提交的标题为“Methods of Network Peer Identification and Self-Organization usingTonal Signatures and wells that use the Methods”的美国临时申请序列No.62/799,881的优先权，其中每一个的公开内容通过引用整体并入本文。
本申请与2016年11月30日提交的标题为“Methods of AcousticallyCommunicating And Wells That Utilize The Methods”的美国临时申请序列No.62/428,385和2016年8月31日提交的标题为“Plunger Lift Monitoring Via A DownholeWireless Network Field”的美国临时申请序列No.62/381,926以及美国专利No.10,190,410相关，其中每一个的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般而言涉及声学通信的方法和/或使用该方法的井。
背景技术
声学无线网络可以用于经由音调传输介质无线地发送声学信号(诸如振动)。一般而言，给定的音调传输介质只允许在某个频率范围内通信；并且，在一些系统中，这个频率范围可能相对小。这种系统在本文中可以被称为频谱受限系统。频谱受限系统的示例是诸如烃井之类的井，其包括沿着其长度间隔开的多个通信节点。
安装和操作这种网络的节点的已知方法需要大量的时间和精力。要求按数值次序将节点安装在套管上，这需要大量的时间投入、扩展的空间覆盖范围以及套管移动的极端物流计划。一旦安装到井中，网络的操作就需要对最优操作条件和潜在的网络节点配对进行持续调查。这是迭代的手动过程，需要大量的测试时间，并且还会消耗用于发送命令以执行测试的所有节点的能量。
以上方法也招致重大风险。不正确的节点编号或错误的安装次序将导致网络无法正常工作，并且可能有必要进行大量重新配置以校正错误，这将花费大量的操作者时间并且浪费网络上许多节点的能量。操作过程中的意外错误配置(诸如为节点指派重复或无序编号，或以无穷循环方式链接它们)将带来类似的风险。
解决编号问题的典型方法使用中央机构对所有制造的节点进行顺序编号。这保证了唯一性，但没有解决无序安装的问题，也没有防止意外错误配置，并且该方法仍然需要中央机构来接触每个节点(以指派编号)，从而限制制造效率。
一种替代技术是使每个节点为其自己指派随机数，并且消除了按顺序次序安装节点的要求。这去除了无序风险并大大降低了操作错误配置的风险，但是因为有可能两个节点将随机为其自己指派相同的编号，所以无法保证唯一性。为了最小化(尽管仍然不能消除)重复编号的风险，典型的实施方式是使随机数非常大。遗憾的是，节点必须在每次通信中例行发送这个数字，因此经由过多的发送音调使用非常大的数字导致附加的能量消耗。需要的是一种在安装之后识别网络中的节点并且不使用耗能的随机识别编号的方法。
发明内容
本文公开了声学通信的方法以及使用该方法的井。该方法一般使用声学无线网络，其包括沿着音调传输介质的长度间隔开的多个节点。根据公开的方面，提供了一种使用无线网络进行通信的方法，该无线网络诸如使用一个或多个井部件作为本文所述的音调传输介质的声学无线网络。在第一节点处接收信号的无线传输。该信号具有频率签名和/或振幅签名，在一些方面，它们可以是基于时间的频率签名和/或基于时间的振幅签名。将接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名进行比较。如果确定接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名在预定的相似度范围内，那么接收到的信号和先前接收到的信号被接受作为是已经由第二节点发送。
附图说明
图1是被配置为使用根据本公开的方法的井的示意性表示。
图2是描绘根据本公开的确定接收到的声学音调的主频率的方法的流程图。
图3是图示作为时间的函数的多个接收到的声学音调的接收振幅的曲线图。
图4是图示来自图3的声学音调的接收振幅的曲线图。
图5是图示图4的接收到的声学音调的频率变化的曲线图。
图6是图示可以用于确定图4-图5的接收到的声学音调的主频率的直方图数据的表。
图7是图示根据本公开的机制的表，通过该机制可以选择图4-图5的声学音调的主频率。
图8A-图8D描绘了接收到的信号的多直方图签名的数字表示。
图9A-图9F是示出接收到的信号的唯一模式或签名的振幅图。
图10是描绘在声学无线网络中使用声学音调签名作为网络对等识别和自组织的方法的流程图。
具体实施方式
以下是在本公开中使用的若干具体术语的定义的非穷举列表(其它术语可以在本文其它地方以明确的方式定义或阐明)。这些定义旨在阐明本文使用的术语的含义。相信这些术语以与它们的普通含义一致的方式被使用，但是为了清楚起见在此仍然指定定义。
