Brevet FR2770671A1 — publié le 19990507

La présente invention concerne un système de radiotélémétrie pour la collecte de données provenant d'un réseau de multiples unités distantes, par exemple pour collecter des données sismiques simultanément à partir de capteurs sismiques répartis en des emplacements distants sur le terrain. Le système est un système radio qui fait fonctionner de multiples canaux à bande étroite faiblement séparés les uns des autres, dans le spectre radio, par exemple avec un espacement centre-à-centre de 20 kHz entre les canaux, dans le cas d'un nombre atteignant jusqu'à 1000 canaux de données. Pour absorber des différences d'atténuation le long des différents trajets de transmission entre les unités distantes et une station de base commune, la puissance d'émission de chaque unité distante est variable et est réglée de manière à garantir autant que possible un niveau sensiblement optimum de réception de puissance dans la station de base dans chaque canal. Cependant, conformément à un aspect de l'invention, des variations des niveaux de puissance reue de différents canaux dues à des pertes sur le trajet peuvent être absorbées moyennant l'affectation de fréquences de canaux conformément au niveau de puissance reçuede sorte que des canaux réalisant une transmission avec une puissance supérieure sont adjacents entre eux dans le spectre de fréquences, dans une position éloignée de canaux possédant une puissance plus faible, ce qui permet de réduire l'effet de l'interférence entre canaux. Dans une forme de réalisation de l'invention, dans laquelle un canal supporte une liaison montante pour la transmission de données depuis l'unité distante vers la station de base, et une liaison descendante pour la transmission de données depuis la station de base jusqu'à l'unité distante, le niveau de puissance reçue de la liaison descendante au niveau de l'unité distante étant utilisée pour commander son niveau de puissance d'émission dans la liaison montante. De préférence le niveau de puissance des canaux sont mesurés par référence à des signaux pilotes particuliers incorporés dans chaque canal. Selon un autre aspect, la caractéristique de puissance est rendue aussi linéaire que possible de manière à limiter l'interférence entre canaux. Selon un autre aspect, la largeur de bande des canaux est modifiée de manière à adapter la qualité des canaux en ce qui concerne le niveau de puissance revue,une largeur de bande réduite étant utilisée lorsque cela est possible avec une cadence accrue des symboles rendue possible par la qualité supérieure du canal de manière à maintenir la cadence globale de données requise. De cette manière, le nombre de canaux fournis par le système dans un spectre donné de fréquences radio peut être rendu maximum. Selon un autre aspect, chaque canal comprend une pluralité de canaux adjacents situés vers le centre de la bande totale des fréquences de l'unité distante, les canaux de chaque côté du canal central étant disponibles pour transmettre des données collectées par d'autres unités distantes de sorte que l'unité distante peut être utilisée en tant que répéteur dans le trajet de transmission radio. Si une unité distante est utilisée en tant que répéteur, elle est couplée par l'intermédiaire d'une liaison de données à une unité distante similaire, qui reçoit des données par l'intermédiaire de canaux multiples en provenance desdites autres unités distantes et transfère ces données par l'intermédiaire de la liaison de données jusqu'à l'unité distante sous sa forme en tant que bande de base analogique pour la poursuite de la transmission. La poursuite de la transmission des données dans lesdits canaux adjacents est exécutée dans une bande de fréquences, qui peut être séparée de la fréquence des multiples canaux reçus afin d'éviter une réduction de la sensibilité du récepteur par transmission dans l'un des canaux. Cette séparation des fréquences est particulièrement importante, si on se rappelle que les deux unités reliées pour former le répéteur sont de préférence des émetteurs- récepteurs et se chargent de communications bidirectionnelles en semi- duplex, à la fois dans les liaisons montantes et dans les liaisons descendantes. De façon typique, une séparation d'au moins 2 MHz est maintenue entre les fréquences d'émission et de réception du répéteur. La liaison descendante apporte différentes fonctions de commande y compris l'affectation de fréquences de canaux devant être utilisées par des unités distantes et des répéteurs. Conformément à un autre aspect de l'invention, l'un des canaux du système de télémétrie est utilisée en tant que canal de transmission de signaux vocaux. De préférence, les canaux de transmission de signaux vocaux et les canaux de transmission de données fonctionnent simultanément, mais utilisent chacun un système de modulation différent; par exemple des systèmes de modulation d'amplitude en quadrature (QAM) pour les canaux de transmission de données et un système de modulation linéaire pour le canal de transmission de signaux vocaux. Le canal de transmission de signaux vocaux peut être incorporé dans une liaison descendante aboutissant aux unités distantes et le canal peut être utilisé pour la transmission simultanée de signaux de commande. De même une liaison montante peut être adaptée de manière à permettre l'envoi de signaux vocaux ou de données à la station de base, ou pour la transmission simultanée à la fois de signaux vocaux et de données dans des sous-bandes séparées. La station de base peut alors être utilisée pour retransmettre des messages vocaux vers d'autres unités distantes dans une liaison descendante. En outre le système peut être commandé de manière à réaliser une communication de signaux vocaux en semi-duplex. