CN114567530B - 一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，包括：井下通信终端向地面通信终端发送第一信噪比测试信号；地面通信终端测量当前通信频率信道信噪比SNR，根据信噪比SNR确定当前信道无线通信可用的最高通信中心频率；井下通信终端将通信中心频率修改为最高中心频率，向地面通信终端发送第二信噪比测试信号；地面通信终端测量频率信息分别为0和1时的信噪比
Figure 170484DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 610080DEST_PATH_IMAGE002
；根据信噪比
Figure 267458DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 311637DEST_PATH_IMAGE002
确定当前信道可用的无线通信幅值调制进制数
Figure 303733DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位；井下通信终端修改通信幅值调制比特数及幅值调制峰值，进行正常通信。实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率。

Description

一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法。
背景技术
全球常规油气储量只够再开采50年左右，为实现油气行业的可持续化发展，页岩油气等非常规油气已成为国家开发的重点支持方向。但页岩油气呈游离态，广泛分布于页岩夹层中，渗透性差，对开采方法和技术提出了新的挑战。
通过实现地面和井下的实时通信，可以让地面工作人员实时了解井下工况，针对井下工况实时调整开采策略和作业方式，改传统粗放式开采为精细化闭环开采，因此地面与井下的实时通信是现在的热门研究方向。
目前，传统的有线传输方式由于页岩油气开发使用水平井，线缆在水平井拐弯处无法依靠重力下放，故无法使用。新型无线通信方式主要有泥浆脉冲、声波和电磁波3种方式：泥浆脉冲方式只能用于泥浆钻井，使用场景受限；声波衰减快，通信距离较短，环境噪声复杂；电磁波传输距离远，但通信时信号频率不高，通信速率受限。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率，平衡了井下电源的额外消耗。
根据本发明的第一方面，提供了一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，包括：
步骤1，井下通信终端向地面通信终端发送第一信噪比测试信号；
步骤2，所述地面通信终端接收到所述信噪比测试信号后测量当前通信频率信道信噪比SNR，根据所述信噪比SNR确定当前信道无线通信可用的最高通信中心频率，向所述井下通信终端发送所述最高中心频率对应的标志位；
步骤3，所述井下通信终端接收到所述标志位后，将通信中心频率修改为所述最高中心频率，向所述地面通信终端发送第二信噪比测试信号；
步骤4，所述地面通信终端收到所述第二信噪比测试信号后测量频率信息分别为0 和1时的信噪比
Figure 189584DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 439300DEST_PATH_IMAGE002
；根据所述信噪比
Figure 343015DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 590457DEST_PATH_IMAGE002
确定当前信道可用的 无线通信幅值调制进制数
Figure 848132DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位，并发送给所述井下通信终端，n为待 确定参数；
步骤5，所述井下通信终端收到所述幅值调制比特数及幅值调制峰值标志位后，修改通信幅值调制比特数及幅值调制峰值，进行正常通信。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述井下通信终端和所述地面通信终端地面通信终端的传输信号对应的码元为：
Figure 839222DEST_PATH_IMAGE004
；
其中
Figure 928269DEST_PATH_IMAGE005
为码元幅值调制状态大小；
Figure 270913DEST_PATH_IMAGE006
为载波的中心频率；
Figure 812622DEST_PATH_IMAGE007
=±1，分 别对应码元频率调制为1或0时；
Figure 341824DEST_PATH_IMAGE008
为码元宽度；
Figure 223061DEST_PATH_IMAGE009
=0或π。
可选的，所述第一信噪比测试信号使用频率为可用通信频率中最低频率，使用幅值为可用通信幅值中的峰值。
可选的，所述步骤3中所述第二信噪比测试信号包括两段，一段所述第二信噪比测试信号频率包含信息均为0，另一段第二信噪比测试信号频率包含信息均为1；两段所述第二信噪比测试信号使用的通信幅值为可发送最大信号幅值。
可选的，所述步骤4中，确定当前信道可用的无线通信幅值调制进制数
Figure 609043DEST_PATH_IMAGE003
及幅值 调制峰值标志位的过程包括：
使用所述信噪比
Figure 778993DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 111885DEST_PATH_IMAGE002
中较小的信噪比计算通信的理论误码率和理论 通信速率，将使用的检纠错编码的纠错能力、实际工况的通信速率需求与通信的理论误码 率、理论通信速率进行比较后，选择较低的幅值调制峰值后再确定幅值调制进制数
Figure 133716DEST_PATH_IMAGE003
。
可选的，所述步骤4还包括：幅值调制进制数为