如本文所使用的，放置在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”意味着(1)第一实体、(2)第二实体，和(3)第一实体和第二实体之一。用“和/或”列出的多个实体应当以相同的方式解释，即，如此结合的实体中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体识别出的实体之外，其它实体可以可选地存在，无论是与具体识别出的那些实体相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的实体)；在另一个实施例中仅指B(可选地包括除A以外的实体)；在又一个实施例中，指A和B两者(可选地包括其它实体)。这些实体可以指元件、动作、结构、步骤、操作、值等。
如本文所使用的，引用一个或多个实体的列表的短语“至少一个”应当被理解为表示从实体列表中的任何一个或多个实体中选择的至少一个实体，但不一定包括实体列表中具体列出的每个和每个实体中的至少一个，并且不排除实体列表中的实体的任意组合。这个定义还允许可以可选地存在于除短语“至少一个”所指的实体列表中具体识别出的实体以外的实体，无论与具体识别出的那些实体相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以指至少一个，可选地包括多于一个，A，不存在B(并且可选地包括除B以外的实体)；在另一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个，B，不存在A(并且可选地包括除A以外的实体)；在又一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个，A，以及至少一个，可选地包括多于一个，B(并且可选地包括其它实体)。换句话说，短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放式表达，其在操作中既是连接的又是分离的。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”可以表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、A、B和C一起，以及可选地上面与至少一个其它实体的组合中的任何一个。
在任何专利、专利申请或其它参考文献通过引用并入本文并且(1)以与或者本公开的未并入部分或者任何其它并入的参考文献不一致的方式定义术语和/或(2)以其它方式与或者本公开的未并入部分或者任何其它并入的参考文献不一致，应当以本公开的未并入部分为主，并且其中的术语或并入的公开内容仅应当相对于其中定义该术语和/或最初存在所并入的公开内容的参考文件为主。
如本文所使用的，术语“被调整”和“被配置”表示元件、部件或其它主题被设计为和/或旨在执行给定的功能。因此，术语“被调整”和“被配置”的使用不应当被解释为意指给定元件、部件或其它主题仅仅“能够”执行给定功能，而是元件、部件和/或其它主题被具体地选择、创建、实现、利用、编程和/或设计为执行该功能。被陈述为适于执行特定功能的元件、部件和/或其它陈述的主题可以附加地或可替代地被描述为被配置为执行那个功能，反之亦然，这在本公开的范围内。
如本文所使用的，短语“例如”、短语“作为示例”和/或仅仅术语“示例”，在参考根据本公开的一个或多个部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法时，旨在传达所描述的部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法是根据本公开的部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法的说明性、非排他性示例。因此，所描述的部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法不旨在限制、必需、或排他/穷举；并且其它部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法(包括结构上和/或功能上相似和/或等同的部件、特征、细节、结构、实施例和/或方法)也在本公开的范围内。
如本文所使用的，“流体”是指气体、液体以及气体和液体的组合，以及气体和固体的组合，以及液体和固体的组合。
图1-10提供了根据本公开的方法200和/或1000的示例，和/或包括可以包括和/或利用这些方法的声学无线网络50的井20的示例。用于相似或至少基本相似的目的的元件在图1-10的每一个中用相同的数字标记，并且这些元件在本文可以不参考图1-10中的每一个详细讨论。类似地，不是所有元件都在图1-10的每一个中标记，但是为了一致性，本文可以使用与其相关联的标号。在不脱离本公开的范围的情况下，这里参考图1-10中的一个或多个讨论的元件，组件和/或特征可以包括在图1-10中的任何一个中和/或与图1-10中的任何一个一起使用。一般而言，可能包括在特定实施例中的元件以实线示出，而可选的元件以虚线示出。但是，以实线示出的元件可以不是必需的，并且在一些实施例中，可以被省略而不脱离本公开的范围。