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un système de radiotélémétrie servant à collecter des données sismiques provenant d'un réseau d'unités de collecte de données; les figures 2a à 2d montrent des représentations schématiques de différents canaux de transmission associés à une unité typique de collecte de données, la figure 2a représentant une liaison descendante à canal de commande, la figure 2b une liaison descendante à canal de commande répété, la figure 2c une liaison montante de transmission de données et la figure 12d une liaison montante de transmission de données répétée; - la figure 3 montre une représentation schématique de distribution de fréquence de canaux conformément à des pertes de transmission dans les canaux; - la figure 4 est une représentation schématique du spectre des fréquences d'un canal de transmission de données et des tonalités pilotes introduites dans le canal de transmission de données pour contrôler la perte de transmission; et - les figures 5A à 5D montrent une représentation schématique illustrant de quelle manière le spectre des fréquences d'un canal de transmission de données peut être modifié pour s'adapter à des canaux ayant des qualités différentes. Comme cela est représenté sur la figure 1, ce système comprend une pluralité d'unités distantes comportant un réseau sismique 1 à 6 connecté à des émetteurs radio respectifs 7 à 12. Les émetteurs sont agencés pour émettre, en cours d'utilisation, des données en direction d'une station de base 14. La plupart des émetteurs, tels 7, 9, 11, sont disposes dans la ligne de visée de la station de base 14, mais dans certains cas un obstacle 16 empêche une communication directe entre les émetteurs 8, 10, 12 et la station de base 14. A chacun des émetteurs 7, 9, 11 situés dans la ligne de visée dirigée vers la station de base 14 est affectée une fréquence de canal unique pour la transmission de données dans une liaison montante aboutissant à la station de base. Chaque canal fonctionne en tant que canal bidirectionnel en semi-duplex, les émetteurs 7, 9, 11 étant des émetteurs-récepteurs qui permettent la réception de données de commande à partir de la station de base 14 dans une liaison descendante. Les données de commande servent -à commander l'affectation des fréquences des canaux, la puissance, le niveau de puissance d'émission des émetteurs et la commutation entre des liaisons montantes et des liaisons descendantes. Le spectre de fréquences d'un seul canal est représenté sur la figure 4 et possède une fréquence centrale nominale RF et deux signaux pilotes P1 et P2 situés de part et d'autre de la fréquence RF dans la bande passante du canal. Ces signaux pilotes peuvent être de pures tonalités, mais pourraient être également des tonalités modulées ou sinon des signaux à bande étroite. La séparation, du point de vue des fréquences, entre les signaux pilotes P1 et P2 est prédéterminée et est utilisée dans l'unité distante pour le verrouillage de fréquence. L'unité distante recherche ces deux signaux pilotes P1 et P2 et la différence entre ces fréquences est mesurée, est comparée aux fréquences attendues et est utilisée pour produire un signal d'erreur servant à régler une horloge locale, comme par exemple un oscillateur à quartz commandé par la tension. Les signaux pilotes P1 et P2 sont également utilisés pour déterminer la perte de transmission dans chaque canal par comparaison de l'amplitude d'au moins un signal pilote dans la liaison descendante, à une amplitude de référence, puis réglage de la puissance de transmission des émetteurs distants 7, 9, 11 pour compenser dans toute la mesure du possible des pertes de transmission, et garantir de ce fait une réception adéquate de puissance dans le poste de base 14. Si la puissance reçue dans le poste de base 14 n'est encore pas admissible en raison d'un défaut de fonctionnement au niveau de l'unité distante ou une caractéristique de trajet de transmission non réciproque, la station de base envoie une correction de puissance dans la liaison descendante. Simultanément, les pertes de transmission dans les différents canaux sont utilisées pour régler l'affectation de puissance aux canaux pour différentes unités distantes de sorte qu'à ces unités distantes ayant des pertes de transmission différentes importantes sont affectés des canaux aux extrémités opposées du spectre de fréquences comme cela est représenté schématiquement sur la