Figure 205446DEST_PATH_IMAGE003
时，将所需传输的传输信号通过 检纠错编码形成2进制比特流，一个码元中依次传输n bit幅值调制信息及1bit频率调制信 息。
可选的，所述步骤4中，
在信噪比为SNR的工况下，幅值调制进制数为
Figure 675742DEST_PATH_IMAGE003
时，幅值调制峰值为A的理论误码 率为：
Figure 61593DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 402575DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 320240DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 746673DEST_PATH_IMAGE013
为可发送最 大信号幅值；
通信速率为
Figure 936215DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 194021DEST_PATH_IMAGE015
为码元宽度。
可选的，所述步骤5进行正常通信的过程中，所述地面通信终端幅值解调信号时先解调频率信号，针对码元包含的频率信息为0和1的两种情况，根据频率信息为0和1对应的信号幅值分别设置对应的幅值范围，根据信号幅值所属范围解调得到对应的信号幅值调制信息。
本发明提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，通过井下通信终端发送不同信号，测量当前信道信噪比，确定当前信道使用的信号中心频率、幅值调制进制数及幅值调制峰值，并使地面通信终端获取幅值信息解调阈值，以实现地面和井下的实时通信。该方法实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率，并且平衡了对井下电源产生的额外消耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法的流程图，如图1所示，该无线通信方法包括：
步骤1，井下通信终端向地面通信终端发送第一信噪比测试信号。
具体实施中，该井下通信终端安装在油气井下，可向地面通信终端发送信号并接收地面通信终端发送信号；该地面通信终端安装于地面，可接收井下通信终端发送信号并向井下通信终端发送信号。
步骤2，地面通信终端接收到信噪比测试信号后测量当前通信频率信道信噪比SNR，根据信噪比SNR确定当前信道无线通信可用的最高通信中心频率，向井下通信终端发送最高中心频率对应的标志位。
由于通信频率越高，地层对信号的衰减越明显，但通信速率更快，故可通过测得的SNR，调整通信中心频率，在不显著降低频率通信误码率前提下提高通信速率。
步骤3，井下通信终端接收到标志位后，将通信中心频率修改为最高中心频率，向地面通信终端发送第二信噪比测试信号。
步骤4，地面通信终端收到第二信噪比测试信号后测量频率信息分别为0和1时的 信噪比
Figure 279658DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 458966DEST_PATH_IMAGE002
；根据信噪比
Figure 734090DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 298932DEST_PATH_IMAGE002
确定当前信道可用的无线通信幅值 调制进制数
Figure 571782DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位，并发送给井下通信终端，n为待确定参数。
步骤5，井下通信终端收到幅值调制比特数及幅值调制峰值标志位后，修改通信幅值调制比特数及幅值调制峰值，进行正常通信。
本发明提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率，平衡了井下电源的额外消耗。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法的实施例，结合图1可知，该无线通信方法的实施例包括：
步骤1，井下通信终端向地面通信终端发送第一信噪比测试信号。
在一种可能的实施例方式中，井下通信终端和地面通信终端地面通信终端的传输信号对应的码元可表示为：
Figure 733992DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 937440DEST_PATH_IMAGE005
为码元幅值调制状态大小；
Figure 904259DEST_PATH_IMAGE006
为载波的中心频率；
Figure 600207DEST_PATH_IMAGE007
=±1，分 别对应码元频率调制为1或0时；
Figure 488529DEST_PATH_IMAGE008
为码元宽度；
Figure 557985DEST_PATH_IMAGE009
=0或π，其在一个码元宽度中是不变 的。
在一种可能的实施例方式中，井下通信终端可使用多种通信中心频率和通信幅值峰值进行通信，第一信噪比测试信号使用频率为可用通信频率中最低频率，使用幅值为可用通信幅值中的峰值。
具体实施中，记井下通信终端可使用的j种通信频率从小到大依次为
Figure 644890DEST_PATH_IMAGE016
，可使用的k种通信幅值峰值从小到大依次为
Figure 525121DEST_PATH_IMAGE017
，即第一信 噪比测试信号使用的频率为
Figure 884427DEST_PATH_IMAGE018
，幅值为
Figure 305044DEST_PATH_IMAGE019
。
步骤2，地面通信终端接收到信噪比测试信号后测量当前通信频率信道信噪比SNR，根据信噪比SNR确定当前信道无线通信可用的最高通信中心频率，向井下通信终端发送最高中心频率对应的标志位。