图1是被配置为使用根据本公开的方法200和/或1000的井20的示意性表示。井20包括在地下区域90内延伸的井筒30。井筒30在本文中也可以被称为在表面区域80和地下区域90之间延伸和/或在地下区域内延伸的地下地层92内延伸。地下地层92可以包括烃94。在这些条件下，井20在本文中也可以称为或可以是烃井20、生产井20和/或注入井20。
井20还包括声学无线网络50。声学无线网络在本文中也可以被称为井下声学无线网络50，并且包括沿着音调传输介质100间隔开的多个节点60，音调传输介质100沿着井筒30的长度延伸。在井20的上下文中，音调传输介质100可以包括可在井筒30内延伸的井下管40、可在井筒30内延伸的井筒流体32、接近井筒30的地下区域90的一部分、接近井筒30的地下地层92的一部分，和/或可在井筒30内延伸和/或可以在井筒30和井下管40之间的环形区域内延伸的水泥34。井下管40可以限定流体导管44。
节点60可以包括一个或多个编码节点62，这些编码节点可以被配置为生成声学音调70和/或在音调传输介质100内引发声学音调。节点60还可以包括一个或多个解码节点64，这些解码节点可以被配置为从音调传输介质接收声学音调70。给定节点60可以既用作编码节点62又用作解码节点64，这取决于给定节点是发送声学音调(即，用作编码节点)还是接收声学音调(即，用作解码节点)。换句话说，给定节点可以既包括编码又包括解码功能或结构，这些结构取决于给定节点是正在编码声学音调还是解码声学音调而被选择性地使用。
在井20中，声学音调70的传输可以沿着井筒30的长度。照此，声学音调的传输可以是线性的、至少基本上是线性的和/或有向的，诸如通过音调传输介质100。这种配置可以与更常规的无线通信方法相反，后者一般可以在多个方向上或甚至在每个方向上发送对应的无线信号。
图2是描绘根据本公开的使用从接收到的声学音调生成的直方图来确定经由音调传输介质发送的接收到的声学音调的主频率的方法200的流程图。可以利用任何合适的一种或多种结构来执行方法200。作为示例，方法200可以由声学无线网络(诸如图1的声学无线网络50)使用。在这些条件下，方法200可以用于沿着井筒30的长度进行通信。
方法200包括在210处接收所接收到的声学音调，在220处估计接收到的声学音调的频率，以及在230处将音调接收时间分成多个时间间隔。方法200还包括在240处计算频率变化，在250处选择多个时间间隔的子集，以及在260处对多个离散频率值求平均。方法200还可以包括在270处发送所发送的声学音调。
在210处接收所接收到的声学音调可以包括用声学无线网络的解码节点进行接收。附加地或可替代地，210处的接收可以包括从音调传输介质接收和/或接收音调接收时间。210处的接收可以包括接收任何合适的音调接收时间。作为示例，音调接收时间可以是至少1微秒、至少10微秒、至少25微秒、至少50微秒、至少75微秒或至少100微秒。210处的接收还可以包括以任何合适的频率或音调频率进行接收。音调频率的示例包括至少10千赫兹(kHz)、至少25kHz、至少50kHz、至少60kHz、至少70kHz、至少80kHz、至少90kHz、至少100kHz、至少200kHz、至少250kHz、至少400kHz、至少500kHz，和/或至少600kHz的频率。附加地或可替代地，音调频率可以是至多1兆赫(MHz)、至多800kHz、至多600kHz、至多400kHz、至多200kHz、至多150kHz、至多100kHz，和/或至多80kHz。
210处的接收可以包括用任何合适的解码节点(诸如图1的解码节点64)进行接收。附加地或可替代地，210处的接收可以包括用声学音调接收器进行接收。声学音调接收器的示例包括压电音调接收器、压阻音调接收器、谐振MEMS音调接收器、非谐振MEMS音调接收器和/或接收器阵列。
在图3中图示了多个接收到的声学音调的示例，而图4中图示了单个接收到的声学音调的示例。图3-图4都图示了作为时间的函数(例如，音调接收时间)的接收到的声学音调的振幅。如图3-4所示，在音调接收时间期间，接收到的声学音调的振幅可以显著变化。这种变化可以由音调传输介质内的非理想性和/或音调传输过程造成。这些非理想性的示例在本文讨论并且包括音调传输介质内的声学音调反射点、音调传输过程期间谐波的生成、音调传输介质内的振铃，和/或音调传输介质内声学音调的速度的变化。总的来说，这些非理想性可能使得确定、准确地确定和/或可再现地确定接收到的声学音调的主频率具有挑战性，并且方法200可以促进这种确定。
