ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ СЕТЬ СКВАЖИННЫХ ДАТЧИКОВ И ТЕЛЕМЕТРИИ
HIGH SPEED NETWORK OF DOWNHOLE SENSORS AND TELEMETRY

Перекрестная ссылка на родственные заявки
По настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США № 61/551176, поданной 25 октября 2011 г. Полное содержание этой патентной заявки включено в настоящий документ посредством ссылки.
Изобретение согласно настоящей заявке также относится к изобретению согласно заявке на патент США № 12/470842, поданной 22 мая 2009 г., ныне патент США № 8242928, по которой испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США №№ 61/128582, поданной 23 мая 2008 г., и 61/206550, поданной 2 февраля 2009 г., и приоритет заявки на патент США № 13/142612, поданной 10 августа 2011 г., которая является заявкой США национальной стадии PCT/US2009/069434, поданной 23 декабря 2009 г., по которой, в свою очередь, испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США №№ 61/204100, поданной 2 января 2009 г., и 61/206550, поданной 2 февраля 2009 г. Полные раскрытия этих заявок на патент включаются в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к областям систем передачи данных и сетей датчиков и исполнительных средств. В частности, изобретение относится к системам передачи данных, подходящим для скважинного использования, как, например, на бурильной колонне, используемой при поиске нефти и газа, или на колоннах заканчивания или на обсадных колоннах. Такие колонны в последующем рассмотрении будут сокращенно называться "колоннами" или "трубными колоннами". Такие системы передачи данных были ранее описаны настоящим изобретателем в вышеупомянутом родственном патенте США № 8242928 и в вышеупомянутой родственной заявке на патент США № 13/142612, поданной 10 августа 2011 г.
Уровень техники
Скважинные системы передачи данных имеют множество назначений: Во-первых, данные датчиков, собранные в "компоновке низа бурильной колонны" (BHA), должны передаваться ("телеметрироваться") на поверхность в реальном времени. Во-вторых, поверхностные системы должны связываться с и иметь управление над компонентами BHA, например, для направления буровой головки в желаемом направлении. В-третьих, данные, собранные на трубной колонне распределенными датчиками, должны посылаться в реальном времени на поверхность. В-четвертых, распределенными датчиками и также распределенными исполнительными средствами должны осуществляться операция и управление с поверхности в реальном времени. В качестве примера, скважинная система передачи данных этого типа с распределенными датчиками была описана в патенте США № 7207396 для Холла и др., выданном 24 апреля 2007 г.
В качестве альтернативы, управляющий блок внутри BHA или расположенный на бурильной колонне может принять на себя роль поверхностной системы. Такая конфигурация может, в частности, иметь преимущества, поскольку BHA непрерывно соединяется с бурильной колонной, в то время как поверхностная система может только периодически соединяться с бурильной колонной. Например, в течение спускоподъемных операций, трубная колонна поднимается или опускается, являясь при этом разбираемой (во время подъема) или собираемой (во время спуска) без поверхностного оборудования связи, соединенного с бурильной колонной. В течение нормальных буровых операций, поверхностная система связи периодически отсоединяется, чтобы обеспечить возможность для протягивания бурильной колонны на поверхности. Во всех этих случаях будут возникать преимущества в случае наличия управляющего блока, расположенного в BHA или расположенного на бурильной колонне, выполняющего функции управления связью вместо поверхностного блока.
Буровая операция, подходящая для осуществления настоящего изобретения, показана на фиг. 1. Буровая установка 100 приводит в действие бурильную колонну 110, которая состоит из большого количества взаимосоединенных секций 120, называемых звеньями бурильных труб. В типичной буровой операции установка вращает бурильную колонну 110 и, таким образом, также и BHA 130. BHA 130 может содержать различные комплекты контрольно-измерительных приборов; она может содержать забойный двигатель или роторно-ориентируемую систему, стабилизаторы, центраторы, утяжеленные бурильные трубы, и он содержит буровую головку.
Система передачи данных, также показанная схематически на фиг. 1, может иметь следующие основные компоненты: поверхностная система 200 управления, поверхностный интерфейсный блок 210, множество сегментов 220 передачи, которые переносят сигналы вверх и вниз по трубной колонне, множество повторителей 230, которые периодически обновляют и восстанавливают сигнал, скважинный интерфейсный блок ("BHA-интерфейс") 240, скважинные контрольно-измерительные приборы, содержащиеся в BHA 130, и множество датчиков и исполнительных средств ("узлов") 250, распределенных по трубной колонне. BHA-интерфейс 240 или дополнительные контрольно-измерительные приборы внутри BHA 130 могут осуществлять достаточно функциональных возможностей для выполнения задач поверхностной системы 200 управления. В качестве альтернативы, такие задачи могут выполняться блоками, расположенными внутри трубной колонны. Непрерывная линия передачи данных от поверхностной системы к BHA может осуществляться путем соединения сегментов 220 передачи через электрические, магнитные или электромагнитные средства соединения, установленные на концах звеньев 120 труб. В качестве дополнения к или вместо сквозной связи между поверхностью и BHA 130, эта линия передачи данных может также задействоваться для подключения к матрице датчиков и/или узлов 250 исполнительных средств. Как рассмотрено выше, поверхностная система 200 управления и поверхностный интерфейсный блок 210 могут удаляться из системы передачи данных, например, в течение спускоподъемных операций или во время протягивания или укорачивания бурильной колонны.