由于通信频率越高，地层对信号的衰减越明显，但通信速率更快，故可通过测得的SNR，调整通信中心频率，在不显著降低频率通信误码率前提下提高通信速率。
步骤3，井下通信终端接收到标志位后，将通信中心频率修改为最高中心频率，向地面通信终端发送第二信噪比测试信号。
在一种可能的实施例方式中，步骤3中第二信噪比测试信号包括两段，一段第二信噪比测试信号频率包含信息均为0，另一段第二信噪比测试信号频率包含信息均为1；两段第二信噪比测试信号使用的通信幅值为可发送最大信号幅值。
步骤4，地面通信终端收到第二信噪比测试信号后测量频率信息分别为0和1时的 信噪比
Figure 698985DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 750118DEST_PATH_IMAGE002
；根据信噪比
Figure 593790DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 552519DEST_PATH_IMAGE002
确定当前信道可用的无线通信幅值 调制进制数
Figure 551699DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位，并发送给井下通信终端，n为待确定参数。
在一种可能的实施例方式中，步骤4中，确定当前信道可用的无线通信幅值调制进 制数
Figure 554159DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位的过程包括：
使用信噪比
Figure 638789DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 401209DEST_PATH_IMAGE002
中较小的信噪比计算通信的理论误码率和理论通信 速率，将使用的检纠错编码的纠错能力、实际工况的通信速率需求与通信的理论误码率、理 论通信速率进行比较后，选择较低的幅值调制峰值后再确定幅值调制进制数
Figure 769742DEST_PATH_IMAGE003
。
由于井下设备使用电池供电，电能有限，降低幅值调制的峰值能有效降低发射功率，延长设备使用时间。
在一种可能的实施例方式中，步骤4还包括：幅值调制进制数为
Figure 615208DEST_PATH_IMAGE003
时，将所需传输 的传输信号通过检纠错编码形成2进制比特流，一个码元中依次传输n bit幅值调制信息及 1bit频率调制信息共n+1 bit信息。
在一种可能的实施例方式中，步骤4中，
在信噪比为SNR的工况下，幅值调制进制数为
Figure 983872DEST_PATH_IMAGE003
时，幅值调制峰值为A的理论误码 率为：
Figure 487666DEST_PATH_IMAGE010
。
其中，
Figure 979214DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 543051DEST_PATH_IMAGE012
。
通信速率为
Figure 523645DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 80397DEST_PATH_IMAGE015
为码元宽度。
步骤5，井下通信终端收到幅值调制比特数及幅值调制峰值标志位后，修改通信幅值调制比特数及幅值调制峰值，进行正常通信。
在一种可能的实施例方式中，步骤5进行正常通信的过程中，地面通信终端幅值解调信号时先解调频率信号，针对码元包含的频率信息为0和1的两种情况，根据频率信息为0和1对应的信号幅值分别设置对应的幅值范围，根据信号幅值所属范围解调得到对应的信号幅值调制信息。
本实施例中，以幅值调制峰值标志位为b，幅值调制比特数n=3为例详细阐述信号解调过程：
记二次信噪比测试信号中频率信息为0时，信号幅值为
Figure 174255DEST_PATH_IMAGE020
；频率信息为1时，信号 幅值为
Figure 954998DEST_PATH_IMAGE021
。
接收信号后，先判断每个码元中频率包含信息：
对于包含频率信息为0的码元，收到的信号幅值小于
Figure 235938DEST_PATH_IMAGE022
，即可认为接收到 的信号幅值调制信息为000；收到的信号幅值大于
Figure 327872DEST_PATH_IMAGE022
，小于
Figure 276237DEST_PATH_IMAGE023
，即可认为 接收到的信号幅值调制状态为001；以此类推，接收到的信号幅值大于
Figure 978613DEST_PATH_IMAGE024
，即可认为 接收到的信号幅值状态为111。
对于包含频率信息为1的码元，收到的信号幅值小于
Figure 996117DEST_PATH_IMAGE025
，即可认为接收到 的信号幅值调制信息为000；收到的信号幅值大于
Figure 442142DEST_PATH_IMAGE025
，小于
Figure 228701DEST_PATH_IMAGE026
，即可认为 接收到的信号幅值调制状态为001；以此类推，接收到的信号幅值大于
Figure 101979DEST_PATH_IMAGE027
，即可认 为接收到的信号幅值状态为111。
可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，通过井下通信终端发送不同信号，测量当前信道信噪比，确定当前信道使用的信号中心频率、幅值调制进制数及幅值调制峰值，并使地面通信终端获取幅值信息解调阈值，以实现地面和井下的实时通信。该方法实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率，并且平衡了对井下电源产生的额外消耗。