在220处估计接收到的声学音调的频率可以包括估计作为时间的函数和/或在音调接收时间期间的接收到的声学音调的频率。这可以包括估计在音调接收时间内在对应的多个离散时间处接收到的多个离散频率值，并且可以以任何合适的方式完成。
作为示例，接收到的声学音调可以包括或者是接收到的声波，其在音调接收时间内具有时变振幅，如图3-图4中所示。时变振幅可以定义平均振幅，并且220处的估计可以包括测量时变振幅和平均振幅之间的周期时间(222)、测量接收到的声波的各个循环的周期(224)，和/或测量接收到的声波的多个过零时间(226)。
220处的估计可以用于生成数据集，该数据集表示在音调接收时间期间作为时间的函数的接收到的声学音调的频率。图5中图示了这种数据集的示例。如图5中可以看到的，接收到的声学音调的频率包括存在相对较高变化量的时间区域，诸如图5中从T0到T1和从T2到T3的时间区域，以及存在相对较低变化量的时间区域，诸如图5中从T1到T2的时间区域。
在230处将音调接收时间分成多个时间间隔可以包括进行分离，使得多个时间间隔中的每个时间间隔包括在那个时间间隔期间接收和/或确定的多个离散频率值的子集。在本公开的范围内，多个时间间隔中的每个时间间隔可以小于音调接收时间的阈值部分(threshold fraction)。音调接收时间的阈值部分的示例包括小于20％、小于15％、小于10％、小于5％或小于1％的阈值部分。换句话说，230处的分离可以包括将音调接收时间分成至少阈值数量的时间间隔。时间间隔的阈值数量的示例包括至少5个、至少7个、至少10个、至少20个或至少100个时间间隔。多个时间间隔中的每个时间间隔的持续时间可以与多个时间间隔中的每个其它时间间隔的持续时间相同或至少基本相同，这在本公开的范围内。但是，这不是所有实现都需要的，并且多个时间间隔中的一个或多个时间间隔的持续时间可以与多个时间间隔中的一个或多个其它时间间隔的持续时间不同。
在240处计算频率变化可以包括计算每个时间间隔内和/或多个离散频率值的每个子集内的任何合适的频率变化。240处的计算可以以任何合适的方式执行和/或可以计算变化或频率变化的任何合适的测量。作为示例，240处的计算可以包括计算指示多个离散频率值的每个子集内的可变性的统计参数。作为另一个示例，240处的计算可以包括计算多个离散频率值的每个子集内的频率范围。作为又一个示例，240处的计算可以包括计算多个离散频率值的每个子集的或其内部的频率标准偏差。作为另一个示例，240处的计算可以包括对多个离散频率值中的每个子集进行评分。
作为又一个示例，240处的计算可以包括评估余量，或评估给定时间间隔内给定频率相对于在给定时间间隔期间检测到的其它频率的区别性。这可以包括利用幅度和/或概率密度来评估区别性和/或利用给定时间间隔内最常见直方图元素和第二最常见直方图元素的幅度之差来评估区别性。
作为更具体的示例，并且当240处的计算包括计算频率范围时，240处的计算可以包括将多个离散频率值的每个子集划分区间(bin)或分离成区间(bin)。这在图6中示出。其中，在给定时间间隔内(即，由时间间隔1-10表示)观察到给定频率的次数(即，由区间1-14表示)被制成表格。给定频率区间-时间间隔组合的零值指示在给定时间间隔期间未观察到给定频率区间，而非零数字指示在给定时间间隔期间观察到给定频率区间的次数。
在这些条件下，240处的计算可以包括确定频率区间的跨度或范围。在图6的示例中，包括至少一个计数的最上面的区间是区间14，而包括至少一个计数的最下面的区间是区间11。因此，如所指示的，跨度或范围是4。
在250处选择多个时间间隔的子集可以包括选择其中在240处的计算期间确定的频率变化小于阈值频率变化的子集。实验数据表明，频率变化小于阈值频率变化的时间间隔表示更能代表接收到的声学音调的主频率的时间间隔。照此，250处的选择包括选择性地确定哪个时间间隔更能代表或更可能包括接收到的声学音调的主频率，从而在整体确定接收到的声学音调的主频率中降低噪声。
250处的选择可以包括选择音调接收时间内的连续范围或者选择在音调接收时间内在时间上间隔开的两个或更多个范围。附加地或可替代地，250处的选择可以包括从多个时间间隔中选择至少2个、至少3个、至少4个或至少5个时间间隔。
附加地或可替代地，250处的选择可以包括进行选择，使得多个离散频率值的每个相继子集内的频率变化相对于多个离散频率值的先前子集减小和/或相对于多个离散频率值的先前子集保持不变。
在图6中图示了250处的选择的示例。在这个示例中，在表中选择并突出显示跨度小于10的时间间隔。这些包括时间间隔1、4和5。
在260处对多个离散频率值求平均可以包括在250处的选择期间选择的多个时间间隔的子集内求平均和/或求平均以确定接收到的声学音调的主频率。260处的求平均可以以任何合适的方式完成。作为示例，260处的求平均可以包括计算指示多个时间间隔的子集内的多个离散频率值的平均值的统计参数。作为另一个示例，260处的求平均可以包括计算多个时间间隔的子集内的多个离散频率值的平均值、中值或众数值(mode value)。