Повторители 230 и узлы 250 обычно отличаются по своим физическим компоновкам. Повторитель 230 обычно должен быть очень небольшим, чтобы вместиться в звено трубы. Схожим образом, источник питания повторителя 230 должен быть небольшим, чтобы удовлетворить ограничению физического размера, и обычно имеет только малый допустимый ток и/или зарядную емкость. Следовательно, повторитель может потреблять только очень малую мощность, в частности потому, что его время развертывания может измеряться сотнями и тысячами часов. Узел 250, с другой стороны, может быть отдельным скважинным устройством с местом для цепных плат и аккумуляторов, состоящих из нескольких первичных гальванических элементов. Таким образом, цепь узла может по существу быть более сложной и может иметь гораздо больше возможностей, чем цепь повторителя. Дополнительно, узлы могут принимать больше профилактического обслуживания и могут иметь меньше часов развертывания, чем повторители.
В целях последующего рассмотрения, следует предполагать, что узел 250 обычно также осуществляет функциональные возможности повторителя, и потому термин "повторитель" охватывает фактический повторитель 230, а также и функциональные возможности повторителя датчика и/или исполнительного узла 250. Кроме того, такие термины, как "поверхностная система (связи)" и "система (связи) восстающей скважины" используются взаимозаменяемым образом; как и термины "скважинная система (связи)" и "BHA-система (связи)", которые также используются взаимозаменяемым образом.
BHA 130 содержит множество устройств, используемых в процессе бурения. Множество датчиков постоянно генерируют данные, описывающие состояние процесса бурения путем отслеживания параметров, таких как нагрузка на долото, крутящий момент на долото, вибрация, направление магнитного поля, гравитационное направление и т.д.; состояние буровой скважины (температура, давление, газосодержание и т.д.); а также состояние горных пород (плотность, радиоактивность, электрическое сопротивление и т.д.). Дополнительно, сейсмика в процессе бурения ("SWD") или подобные службы исследования могут производиться попеременно или одновременно с процессом бурения. Эти исследования генерируют сейсмографические данные или другие данные датчиков, как в BHA, так и по трубной колонне. Обычно совокупность всей BHA-информации, которая должна быть послана в реальном времени на поверхность, может представлять скорость передачи данных 100-1 000 000 бит/с. Дополнительно, управляющая информация должна постоянно посылаться к BHA с поверхности в реальном времени. Такая управляющая информация может включать в себя ориентирующие команды для роторно-ориентируемой системы (RSS). Данные, которые должны быть переданы по восходящей линии связи на поверхность, и данные, которые должны быть переданы по нисходящей линии связи с поверхности, постоянно генерируются и обычно не синхронизируются относительно друг друга. Таким образом, существует потребность в связи с BHA в обоих направлениях и с максимально возможной эффективностью.
Датчики, содержащиеся в узлах 250, распределенных по трубной колонне, могут быть использованы для отслеживания скважинных условий, таких как температура и давление внутри и вне трубной колонны; для отслеживания условий бурения, таких как нагрузка, натяжение и крутящий момент; для отслеживания условий колонны, таких как натяжение, сжатие, вибрация, искривление, крутящий момент и/или направление; и могут также входить в состав вышеупомянутых служб исследования, таких как SWD. Один такой датчик может генерировать данные с такой низкой скоростью, как 1 бит/с или ниже, и с такой высокой, как 1 000 000 бит/с или выше. Датчики могут быть размещены с интервалами от менее 10 метров до 1 км или более. Можно без труда понять, что матрица из распределенных датчиков количеством от десятков до сотен может накладывать очень большие нагрузки на полосу частот данных даже в очень быстрых скважинных системах передачи. Таким образом, существует потребность в связи с матрицей распределенных узлов датчиков настолько эффективно, насколько это возможно.
Узлы 250 могут также быть использованы для оперирования исполнительными средствами, которые могут открывать и закрывать краны или могут выполнять другие механические функции на трубной колонне. Поскольку такие исполнительные средства могут осуществлять важные функции безопасности, существует потребность в быстром доступе в реальном времени к этим узлам и исполнительным средствам. Такой доступ должен быть возможен даже в то время, когда другие компоненты системы передачи данных не являются действующими.
Ввиду издержек комплектации буровой трубы или сегментов кожуха средствами переноса сигналов, такими как кабельные сегменты, всего одна линия 300 передачи (фиг. 2 и последующие чертежи) может осуществляться. Линия 300 передачи должна расцениваться как "общая" в том смысле, что фактическое осуществление может содержать большое количество кабельных сегментов, средств соединения, повторителей, преобразователей и т.д., расположенных последовательно. Линия 300 передачи должна использоваться совместно множеством источников данных, которых может быть много сотен на трубной колонне, и обычно используется как для восстающего направления данных ("восходящая линия связи" или "телеметрия"), так и для скважинного направления данных ("нисходящая линия связи" или "управление").
Для того, чтобы обеспечить беспрерывную связь в случае кабельного сегмента, может осуществляться более одной линии 300 передачи. Эти линии передачи могут выполнять функцию резервного средства для всех остальных и могут быть использованы в качестве "холодного резерва" или в качестве "горячего резерва". Линия передачи "холодного резерва" активируется в случае отказа первичной линии передачи, в то время как линия передачи "горячего резерва" активна параллельно с первичной линией передачи. Комбинация "холодного резерва" и "горячего резерва" также возможна, например, в случае временной необходимости высокой скорости передачи данных, a линия передачи "холодного резерва" может быть активирована параллельно с первичной линией передачи.
Емкость данных линии передачи или линий передачи обычно довольно большая и может достигать нескольких Мбит/с или более. Однако, если эта емкость должна совместно использоваться множеством устройств, как в случае с матрицей распределенных датчиков, которые должны оперировать одновременно с BHA с высокоскоростной передачей данных, емкость, доступная для каждого датчика, сокращается очень быстро. Таким образом, существует большая потребность в том, чтобы доступная емкость передачи использовалась настолько эффективно, насколько это возможно.