figure 3. Sur le dessin on suppose que les canaux f,, fg, fl pour les émetteurs 7, 9, 11 présentent de faibles pertes de transmission et qu'ils sont regroupés vers une extrémité du spectre, et on suppose que les canaux fa, fo, ff2 pour les émetteurs 8, 10, 12, desservis par des répéteurs, possèdent des pertes élevées de transmission et sont regroupés vers l'extrémité opposée du spectre. Ces émetteurs 8, 10, 12, qui sont masqués par un obstacle 16, communiquent avec la station de base 14 par l'intermédiaire d'un répéteur 18. Le répéteur comprend une première unité 20 en communication radio avec les émetteurs 8, 10 et 12, une seconde unité 22 en communication radio avec la station de base 14. Dans cet exemple, les première et seconde unités 20 et 22 incluent des émetteurs- récepteurs radio. Les unités 20 et 22 sont connectées entre elles par l'intermédiaire d'une liaison de transmission de données 24. La liaison de transmission de liaison 24 est un câble de transmission dans la bande de base, comme par exemple un câble contenant une pluralité de fils électriquement conducteurs bien qu'on puisse utiliser d'autres milieux de transmission de données. Les unités 20 et 22 sont agencées de sorte qu'une unité agit en tant que récepteur alors que l'autre agit en tant qu'émetteur. Par conséquent le répéteur assume la communication bidirectionnelle en semi-duplex. Cela garantit que des unités distantes masquées 8, 10 et 12 peuvent à la fois émettre des données en direction de la station de base et également recevoir des commandes en provenance d'un canal de liaison descendante de commande de la station de base par l'intermédiaire du répéteur. De façon typique, l'émetteur et le récepteur fonctionnent à des fréquences différentes. Cependant, étant donné qu'ils fonctionnent tous deux simultanément, il existe un risque de désensibilisation du récepteur étant donné que la performance de blocage d'un récepteur peut être dépassée en raison de la proximité d'un émetteur local fonctionnant à une fréquence différente, mais éventuellement proche. Ce problème peut être atténué grâce à l'utilisation d'antennes directionnelles, mais il est mieux résolu au moyen d'une séparation physique des première et seconde unités (c'est-à-dire le récepteur et l'émetteur) par une distance suffisante pour garantir que le signal intense hors canal reçu par l'émetteur a été suffisamment atténué de manière à ne pas altérer la performance du récepteur en rapport avec les signaux dans le canal, reçus en provenant des émetteurs 8, 10 et 12. Par conséquent la liaison par câble 24 sert à la fois à permettre le positionnement des unités 20 et 22 en des emplacements respectifs de telle sorte que chacun d'eux établit une communication selon une bonne ligne de visée avec les émetteurs 8, 10 et 12 et la station de base 14 respectivement et également sert à séparer d'une manière suffisante les unités de telle sorte qu'une diaphonie entre ces unités se situe en-deçà de niveaux admissibles. La seconde unité 22 peut également inclure l'installation servant à recevoir des données provenant d'un réseau de capteurs sismiques locaux 26 et émettre ces données en direction de la station de base. Les figures 2a à 2d représentent schématiquement l'affectation des fréquences dans le système de répéteur représenté sur la figure 1. La station de base 14 peut émettre des données de commande en direction des émetteurs radio 8, 10 et 12 et également au répéteur ou à chaque répéteur 18. Par conséquent les fonctions de commande peuvent inclure l'affectation de fréquences d'émission ou de réception de répéteurs, une commutation entre l'exécution de liaisons montantes et de liaisons descendantes, l'activation ou l'arrêt de répéteurs et le réglage de niveaux de puissance d'émission. La liaison descendante du canal de commande possède un spectre de fréquences centré sur la fréquence centrale nominale fd. Le second élément 22 du répéteur établit une communication suivant la ligne de visée avec la station de base 14 et reçoit les données du canal de commande. La fréquence de ces données est alors réduite par conversion, et ces données sont transmises à des fréquences situées dans la bande de base, par l'intermédiaire du câble de transmission de données 24 à la première unité 20 du répéteur. La première unité 20 utilise une conversion dans le sens croissant des données du canal de commande en direction d'une liaison descendante du canal de commande répétée possédant un spectre de fréquences centré autour d'une fréquence nominale fd'. Des répéteurs additionnels (non représentés) peuvent recevoir des signaux provenant du premier répéteur 18 et émettre des signaux vers ce répéteur et sont agencés de manière à pouvoir répondre au canal de commande à des fréquences fd et fd'. De façon similaire, les émetteurs du réseau de données sismiques peuvent inclure des éléments récepteurs également aptes à répondre à des signaux reçus avec une fréquence quelconque préaffectée du canal de commande ou avec plusieurs fréquences de ce type y compris les fréquences fa et fda'. Chacun des émetteurs 7 à 12 associés à un