作为更具体的示例，并且参考图6-图7，260处的求平均可以包括对在250处的选择期间选择的时间间隔的区间求和。如所讨论的，并且对250处的选择利用一个标准，可以选择图6中的区间1、4和5。然后可以将这三个区间中的计数的数量相加以得到图7，并且可以选择具有最多计数的区间，其表示所选择的时间间隔的最常见或模式的频率。在图7的示例中，这可以包括选择区间12或区间12的频率作为接收到的声学音调的主频率。
在270处发送所发送的声学音调可以包括用声学无线网络的编码节点进行发送。270处的发送可以在260处的求平均之后或者或响应于260处的求平均；并且发送的声学音调的发送频率可以至少部分地基于或等于接收到的声学音调的主频率。换句话说，270处的发送可以包括沿着音调传输介质的长度重复或传播接收的声学音调的主频率，诸如以便允许和/或促进沿着音调传输介质的长度的通信。
根据本公开的一方面，可以沿着井眼中的套管从节点向节点发送声学遥测分组。固定位置的节点(例如，水听器)可以侦听声学无线网络中的遥测进度，并且可以记录接收到的声学信号的表示。这种表示在口语上被称为直方图或多直方图，并且可以如先前公开的那样生成，或者在接收遥测分组时由接收器算法通过收集在时间区间(例如，1毫秒长的区间)中解释的过零来生成。可以使用分析接收到的声学信号的频率和/或振幅的其它手段，诸如：对接收到的声学信号执行傅立叶变换；对接收到的声学信号执行快速傅立叶变换(FFT)；对接收到的声学信号执行离散傅立叶变换；对接收到的声学信号执行小波变换；对接收到的声学信号执行多重最小二乘分析；余量、具有过零速率(ZCR)的跨度；具有快速傅立叶变换(FFT)的余量、跨度等。在共同未决且共同拥有的美国专利申请公开No.2018/058,204中描述了使用直方图识别无线网络中的频率的过程，该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
如图8A-图8D中所看到的，当被具体接收器接收时，由给定节点发送的每个频率具有其自己的较高和较低等级的多直方图区间的模式。这些模式或签名(可以称为音调签名、多直方图签名等)由于节点组装和安装的物理可变性(虽然很小)而随节点而变化，并且也会受到从发送节点到接收节点的距离的影响。此外，可能影响频率签名和/或振幅签名的其它非理想情况包括音调传输介质内的声学音调反射点、音调传输过程期间谐波的生成、音调传输介质内的振铃、音调传输介质内的声学音调的速度的变化、每个发送/接收器节点对唯一的距离的具体布置和材料特性(密度、折射率等)。例如，图8A示出了当诸如节点12之类的具体节点发送两个具体音调时用于侦听器(诸如声学无线网络中的节点)的多直方图签名802。如图8B中所示，当节点12随后发送相同的两个音调时，侦听器可以听到类似的多直方图签名804。虽然两个多直方图签名802、804的数字不完全相同，但是出于识别发送音调的独特来源的目的，可以使用已知的模式识别技术来确定签名足够相似。如图8C中所示，当诸如节点13之类的不同节点发送相同的两个音调时，相同的侦听器听到不同的多直方图签名806。当节点13稍后发送相同的两个音调时，侦听器将听到多直方图签名808。多直方图签名808与多直方图签名806相似，但不同于多直方图签名802和804。
通过发送/接收器节点对所唯一的距离的具体布置和材料特性(密度、折射率等)，由于各种声学模式的物理传播，独特的模式或签名不仅存在于时域或频域中(由对应的多直方图可见)，而且存在于振幅域中，如图9A-图9F中所示。图9A示出了当由第一接收节点接收时来自发送节点的声学信号的基于时间的振幅902。两个节点都是与井眼相关联的声学无线网络的一部分，并附接到井眼的套管。第一接收节点在距发送节点几英寸(厘米)处定位，但是在套管的相对侧，即，绕套管180度。图9B示出了当由第二接收节点接收时完全相同的信号的基于时间的振幅904。第二接收节点在距发送节点几英寸(厘米)处定位，但是在套管的同一侧。图9C示出了当由第三接收节点接收时该信号的基于时间的振幅906。第三接收节点在距发送节点40英尺(13米)处定位，但是在套管的相对侧，即，绕套管180度。图9D示出了当由第四接收节点接收时该信号的基于时间的振幅908，第四接收节点在距发送节点40英尺(13米)处定位，但是在套管的同一侧。可以看出，基于接收节点与发送节点的距离和位置，接收到的信号有所不同。在图9E和9F中示出了另一个示例，其描绘了当分别由第三和第四接收节点接收时不同信号的基于时间的振幅910、912。
因为接收到的模式或签名-无论在时域、频域或振幅域中-是独特的并且在给定的发送/接收节点集合之间可以持续较长的时间重复，所以可以得出这些模式或签名的多种用法。此外，独特的接收模式或签名是特定于接收器的。换句话说，从第一发送/接收节点到第二发送/接收节点的信号将生成与通过从第二发送/接收节点到第一发送/接收节点的信号生成的模式或签名不同的模式或签名。模式或签名的独特性质可以被用于推断两个节点之间的物理特性。