Линия(-и) 300 передачи всегда диссипативны, т.е. сигнал затухает и будет искажен по мере распространения по колонне. Сигнал и информация, которую он переносит, должны периодически восстанавливаться посредством повторителей 230 сигналов на колонне. Как показано на фиг. 2, для таких повторителей существуют различные возможные конфигурации. Фиг. 2a изображает стандартную, "последовательную" конфигурацию, в которой повторители электрически последовательны с линией 300 передачи. Под управлением логики 234 повторителей линейные приемопередатчики 232 включают и выключают их соответственные выходные данные и приводят в действие "верхний" и "нижний" сегменты линии 300 при необходимости маршрутизации сигналов. Хотя такая конфигурация не представляет сложности в осуществлении, она не отказобезопасна. Условие отказа в любом повторителе, которых может быть много сотен, может исключать возможность связи между "верхней" и "нижней" секциями линий, это условие, в котором линия связи между BHA и поверхностной системой управления может быть потеряна. Таким образом, существует сильная потребность в том, чтобы доступная емкость передачи была отказобезопасной, так, чтобы линия связи между BHA и поверхностью не терялась даже в случае неисправности в одном или нескольких перемежающихся элементах передачи.
Повторители 230 обычно разнесены на расстояние от десятков метров до нескольких сотен метров друг от друга. Полное количество повторителей может быть в диапазоне от десятков до тысяч в зависимости от длины колонны и от технологии, используемой для генерирования сигнала и переноса сигнала. С точки зрения сети, эффект повторителей состоит в замедлении сигнала и данных. В то время как сигнал может распространяться внутри одного кабельного сегмента с приблизительно 2/3 скорости света в атмосфере, типичные задержки сигнала в системе передачи повторительного типа будут порядка 0,01-10 миллисекунд на километр или 0,1-100 миллисекунд полного времени передачи для десятикилометровой колонны. Если линия 300 передачи колонны должна быть использована для двусторонней связи или если несколько линий 300 передачи используются параллельно с одним и тем же направлением сигнала в любой данный момент времени, эта полная задержка должна поддерживаться настолько низкой, насколько это возможно, поскольку все сигналы, перемещающиеся в одном направлении, должны быть приняты до того, как направление потока сигналов может измениться, ввиду чего происходит пауза в передаче данных. Таким образом, существует сильная потребность в том, чтобы распространение сигнала было по возможности быстрым, и чтобы время, требуемое на повторение сигнала, было по возможности коротким, и чтобы полное время передачи ("задержка передачи") было по возможности коротким, и чтобы время, требуемое для изменения направлений связи, было по возможности коротким.
Если в конкретных точках на трубной колонне требуется больше функциональных возможностей, чем то, что обеспечено базовым повторителем, в колонну вводится "узловое" устройство. Узел может быть носителем одного датчика или множества датчиков или он может быть носителем одного исполнительного средства или множества исполнительных средств, и узел может также осуществлять функциональные возможности повторителя. Как показано на фиг. 3, под управлением интерфейса 254 узлов линейные приемопередатчики 252 включают и выключают их соответственные выходы и приводят в действие "верхний" и "нижний" сегменты линии 300 при необходимости маршрутизации сигналов. Интерфейс 252 узлов связывается с интерфейсом 256 исполнительных средств и/или интерфейсом 258 датчиков, как требуется конкретной конфигурации исполнительного средства и/или датчика узла. Интерфейс 252 узлов может также осуществлять функцию логики 234 повторителей. Такой узел 250 электрически последователен с линией 300 передачи, что упрощает маршрутизацию и протоколы связи, но осуществлять отказобезопасную архитектуру. Как упомянуто выше, существует сильная потребность в том, чтобы доступная емкость передачи была отказобезопасной, так, чтобы линия связи между BHA и поверхностью не терялась даже в случае неисправности в одном или нескольких перемежающихся элементах передачи.
Обычно единственными источниками мощности, легко доступными на скважинной колонне, являются аккумуляторы. Эти аккумуляторы обычно собираются из литиевых первичных или вторичных элементов. Элементы имеют ограниченную энергоемкость и недоступны для замещения или перезарядки на периоды в недели и месяцы. Таким образом, существует сильная потребность в минимизации расхода электрической мощности повторителей и узлов. Такой минимальный расход мощности может достигаться путем минимизации активности, требуемой каждому повторителю или узлу, и/или путем минимизации времени, в течение которого повторитель или узел активны, и/или путем минимизации полосы частот данных и, следовательно, расхода мощности на повторитель (и/или на узел) и/или путем задействования емкости существующего канала настолько эффективно, насколько это возможно. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи в сети, которые настолько эффективны, насколько это возможно, в отношении расхода мощности на линии(-ях) передачи.
Из соображений безопасности, очень желательно конструировать повторители в виде герметичных блоков. Как части трубной колонны, повторители и узловые устройства могут оперировать внутри самой критичной зоны безопасности буровой установки ("Зоны 0"), которая может содержать легковоспламеняющиеся и/или горючие газы или смеси газов, такие как смесь метана/воздуха. Герметичные блоки могут выступать как безопасные при этих условиях, поскольку даже взрывная разгрузка внутреннего блока хранения энергии (обычно первичного элемента аккумулятора) содержится внутри герметичного ограждения. С другой стороны, такие герметичные блоки могут быть невосстанавливаемыми и необслуживаемыми. Таким образом, для обеспечения достаточной продолжительности эксплуатации существует сильная потребность в том, чтобы электронные средства повторителей были по возможности простыми, и потребляли по возможности мало мощности аккумулятора. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые накладывают только низкие требования на электронные средства повторителей в смысле сложности, расхода мощности и возможностей обработки данных, в то же время сохраняя высокие скорости передачи сигналов и высокие скорости пропускной способности данных.