本发明实施例提供的一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，通过井下通信终端发送不同信号，测量当前信道信噪比，确定当前信道使用的信号中心频率、幅值调制进制数及幅值调制峰值，并使地面通信终端获取幅值信息解调阈值，以实现地面和井下的实时通信。该方法实现了不同信道通信环境信噪比的自适应，在保证信号传输距离和传输精度的基础上有效提高了通信速率，并且平衡了对井下电源产生的额外消耗。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种信道信噪比自适应的油气井无线通信方法，其特征在于，所述无线通信方法包括：
步骤1，井下通信终端向地面通信终端发送第一信噪比测试信号；
步骤2，所述地面通信终端接收到所述信噪比测试信号后测量当前通信频率信道信噪比SNR，根据所述信噪比SNR确定当前信道无线通信可用的最高通信中心频率，向所述井下通信终端发送所述最高中心频率对应的标志位；
步骤3，所述井下通信终端接收到所述标志位后，将通信中心频率修改为所述最高中心频率，向所述地面通信终端发送第二信噪比测试信号；
步骤4，所述地面通信终端收到所述第二信噪比测试信号后测量频率信息分别为0和1时的信噪比
Figure 471432DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 654152DEST_PATH_IMAGE002
；根据所述信噪比
Figure 699468DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 94677DEST_PATH_IMAGE002
确定当前信道可用的无线通信幅值调制进制数
Figure 423896DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位，并发送给所述井下通信终端，n为待确定参数；
步骤5，所述井下通信终端收到所述幅值调制进制数及幅值调制峰值标志位后，修改通信幅值调制比特数及幅值调制峰值，进行正常通信。
2.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述井下通信终端和所述地面通信终端地面通信终端的传输信号对应的码元为：
Figure 511938DEST_PATH_IMAGE004
；
其中
Figure 1
为码元幅值调制状态大小；
Figure 243451DEST_PATH_IMAGE006
为载波的中心频率；
Figure 177909DEST_PATH_IMAGE007
=1时对应码元频率调制为1，
Figure 171272DEST_PATH_IMAGE007
=-1时对应码元频率调制为0；
Figure 191181DEST_PATH_IMAGE008
为码元宽度；
Figure 193772DEST_PATH_IMAGE009
=0或π。
3.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述第一信噪比测试信号使用频率为可用通信频率中最低频率，使用幅值为可用通信幅值中的峰值。
4.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述步骤3中所述第二信噪比测试信号包括两段，一段所述第二信噪比测试信号频率包含信息均为0，另一段第二信噪比测试信号频率包含信息均为1；两段所述第二信噪比测试信号使用的通信幅值为可发送最大信号幅值。
5.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述步骤4中，确定当前信道可用的无线通信幅值调制进制数
Figure 717157DEST_PATH_IMAGE003
及幅值调制峰值标志位的过程包括：
使用所述信噪比
Figure 412581DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 919786DEST_PATH_IMAGE002
中较小的信噪比计算通信的理论误码率和理论通信速率，将使用的检纠错编码的纠错能力、实际工况的通信速率需求与通信的理论误码率、理论通信速率进行比较后，选择较低的幅值调制峰值后再确定幅值调制进制数
Figure 194909DEST_PATH_IMAGE010
。
6.根据权利要求5所述的无线通信方法，其特征在于，所述步骤4还包括：幅值调制进制数为
Figure 854692DEST_PATH_IMAGE010
时，将所需传输的传输信号通过检纠错编码形成2进制比特流，一个码元中依次传输n bit幅值调制信息及1bit频率调制信息。
7.根据权利要求5所述的无线通信方法，其特征在于，所述步骤4中，
在信噪比为SNR的工况下，幅值调制进制数为
Figure 455437DEST_PATH_IMAGE010
时，幅值调制峰值为A的理论误码率为：
Figure 184359DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，
Figure 528753DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 292309DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 329535DEST_PATH_IMAGE015
为可发送最大信号幅值；
通信速率为
Figure 280174DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 428258DEST_PATH_IMAGE017
为码元宽度。
8.根据权利要求7所述的无线通信方法，其特征在于，所述步骤5进行正常通信的过程中，所述地面通信终端幅值解调信号时先解调频率信号，针对码元包含的频率信息为0和1的两种情况，根据频率信息为0和1对应的信号幅值分别设置对应的幅值范围，根据信号幅值所属范围解调得到对应的信号幅值调制信息。
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