所公开方面的用途的示例包括使用独特的频率和/或振幅签名来定义各个节点之间定义的信号之间的链接，以形成与人为干预无关的网络。独特的频率和/或振幅签名可以识别具体节点，并且可以使用定义的节点来建立网络。这种网络可以随着时间的推移而调整，并且在逐个分组的基础上进行优化，或者调整不断变化的物理环境，或者通过网络使用的具体目标(诸如使节点之间或整个网络的能量使用最小化、最大化数据速率、最小化错误率、最小化时延、保证最坏情况下的数据率、保证最坏情况下的时延、跨多个节点自主平衡能量使用、自主平衡数据传输负载等。签名还可以被用于推断任何两个节点之间的物理特性，诸如传输介质的变化的性质，在一方面，该传输介质可以是声学传输介质。在另一方面，独特的信号可以帮助基于情况确定网络中每个节点之间的联网参数。如共同拥有的美国专利申请No.16/139,427中所述，此类参数可以包括局部理想的频带或定时参数，其可以专门针对可能不同于该区域中的其它节点的特定相邻节点来定制，该专利申请通过引用整体并入本文。
在另一方面，节点可以(至少部分地)响应于声学和/或频率签名中指出的改变而将其优选的通信伙伴改变为另一个节点。附加地或可替代地，节点可以(至少部分地)响应于签名中指出的改变而改变其通信参数中的一个或多个。此类通信参数可以包括ping时间(即，信号被发送的实际持续时间)、等待时间(即，在ping时间之后没有信号被发送的预定持续时间)、符号时间(即，等于ping时间及其相关联的等待时间之和的持续时间)、发送振幅、纠错类型、每音调的位数、数据压缩类型、通信链路优先化、通信频带、调制策略等。可以选择这些通信参数以用于网络中的两个节点、一组节点或所有节点之间的通信。
在还有另一方面，因为接收到的信号的频率签名和/或振幅签名不是预期的，因此可以改变或修改通信链路和/或网络参数。例如，一对节点可以正在发送和接收一系列信号。如果预期从接收节点发送或假设已从接收节点发送的接收信号之一的频率签名和/或振幅签名与先前从接收节点接收到的信号不一致，那么接收节点可以改变或修改通信链路和/或(一个或多个)网络参数，以维护或改善节点之间以及整个网络中的通信。
在附加方面，接收到的信号的频率签名和/或振幅签名可以被用于按照声学强度而不是接近度建立沿部分或全部网络的优选信号遍历路径。这种优选的信号路径可以包括沿着网络的不同位置处的各种通信链路和通信参数。
在本公开的还有另一方面，一旦被识别为来自网络中的具体发送节点，那么接收到的信号的频率签名和/或振幅签名本身就可以被用作发送节点的唯一标识符。在这种情况下，发送节点不需要在信号所发送的消息或数据中包括节点标识符；签名足以识别发送节点。因此，该信号可以被用于发送实际信息，从而节省发送功率和时间。
接收到的信号的物理特性随时间的改变可以通过将模式随时间的改变记录在存储器中来指出。此类记录的信号改变可以是由物理环境的改变造成的，因此可以被用于确定物理环境的改变，诸如井眼管的内含物、流速或内含物的流态、腐蚀、穿孔或其它管内破裂、管的厚度或偏心率的改变、潜在的井眼阻塞等。信号随时间的改变也可以是节点硬件故障或电池电量下降的结果。记录和分析信号特性随时间的改变可以允许人们预测和减轻节点故障。
每个节点连接的唯一频率/振幅签名受井筒中其周围环境的影响。通过分析这些签名，可以有可能使用节点的板载传感器来确定哪个节点最接近要感测的关注条件。这种关注条件可以包括井眼射孔、井眼流入、井眼堵塞、再注入操作、井中的有线或自主工具的位置等。
所公开的方面的优点是众多的。例如，节点识别和网络组装可以在没有人工干预的情况下进行。可以按照最优声学强度而不是物理接近度来确定相邻节点。这允许在制造时自动指派非顺序节点识别，然后可以按任意次序将节点安装在套管上，但是在安装到井中期间，可以使用条形码扫描、RFID标签等对节点进行物理定位跟踪。可以基于另一个目标(诸如最低能量使用、最高数据(最低错误)率、最低时延、自主负载平衡等)在逐个分组的基础上优化其它相邻配对。
另一个优点是可以在逐情况的基础上执行联网参数和最优通信伙伴的动态优化。这种优化增加了网络可伸缩性，从而支持更大网络的操作，例如在更深的井中。例如，相邻节点的传输特点可以表明，在特定时刻，相邻不适合传输重要或大的分组。
另一个优点是，在极为敏感的动态系统中，可以通过在存储器中记录模式随时间的改变来指出接收到的信号的物理特性随时间的改变。还有另一个优点是可以针对可能与该区域中其它节点不同的特定相邻节点专门定制局部理想的频带或定时参数，如在共同拥有的标题为“Method and System for Performing Operations with Communications”且于2017年10月13日提交的美国专利申请No.16/139,427中所述，其公开内容通过引用整体并入本文。
还有另一个优点是，所公开的无线声学网络可以发布预测性故障单，其将操作者干预重点放在高风险节点上。还有另一个优点是，所公开的无线声学网络可以使用节点的板载传感器确定哪个节点最接近要感测的关注条件。