В течение расширенных операций строительства скважины может иметься возможность обслуживать или замещать повторители и/или узлы. В таких обстоятельствах некоторые из внутренних аккумуляторов могут разряжаться, в то время как система связи все еще в эксплуатации. Такая преждевременная разрядка может происходить, например, ввиду допускаемых производственных отклонений и/или ввиду длительного воздействия высоких температур у забоя скважины. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые могут преодолевать один или несколько непитаемых повторителей и/или узлов.
В течение нормальных операций обычно происходят длительные задержки без активности связи. Такие задержки происходят, например, в течение перемещения трубы, когда труба находится в резерве или передвигается к устью скважины или когда труба используется в целях строительства скважины, отличных от бурения/связи, таких как перекачивание цемента или жидкостей для гидравлического разрыва. В целях, обрисованных выше, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые могут помещаться в надлежащее время в режимы ожидания, которые требуют мало или почти не требуют мощности, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации внутренних источников мощности, таких как аккумуляторы.
В течение нормальных операций, трубные сегменты могут использоваться очень различными способами. Некоторые трубные сегменты могут находиться в скважине только короткие периоды времени, другие сегменты могут находиться в скважине долгие периоды времени, еще одни сегменты могут находиться в резерве в течение всего времени. Если много или все трубные сегменты содержат повторитель, эти повторители могут предполагать очень различные профили использования в течение процесса строительства скважины. В результате внутренние источники мощности могут разряжаться с различными скоростями. Будет целесообразно оценить остальную продолжительность эксплуатации такой системы связи на основе "среднего" профиля использования и, с другой стороны, будет нерационально оценивать остальную продолжительность эксплуатации такой системы связи на основе профиля использования "худшего случая". Таким образом, существует сильная потребность в системе связи, которая может отслеживать профиль использования каждого внутреннего источника питания, которая может производить опрос состояний каждого внутреннего источника питания перед тем, как такой источник питания вступает в эксплуатацию в скважине, и которая может автоматически отмечать необходимость замещения внутреннего источника питания или замещения устройства, содержащего такой источник питания.
Как упомянуто выше, скважинная система передачи данных может иметь важные функции безопасности. Например, датчики в BHA могут обнаруживать небезопасные условия бурения, такие как приближение к подземному газовому пузырю, о котором необходимо немедленно предоставить отчет на поверхность. Таким образом, существует сильная потребность в установке приоритетов между источниками данных, где BHA обычно наделяется наивысшим приоритетом для передачи данных на поверхность, и в механизмах, которые обеспечивают функционирующую линию связи от BHA к поверхности даже при наличии аварий и неисправностей аппаратных средств в промежуточных повторителях и/или узлах.
Режим передачи скважинной системы передачи данных обычно последователен по битам ввиду вышеупомянутых издержек аппаратных средств, ассоциированных с обеспечением канала передачи на всей колонне. Осуществление множества параллельных каналов существенно увеличит стоимость такой скважинной системы передачи. Биты обычно представляются "импульсами" как показано на фиг. 17. Множество схем существует для преобразования между битами и импульсами, эти схемы в общем случае известны как "линейные коды". Один такой возможный код показан на фиг. 17a. Последовательность импульсов, где каждый импульс может быть короткой вспышкой высокочастотного несущего сигнала, кодирует последовательность бит так, чтобы равномерно разнесенные "тактовые" импульсы ("C") устанавливали схему синхронизации, а импульсы "данных" ("D") представляли информацию. Присутствие или отсутствие некоторого конкретного D-импульса представляют логические "0" или "1" или наоборот, т.е. пара из одного C-импульса и одного D-импульса переносит 1 бит информации. Как показано на фиг. 17b, скорость передачи данных может быть увеличена путем изменения соотношения C- и D-импульсов так, чтобы фиксированное количество из более чем одного D-импульса следовало за каждым C-импульсом. В крайнем варианте самотактирующихся линейных кодов используются только D-импульсы.
Существует много возможных линейных кодов, и представления фиг. 17a и 17b служат лишь в качестве примера для помощи в понимании настоящего изобретения. Например, линейные коды могут использовать позицию импульса, ширину импульса, амплитуду импульса, фазу импульса и/или частоту импульса помимо других параметров, для представления множества бит данных посредством одного импульса. Эти различные линейные коды, однако, могут накладывать различные ограничения на электронные средства повторителей в смысле возможностей обработки сигнала. Каждый повторитель должен иметь возможность верным образом восстановить те физические характеристики импульсов, которые кодируют информацию, в то время как физические свойства импульсов, которые не кодируют информацию, могут меняться в течение процесса передачи. Каждая из таких физических характеристик требует различных возможностей повторителя для распознавания входящих импульсов и для генерирования исходящих импульсов, причем каждая возможность добавляет сложность к электронным средствам и увеличивает расход мощности. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении схем линейного кодирования, которые и эффективны в смысле передачи данных, т.е. достигают высокой скорости передачи бит на импульс или группу импульсов, и в то же время накладывают только низкие требования на возможности обработки сигналов у повторителей.