réseau sismique est agencé de manière à émettre avec une fréquence respective. Comme cela est représenté sur la figure 2c, les six émetteurs représentés schématiquement sur la figure 1 (8, 10, 12, 30, 32 et 34) émettent dans six canaux faiblement espacés, qui sont adjacents à une fréquence théorique fu de liaison montante pour la transmission de données sismiques. La fréquence de ces canaux est réduite par conversion par le premier élément 20 de telle sorte que ces canaux peuvent être transmis par la liaison de transmission de données 24. Par conséquent le signal transmis par la liaison de transmission de données comprend une pluralité de canaux faiblement espacés. Ceci peut être considéré comme une transmission de données à multiplexage par division des fréquences. La seconde unité 22 reçoit des signaux multiplexés et les amène par conversion dans le sens montant à une pluralité de canaux faiblement espacés centrés autour d'une fréquence fa_' de la liaison montante répétée de transmission de données sismiques, comme représenté sur la figure 2d. Les données reçues de la part du réseau sismique local 24 subissent également une conversion dans le sens montant et dans cet exemple sont retransmises avec la fréquence centrale fa' avec des canaux répétés additionnels affectés autour de la fréquence centrale. Etant donné que les émetteurs 8, 10, 12, 30, 32 et 34 fonctionnent dans des canaux respectifs, qui sont adjacents chacun à une fréquence centrale, on notera que les fréquences des canaux arrivants respectifs peuvent être converties simplement par mélange, avec un oscillateur local. Cela permet d'amener par conversion, d'une manière aisée et bon marché la fréquence de canaux arrivants indépendants à une autre fréquence pour une transmission dans la liaison de transmission de liaison 24. De façon similaire, un mélange des fréquences peut être à nouveau utilisé pour convertir dans le sens montant les données arrivantes pour leur retransmission à une station de base ou leur transmission à un autre répéteur. L'unité 22 démodule également tout signal reçu de la part de la station de base de manière à contrôler des signaux de commande émis par la station de base. Le répéteur fonctionne selon un mode en semi-duplex et par conséquent le répéteur est agencé principalement de manière à écouter la station de base de manière à recevoir des commandes en provenance de cette dernière. Lorsque la station de base est prête à recevoir une information, elle envoie un code de commande à chacune des unités distantes en leur commandant de transmettre des données, et commande également le répéteur pour qu'il change de fonctionnement de manière à écouter les unités distantes et effectuer une retransmission en direction de la station de base jusqu'à la fin d'une période prédéterminée, lorsqu'il revient à l'écoute de la station de base. Par conséquent il est possible de prévoir un répéteur radio à translation de fréquences, destiné à être utilisé dans un réseau distant d'acquisition de données. Bien que les canaux de données soient représentés sur la figure 4 comme possédant une largeur de bande fixe, le système peut être modifié de manière à modifier la largeur de bande de canaux individuels pour s'adapter au niveau de puissance reçu du canal dans la station de base. Par conséquent, des canaux présentant une meilleure qualité et des pertes de transmission plus faibles véhiculent un nombre plus important d'états de symbole dans un système de modulation d'amplitude en quadrature (QAM) ou un système de modulation par manipulation de phase en quadrature (QPSK), et par conséquent on peut utiliser une largeur de bande de canal plus étroite pour obtenir la cadence requise de transfert de données pour le système. Par exemple, la figure 5A représente un canal à 20 kHz agencé de manière à transmettre les données à une cadence de 60 k.bits/s en utilisant un système de modulation QAM à 16 symboles. La figure 5B représente un canal à 10 kHz agencé de manière à transmettre des données à la même cadence de 60 k.bits/s, mais utilisant un système de modulation 256 QAM, qui peut être mis en oeuvre dans un canal de transmission de qualité supérieure agencé de manière à transmettre des données à la même cadence de 60 k.bits/s en utilisant un système de modulation QPSK (4- QAM). Enfin, la figure 5D illustre de quelle manière les canaux adjacents d'une largeur de bande de 20 kHz chacun peuvent être utilisés conjointement, avec un système de modulation QPSK dans chacun de ces canaux pour obtenir la même cadence de données de 60 k.bits/s dans la même largeur de bande totale de 40 kHz comme sur la figure 5C. On notera qu'un système de télémétrie sismique comportant jusqu'à 1000 unités distantes, qui émettent simultanément, requiert un algorithme efficace de programmation des fréquences pour affecter des canaux à partir de la largeur de bande disponible de telle sorte que la performance du système et le rendement de largeur de bande du système soient optimisés. Tout d'abord, l'algorithme de programmation des fréquences doit éviter les canaux qui sont occupés par des