图10是描绘根据本公开的使用无线网络进行通信的方法1000的流程图。该无线网络可以是具有音调传输介质的声学无线网络。在方框1002处，在第一节点处接收信号的无线传输，其中接收到的信号具有频率签名和/或振幅签名。在方框1004处，将接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与从第二节点接收的先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名进行比较。在方框1006处，确定接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名是否在预定的相似度范围内。如果是，那么在方框1008处，接收到的信号和先前接收到的信号被接受作为是已经由第二节点发送。在方框1010处，将接收到的信号和先前接收到的信号定义为识别第一节点和第二节点之间的通信链路。
本文公开的声学无线网络和/或其节点(包括图1的声学无线网络50和/或节点60)可以包括和/或是任何合适的结构、设备和/或多个设备，其可以被调整、配置、设计、构造和/或编程以执行本文中参考本文公开的任何方法讨论的功能。作为示例，声学无线网络和/或相关联的节点可以包括电子控制器、专用控制器、专用控制器、专用计算机、显示设备、逻辑设备、存储器设备和/或具有计算机可读存储介质的存储器设备中的一个或多个。
计算机可读存储介质(当存在时)在本文中也可以被称为非瞬态计算机可读存储介质。这种非瞬态计算机可读存储介质可以包括、定义、容纳和/或存储计算机可执行指令、程序和/或代码；并且这些计算机可执行指令可以指示声学无线网络和/或其节点，以执行本文公开的任何方法的任何合适的部分或子集。这种非瞬态计算机可读存储介质的示例包括：CD-ROM、磁盘、硬盘驱动器、闪存等。如本文所使用的，具有计算机可执行指令的存储装置、或存储器、设备和/或介质，以及根据本公开的计算机实现的方法和其它方法，根据美国法典第35章第101节，被认为属于被视为可获得专利的主题的范围。
在本公开中，已经在流程图的上下文中讨论和/或呈现了若干说明性、非排他性的示例，其中所述方法被示出和描述为一系列方框或步骤。除非在附带的描述中具体阐述，否则方框的次序可以与流程图中所示的次序不同，包括在两个或更多个方框(或步骤)以不同次序和/或并发地出现，这在本公开的范围内。方框或步骤可以被实现为逻辑，逻辑也可以被描述为将方框或步骤实现为逻辑，这在本公开的范围内。在一些应用中，方框或步骤可以表示由功能等效的电路或其它逻辑设备执行的表达和/或动作。所示出的方框可以但不是必需表示使得计算机、处理器和/或其它逻辑设备做出响应、执行动作、改变状态、生成输出或显示和/或做出决定的可执行指令。
工业适用性
本文公开的井和方法适用于声学无线通信、烃勘探和/或烃生产工业。
据信，上述公开内容涵盖具有独立效用的多个不同发明。虽然已经以其优选形式公开了这些发明中的每一个，但是本文公开和说明的本发明的具体实施例不应被视为具有限制意义，因为许多变化是可能的。本发明的主题包括本文公开的各种元素、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。类似地，在权利要求陈述“一个”或“第一”要素或其等同物的情况下，这些权利要求应当被理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类要素。
据信，以下权利要求特别指出了针对所公开的发明之一的某些组合和子组合，并且是新颖且非显而易见的。可以通过在本申请或相关申请中修正本权利要求或提出新权利要求来要求在特征、功能、元素和/或特性的其它组合和子组合中实施的发明。这些修正后的或新的权利要求，无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，无论是与原始权利要求的范围不同、更宽、更窄还是相同，也都被认为包括在本公开的发明的主题内。

Claims (19)

1.一种使用无线网络进行通信的方法，包括：
在第一节点处，接收无线传输的信号，接收到的信号具有频率签名和/或振幅签名；
将接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前从第二节点接收到的信号的频率签名和/或振幅签名进行比较；以及
如果接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名在预定的相似度范围内，则将接收到的信号和先前接收到的信号接受作为是已经由第二节点发送，并且将接收到的信号和先前接收到的信号定义为识别第一节点和第二节点之间的通信链路的唯一信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述唯一信号，形成与用户干预无关的无线网络。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述唯一信号，调整无线网络中的连接。