Поскольку данные передаются через физический канал, они подвергаются помехам либо от случайного электрического шума, либо от электрических помех, которые могут возникать изнутри самой системы связи. Как в любой системе передачи данных, некоторое количество переданных данных могут теряться, искажаться или любым другим образом подвергаться воздействию в течение переноса. Как должно быть очевидно из вышеупомянутого описания, большинство, если не все из данных, передаваемых в скважинной системе передачи, являются критически важными и должны быть переданы и приняты без ошибок. Таким образом, данные должны быть защищены данными четности, которые используется аппаратными и программными средствами выявления ошибок и/или исправления ошибок для обеспечения надежности данных. В ограниченной по пропускной способности сети, как в случае скважинной сети, количество требуемых данных четности должно быть относительно мало по сравнению с данными полезной нагрузки, передаваемыми с целью поддержания эффективности всей системы. Дополнительно, обнаружение ошибок и/или исправление ошибок должны происходить с по возможности малым служебным сигнализированием. Из вышеупомянутого должно стать ясно, что изменение направлений сигнала может быть времязатратным процессом, и, таким образом, повторная передача данных также может быть времязатратной. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств безошибочной связи в сети, которые эффективны в отношении использования полосы частот и системного служебного сигнализирования и которые приспособлены к особенностям скважинной сети, т.е. путем минимизации количества требуемых изменений направления.
Широко используемый подход организует биты информации, которые должны быть переданы по каналу группами, называемыми пакетами, которые содержат как пользовательские данные ("полезную нагрузку"), так и описательные данные ("заголовок"). Обычно биты сгруппированы в байты, а пакеты состоят из нескольких байт. Каждый байт или группа байт имеет конкретные функции в пакете: например, адрес назначения, адрес источника, длина пакета, данные полезной нагрузки, проверочные байты и т.д. Все биты, содержащие пакет, передаются как непрерывный единый блок между сетевыми узлами. Пакеты данных разделены короткими периодами времени, в которые никакие данные не передаются. Эти промежутки необходимы для обеспечения возможности сети с пакетной коммутацией изменять маршрутизацию между сетевыми узлами и маршрутизировать отдельные пакеты через различные сигнальные пути при необходимости. Информация о том, как обеспечить путь маршрутизации на попакетной основе, извлекается из заголовков пакетов и из таблиц маршрутизации, описывающих текущую конфигурацию сети. Любой сетевой узел может определять из пакета путем инспектирования (a) допустимость пакета и (b) назначенное расположение пакета. Узел может обнаруживать, что он является назначенным адресатом пакета, или узел может требоваться для перенаправления пакета. Поврежденные пакеты, в которых проверочные байты не согласуются с остальным пакетом, обычно отвергаются, как только они обнаружены. Организация данных в пакеты является широко известным способом маршрутизации данных через сеть. К сожалению, это может быть очень неэффективным способом в случаях, когда большое количество источников данных должны совместно использовать один сигнальный канал, что является обычным для скважинной сети.
Другая проблема с подходом пакетизации состоит в потере полосы частот данных, ассоциированной с данными не полезной нагрузки, такими как заголовок пакета. Данные в реальном времени должны часто обновляться, т.е. приходят относительно небольшими порциями, и пакетизация данных полезной нагрузки может требовать сравнительно существенного количества дополнительных бит не полезной нагрузки.
Еще одна проблема с пакетизацией данных состоит в служебном сигнализировании, ассоциированном с конфигурацией линии передачи перед каждой передачей данных, и ограниченной скорости распространения сигнала через усиленную повторителями сеть. Каждый раз, когда направление сигнала изменяется, тратится время на ожидание, пока последний пакет идет в старом направлении, чтобы прибыть к своему месту назначения, и пока будет установлено новое, противоположное направление данных на всей линии передачи, благодаря чему дополнительно уменьшается эффективность сеть, ограниченной по полосе частот.
Из вышеприведенного описания общей проблемы скважинный связи и различных подходов для ее решения можно без труда понять, что новые решения необходимы для осуществления скважинный сети связи, которая может содержать большое количество повторителей и/или узлов связи, которая удовлетворяет требованиям высокой эффективности в комбинации с низким расходом мощности и отказобезопасной операцией и которая может комбинировать одновременную приоритезированную связь матричного типа со сквозной связью, с использованием одной или небольшого количества параллельных линий передачи. Настоящее изобретение отвечает этим потребностям в данной области техники.
Сущность изобретения
Скважинная система передачи данных отвечает потребностям в данной области техники путем передачи данных по скважинной колонне, включающей в себя ведущее средство связи, выбранное из группы, включающей в себя поверхностный интерфейс, скважинный интерфейс и узел, и включающей в себя линию связи, включающую в себя множество сегментов передачи, которые переносят сигналы по скважинной колонне, и множество повторителей сигналов низкой мощности, которые периодически обновляют и восстанавливают сигналы, переданные по скважинной колонне. Для минимизации расхода мощности и для улучшения эффективности связи поверхностный интерфейс, узел и скважинный интерфейс осуществляют связь по линии(-ям) связи с использованием импульсов радиочастотной энергии. Эти импульсы могут быть организованы в кадры данных, которые могут включать в себя один или несколько пробуждающих импульсов. Система передачи данных может дополнительно отличаться тем, что повторители и/или ведущее средство связи соединены с линией связи отказобезопасным образом, причем импульсы радиочастотной энергии обходят или проходят через повторитель сигналов и/или ведущее средство связи, когда повторитель сигналов и/или ведущее средство связи отказывает.