utilisateurs principaux prédéterminés, c'est-à-dire les utilisateurs autres que les unités sismiques distantes et la station de base. En second lieu, les fréquences et la largeur de bande des canaux sont affectées en fonction de pertes de transmission dans les canaux, comme décrit précédemment. En troisième lieu, à chaque répéteur est affecté un bloc de canaux adjacents (par exemple jusqu'à 7 canaux) pour les liaisons montantes partant des multiples unités distantes masquées, qui sont desservies, et un bloc similaire de canaux adjacents, dont les fréquences sont converties pour les liaisons montantes répétées. De même, les canaux affectés aux unités distantes desservies par un répéteur sont réutilisés dans le système partout o un conflit de propagation n'est pas possible. L'algorithme de programmation des fréquences est un algorithme itératif, qui répète le processus d'affectation des canaux et contrôle la performance au niveau du système, jusqu'à ce qu'une performance satisfaisante soit atteinte. REVENDICATIONS 1. Système de radiotélémétrie pour collecter des données provenant de multiples unités distantes (7-12) par l'intermédiaire de multiples canaux hertziens respectifs (f7-f,2) affectés à l'intérieur d'un spectre radio global, caractérisé en ce que des fréquences des canaux sont affectées conformément au niveau de puissance reçue dans chaque canal de sorte que des canaux transmettant une puissance plus élevée sont situés au voisinage les uns des autres dans le spectre de fréquences, en étant éloignés de canaux transmettant une puissance plus faible, ce qui réduit l'effet d'interférence entre canaux. 2. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance d'émission de chaque unité distante (7- 12) est variable et est réglée de manière à garantir autant que possible un niveau sensiblement optimum de réception de puissance au niveau de la station de base (14) dans chaque canal. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un canal supporte une liaison montante pour la transmission de données depuis l'unité distante vers la station de base (14), et une liaison descendante pour la transmission de données depuis la station de base (14) jusqu'à l'unité distante (7-12), le niveau de puissance reçue de la liaison descendante au niveau de l'unité distante étant utilisée pour commander son niveau de puissance d'émission dans la liaison montante. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les niveaux de puissance des canaux sont mesurés par référence à des signaux pilotes particuliers (Pl, P2) incorporés dans chaque canal. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel les signaux pilotes (Pl, P2) sont également utilisés pour le verrouillage de fréquence par les unités distantes (7- 12). 6. Système de radiotélémétrie servant à collecter des données provenant de multiples unités distantes (7-12), caractérisé en ce que cette collecte de données s'effectue par l'intermédiaire de multiples canaux hertziens respectifs, dans lesquels la caractéristique de puissance de chaque canal est réglée de manière à être aussi linéaire que possible afin de limiter l'interférence entre canaux. 7. Système de radiotélémétrie pour collecter des données provenant de multiples unités distantes (7-12) par l'intermédiaire de multiples canaux hertziens respectifs (f7-f12), caractérisé en ce que la largeur de bande des canaux est modifiée de manière à adapter la qualité des canaux en terme de niveau de puissance revue de sorte que la largeur de bande est réduite lorsqu'une cadence accrue de symboles est supportée par des canaux de qualité supérieure de manière à maintenir une cadence globale requise des données. 8. Système de radiotélémétrie servant à collecter des données provenant de multiples unités distantes (7-12) par l'intermédiaire de multiples canaux hertziens respectifs (f7-f,2), caractérisé en ce que chaque canal est l'un d'une pluralité de canaux adjacents de sorte que des canaux situés de chaque côté dudit canal sont disponibles pour la transmission de données collectées par d'autres unités distantes. 9. Système de radiotélémétrie pour collecter des données provenant de multiples unités distantes par l'intermédiaire de canaux hertziens respectifs (f?-f12), caractérisé en ce que l'un des canaux du système est utilisé en tant que canal de transmission de signaux vocaux. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que des canaux de transmission de signaux vocaux et de données fonctionnent simultanément, chacun d'eux utilisant un système de modulation différent. 11. Système selon l'une ou l'autre des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le canal de transmission de signaux vocaux est incorporé dans une liaison descendante aboutissant aux unités distantes et que ce canal véhicule simultanément des signaux de commande. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'une liaison montante peut être adaptée pour permettre l'envoi soit de signaux vocaux, soit de données à la station de base, ou pour transmettre simultanément à la fois des signaux vocaux et des données dans des sous-bandes séparées.