4.如权利要求3所述的方法，其中调整连接包括由于变化的物理环境而调整连接。
5.如权利要求3所述的方法，其中调整连接包括调整连接以优化网络通信。
6.如权利要求5所述的方法，其中优化网络通信包括以下中的至少一项：最小化无线网络中的能量使用、最小化错误率、最大化数据速率、最小化时延、保证最坏情况下的数据速率、保证最坏情况下的时延、自主平衡跨多个节点的能量使用，以及自主平衡数据传输负载。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于以下中的一项或多项来推断第一节点和第二节点之间的物理特性
从第一节点接收到的信号的频率签名和/或振幅签名，以及
从第二节点接收到的信号的频率签名和/或振幅签名。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
在存储器中记录随后在第一节点处接收到的信号的频率签名和/或振幅签名的改变。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用接收到的信号的频率签名和/或振幅签名以及先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名中的至少一个，确定无线网络中最接近关注条件的节点；以及
使用与所确定的节点相关联的传感器来感测所述关注条件。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：
当预期接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名不在预定的相似度范围内时，在以下两者之间建立第二通信链路
第一节点和第二节点中的一个，以及
第三节点，
从而相对于第一通信链路优先使用第二通信链路。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
当预期接收到的信号的频率签名和/或振幅签名与先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名不在预定的相似度范围内时，修改通信链路的一个或多个通信参数。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个通信参数包括ping时间、等待时间、符号时间、发送振幅、纠错类型、每音调的位数、数据压缩类型、通信链路优先化、通信频带，以及调制策略。
13.如权利要求1所述的方法，还包括：
从以下中的一项识别通信链路的风险
接收到的信号的频率签名和/或振幅签名，以及
先前接收到的信号的频率签名和/或振幅签名；以及
从第一节点和第二节点中的一个向第三节点或向无线通信网络的用户发送关于识别出的风险的消息。
14.如权利要求1所述的方法，其中无线网络是具有音调传输介质的声学无线网络。
15.如权利要求1所述的方法，其中接收步骤包括利用声学无线网络的解码节点并且从音调传输介质接收针对音调接收时间的接收到的声学音调，并且其中比较步骤包括：
在音调接收时间期间，估计作为时间的函数的接收到的声学音调的频率，其中估计包括估计在音调接收时间内的对应的多个离散时间处接收到的多个离散频率值；
将音调接收时间分成多个时间间隔，其中所述多个时间间隔中的每个时间间隔包括在所述时间间隔期间接收到的所述多个离散频率值的子集；
计算所述多个离散频率值的每个子集内的频率变化；
选择所述多个时间间隔中频率变化小于阈值频率变化的子集；以及
对所述多个时间间隔的子集内的多个离散频率值求平均，以确定接收到的声学音调的主频率。
16.如权利要求1所述的方法，还包括：
至少部分地基于以下中的一项或多项按照最优声学强度建立沿网络的优选信号遍历路径
从第一节点接收到的信号的频率签名和/或振幅签名，以及
从第二节点接收到的信号的频率签名和/或振幅签名。
17.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述唯一信号作为接收到的信号中的编码节点标识符的替代。
18.一种井，包括：
井眼，所述井眼在地下地层内延伸；以及
井下声学无线网络，所述井下声学无线网络包括沿着井眼的长度间隔开的多个节点，其中所述多个节点包括解码节点，并且进一步其中所述多个节点被编程为使用如权利要求1-17中的任一项所述的方法沿着井眼的长度无线地发送声学音调。
19.一种非暂态计算机可读存储介质，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时引导声学无线网络执行如权利要求1-17中的任一项所述的方法。
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