В одном примерном варианте осуществления система передачи данных отличается тем, что повторители и/или узлы соединены с линией(-ями) связи в "T"-образной конфигурации или конфигурации "бокового ответвления" для обеспечения отказобезопасной операции на линии(-ях) связи. Система передачи данных в такой системе дополнительно отличается тем, что повторители и/или узлы соединены с линией(-ями) связи параллельно ключу, который определенно-закрыт или определенно-открыт в своем деактивированном состоянии для обеспечения отказобезопасной операции на линии(-ях) связи.
В том же или другом примерном варианте осуществления кадр данных включает в себя по меньшей мере один пробуждающий импульс и один или несколько импульсов данных. В примерном варианте осуществления ведущее средство связи осуществляет связь по линии(-ям) связи путем модулирования данных в импульсы радиочастотной энергии, и по меньшей мере один из множества повторителей сигналов повторно генерирует импульсы радиочастотной энергии без декодирования всех из упомянутых данных, модулированных в импульсы. Предпочтительно, чтобы импульсы радиочастотной энергии обходили или проходили через отказобезопасный повторитель сигналов, когда отказобезопасный повторитель сигналов отказывает. Дополнительно, ведущее средство связи может наделяться приоритетом передачи над другими устройствами передачи. Соответственные кадры данных также могут быть расположены на некотором расстоянии для обеспечения возможности высокоприоритетной передачи данных между кадрами данных.
Эти и другие отличительные признаки изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из последующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает схематическое представление среды бурения с установленными элементами передачи данных.
Фиг. 2a изображает схематическое представление общего повторителя сигналов предшествующего уровня техники.
Фиг. 2b изображает схематическое представление повторителя сигналов согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2c изображает схематическое представление другого повторителя сигналов согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 изображает схематическое представление общего узла предшествующего уровня техники.
Фиг. 4 изображает схематическое представление узла согласно настоящему изобретению.
Фиг. 5 изображает схематическое представление другого узла согласно настоящему изобретению.
Фиг. 6 изображает концептуальный чертеж звена трубы согласно настоящему изобретению, разбитого на секции параллельно главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.
Фиг. 7 изображает концептуальный чертеж короткого звена согласно настоящему изобретению, разбитого на секции параллельно главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.
Фиг. 8 изображает вид в поперечном разрезе звена трубы, показанного на фиг. 6, вдоль плоскости A-A'.
Фиг. 9 изображает вид, помеченный как "B", на фиг. 6 и 7, показывающий конец шпильки и средство соединения шпильки.
Фиг. 10 изображает вид, помеченный как "B", на фиг. 6 и 7, показывающий осуществление конца шпильки и альтернативного средства соединения шпильки.
Фиг. 11a-11c изображают поперечные сечения вдоль плоскостей B-B', C-C' и D-D', соответствующие фиг. 10.
Фиг. 12 изображает вид, помеченный как "C", на фиг. 6 и 7, показывающий конец муфты повторителя.
Фиг. 13 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств повторителя.
Фиг. 14 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств внешнего интерфейса узла.
Фиг. 15 изображает концептуальный вид соединительного замка со встроенным "кнопочным" повторителем.
Фиг. 16 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств "кнопочного" повторителя.
Фиг. 17a-17b изображают схематические представления двух линейных кодов PCM.
Фиг. 18 изображает схематическое представление линейного кода PPM.
Фиг. 19 изображает схематичную структурную схему модема узла/терминала.
Фиг. 20 изображает схематичную структурную схему FEC-блока модема узла/терминала.
Фиг. 21 изображает схематичную структурную схему сегмента PPM-кодера модема узла/терминала.
Фиг. 22 изображает схематичную структурную схему сегмента PPM-декодера модема узла/терминала.
Фиг. 23 изображает схематичную структурную схему блока исправления ошибок модема узла/терминала.
Фиг. 24 изображает концептуальную временную схему для цикла связи.
Фиг. 25a-25c изображают концептуальные временные схемы для последовательностей связи.
Фиг. 26a-26c изображают концептуальные временные схемы для дополнительных последовательностей связи.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Далее следует подробное описание иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на фиг. 2b-26c. Хотя это описание обеспечивает подробный пример возможных осуществлений настоящего изобретения, следует заметить, что эти подробности подразумеваются как примерные и ни коим образом не ограничивают объем изобретения.
Фиг. 2b изображает возможное осуществление предпочтительной "отказобезопасной" операции повторителя в соответствии с изобретением. Повторитель 234 осуществляет интерфейс с линией 300 связи в "T"-образной конфигурации или конфигурации "бокового ответвления". В этой конфигурации не вызывает затруднений обеспечить возможность приемопередатчикам 232 не создавать помехи для линии 300 в случае отказа повторителя, и сигналы могут обходить отказавший повторитель с использованием существующего соединения "прохождения". Работающие повторители, с другой стороны, отслеживают линейные сигналы и замещают слабые сигналы обновленными копиями с восстановленными уровнями напряжения и восстановленной синхронизацией. Сигналы, будучи запущенными в линию 300 передачи, имеют возможность спокойно перемещаться вверх и вниз по линии, и их диапазон ограничивается только диссипативным процессом передачи. Верная маршрутизация сигналов, таким образом, более сложна и должна учитывать физические свойства линии 300. Поскольку приемопередатчики 232 имеют одинаковый электрический доступ к линии передачи, нарушение сигнала может происходить, если два или более передатчика одновременно активны, и надлежащие протоколы и отказобезопасные средства безопасности должны обеспечить, чтобы таких ситуаций не могло возникнуть.
Фиг. 2c изображает другое возможное осуществление предпочтительной "отказобезопасной" операции повторителя. Здесь повторитель 234 осуществляет интерфейс с линией 300 связи в комбинации "T"-образной и "последовательной" конфигураций. В этой "параллельной" конфигурации, также не составит сложностей обеспечить, чтобы приемопередатчики 232 не создавали помех с линией 300 в случае отказа повторителя, и сигналы могут обходить отказавший повторитель через соединение прохождения. Ключ 236, показанный на фиг. 2c, может быть полупроводниковым ключом на основе высокочастотной FET-технологии. Подходящим компонентом является интегральная цепь BF1118, произведенная NXP Semiconductors N.V., 5656 AG, Эйндховен, Нидерланды. Такой компонент содержит работающий в режиме обеднения полевой транзистор (FET), который осуществляет ключ для высокочастотных сигналов, который закрыт (т.е. почти проницаем для сигналов), когда не снабжается мощностью, благодаря чему обеспечивается путь прохождения сигнала по умолчанию. Ключом 236 может управлять микропроцессорный блок (MPU) 410 (не показанный на фиг. 2c для ясности) или специализированные аппаратные средства, которые открывают ключ, только если (a) электрическая мощность доступна (обычно от аккумулятора), (b) MPU 410 или сами специализированные аппаратные средства работают надлежащим образом, и (c) MPU 410 или специализированные аппаратные средства обнаруживают надлежащую операцию приемопередатчиков 232 и логики 234 повторителей. "Параллельное" осуществление комбинирует преимущества "T"-образной конфигурации, т.е. отказобезопасный обход отказавшего или не снабжаемого мощностью повторителя, с преимуществами "последовательной" конфигурации, такими как простота маршрутизации сигналов и простые протоколы связи.
Как упомянуто выше, узел "последовательного" типа, как следует из названия и как показано на фиг. 3, электрически последователен с линией 300 передачи, что упрощает маршрутизацию и протоколы связи, но не осуществляет "отказобезопасной" архитектуры. Для критически важных приложений, таких как скважинная связь, предпочтительна отказобезопасная конфигурация, такая как "T"-образное осуществление с фиг. 4. Конфигурация с фиг. 4 влечет необходимость более сложных протоколов связи, но предлагает отказобезопасный способ для отсоединения отказавшего узла. Если узел теряет мощность или претерпевает отказ, приемопередатчики, соединенные с линией 300, отключаются, что эффективно отсоединяет узел электрически от линии 300 передачи и обеспечивает возможность сигналам преодолевать отказавший узел в обоих направлениях.
Фиг. 5 изображает "параллельную" конфигурацию для отказобезопасного узла. В этом случае используется комбинация "T"-образной и "последовательной" конфигурации. По аналогии с повторителем с фиг. 2c, узел с фиг. 5 задействует высокочастотный ключ 236, который электрически соединяет сегменты линии 300 передачи, когда не снабжается мощностью, благодаря чему обеспечивается путь прохождения сигнала по умолчанию. Ключом управляет MPU 410 (не показан на фиг. 5 для ясности) или специализированные аппаратные средства, которые открывают ключ, только если (a) электрическая мощность доступна (обычно от аккумулятора), (b) сам MPU 410 или специализированные аппаратные средства работают надлежащим образом, и (c) MPU 410 или специализированные аппаратные средства обнаруживают надлежащую операцию узла, в частности приемопередатчиков 252 и интерфейса 254 узлов. "Параллельное" осуществление комбинирует преимущества "T"-образной конфигурации, т.е. отказобезопасный обход отказавшего или не снабжаемого мощностью повторителя, с преимуществами "последовательной" конфигурации, такими как облегчение маршрутизации сигналов и простые протоколы связи. Если узел теряет мощность или претерпевает отказ, приемопередатчики 252, соединенные с линией 300, отключаются, и ключ 236 закрывается, что эффективно отключает узел электрически от линии 300 передачи и обеспечивает возможность сигналам преодолевать отказавший узел в обоих направлениях.
Отказобезопасные архитектуры, такие как примерные архитектуры, описанные выше, могут осуществляться в системах связи, содержащих сегменты линии 300 передачи. Если используются звенья труб типа "Range 2", такие сегменты обычно имеют длину 31 фут. Если используются звенья труб типа "Range 3", такие сегменты обычно имеют длину 46 футов. Другие компоненты трубной колонны могут иметь нестандартные длины и, таким образом, могут содержать сегменты линии 300 передачи нестандартных длин.
Сегменты линии 300 передачи могут осуществляться с использованием коаксиального кабеля. Сегменты линии 300 передачи могут также осуществляться с использованием кабеля неэкранированной витой пары (UTP) или кабеля экранированной витой пары (STP). Сегменты линии передачи могут также осуществляться с использованием одинарных проводов, с металлической трубой или ее частью, используемой в качестве электрического обратного пути.
В некотором варианте осуществления может быть использован один сегмент линии 300 передачи. В качестве альтернативы, может быть использовано два или более параллельных сегментов линии 300 передачи. Кроме того, количество параллельных сегментов линии 300 передачи может отличаться между смежными сегментами трубной колонны. Например, стандартные звенья труб могут быть обеспечены двумя параллельными сегментами линии 300 передачи для обеспечения избыточности в случае отказа кабеля. Поскольку может быть 1 000 или более таких звеньев труб в колонне, такая избыточность в звеньях труб может быть неотъемлемой для функционирования системы связи. Специализированный компонент трубной колонны, однако, которых может быть только один или немного в трубной колонне, может быть снабжен проводом только посредством одиночного сегмента линии 300 передачи. Примерами таких специализированных компонентов, используемых в бурильных колоннах, являются ясы, расширители, увеличители диаметра скважины и центраторы, например.
Звенья труб могут быть соединены с другими звеньями труб и/или с другими компонентами колонны посредством вращающихся соединений. В этом соединении электромагнитные средства соединения могут объединять сигналы двунаправленным образом между смежными линиями 300 передачи. Такое объединение может быть индуктивным или емкостным или может осуществляться путем высокочастотного электромагнитного объединения с малой дальностью. В последнем случае средства соединения могут содержать одну или несколько высокочастотных антенн, которые могут быть приведены в электромагнитный резонанс на рабочей частоте и которые обмениваются электромагнитной энергией, находясь в резонансе. Обеспечивает преимущества выбор механизма объединения, который согласуется с распространением сигнала на линии 300 передачи, например, тот который использует ту же самую частоту переменного тока, что и на линии передачи. Таким образом, использование транспондеров или трансляторов на каждом соединении не является необходимым. Было обнаружено, что короткие вспышки ("импульсы") электромагнитной энергии в диапазоне частот от 10 МГц до 3 ГГц хорошо проходят через линии передачи, дополнительно к тому, что хорошо соединяют интервалы между сегментами линии передачи, и приводят электромагнитные средства соединения в резонанс, и повторяются простыми электронными средствами, которые могут снабжаться мощностью от малых аккумуляторов в течение долгих периодов времени. В одном примерном варианте осуществления рабочая частота и частота настройки для средств соединения может быть выбрана в диапазоне приблизительно от 50 МГц до 500 МГц.
Фиг. 6 изображает в качестве примера возможное осуществление системы передачи данных в трубной колонне, которая может быть использована, например, в качестве бурильной колонны. Сигналы, данные и/или мощность переносятся избыточно по двум параллельным сегментам 220 линии передачи, установленным внутри каждого звена 120 трубы. Предпочтительно, линии передачи находятся настолько далеко друг от друга, насколько это возможно, чтобы возникновение повреждения, разрушающего один сегмент 220 линии передачи, с меньшей вероятностью повредил также и другой сегмент 220 линии передачи. Звено 120 трубы показано на фиг. 6 в разрезе параллельно его оси с двумя сегментами 220 линии передачи, повторителем 230 (показан в качестве примера) или узлом 250 (не показан) и электромагнитными средствами 61 и 62 соединения, которые установлены. Муфта 31 звена 120 трубы расточена в обратном направлении для помещения повторителя 230. Повторитель 230 вмещает средства 63 и 64 соединения. Внутри повторителя 230 расположено множество полостей 52, уплотненных снаружи, которые могут вмещать электронные цепи и аккумуляторы. Смежные полости 52 могут объединяться друг с другом для упрощения электрических соединений или для вмещения электрических компонентов нестандартной формы. Направленное внутрь средство 63 соединения осуществляет интерфейс со средством 61 соединения, установленном в муфте. Средство 61 соединения, установленное в муфте, электрически подключено посредством линий 220 передачи к средству 62 соединения, установленному в шпильке. Когда выполняется подключение, шпилька 33 смежного звена трубы сцепляется с наружной стороной повторителя 230 на выступах 35 так, чтобы средство соединения, установленное в шпильке, смежного звена трубы осуществляло интерфейс со средством 63 соединения. Таким образом, собранная трубная колонна содержит непрерывную последовательность линий 220 передачи, которые расширяют длину трубчатой секции 32, средств 61 и 63 соединения и повторителей 230 за счет средств 62 и 64 соединения. Такая последовательность имеет возможность передачи высокоскоростных телеметрических данных в обоих направлениях посредством радиочастотных несущих сигналов, которые модулированы с данными. Такая последовательность также имеет возможность передачи высокочастотной мощности, нужной для снабжения мощностью повторителей, электронных средств датчика и для перезарядки перезаряжаемых аккумуляторов, содержащихся в повторителях и/или электронных средствах датчика.
Фиг. 7 изображает короткий сегмент или "патрубок" 121, состоящий из соединительного замка 31 муфты и соединительного замка 32 шпильки, сваренных друг с другом без промежуточного трубчатого элемента. В качестве альтернативы, короткий трубчатый элемент может быть использован. Муфта расточена в обратном направлении и может вмещать повторитель 230 (не показан) или узел 250 (показан в качестве примера). Линии 220 передачи, соединяющие средства 61 и 62 соединения, содержатся в каналах 41 маршрутизации. Назначением патрубка может быть добавление повторителя или узла в любом желаемом местоположении внутри последовательности передачи данных без расходования полной длины звена трубы. Может быть необходимо добавить повторитель вблизи пассивно проводного компонента трубной колонны. Такой пассивный компонент трубной колонны может не иметь места для установки повторителя внутри компонента. Также может быть желательно добавить узел в различных местах внутри трубной колонны для отслеживания условий локальной бурильной колонны, пластовых условий или условий буровой жидкости. Также может быть желательно добавить узел в различных местах внутри трубной колонны для вмещения исполнительных средств, таких как механические ключи и/или краны. Во всех таких примерных случаях патрубок, показанный на фиг. 7, может обеспечивать преимущества.
Вид в поперечном разрезе, секущий трубчатый элемент 32 и сегменты 220 линии передачи вдоль плоскости A-A' с фиг. 6, показан на фиг. 8. Сегменты 220 линии передачи могут осуществляться как бронированные сталью коаксиальные кабели на противоположных сторонах звена 120 трубы, как иллюстрируется. Кабели могут также быть установлены под углами, отличными от 180°, по отношению друг к другу. Предпочтительно, чтобы кабели были кабелями с малыми потерями, подходящими для работы вплоть до 3 ГГц. Кабели с диаметрами около 0,250'' (6,4 мм), со сплошным или многожильным внутренним проводником с диаметром около 1 мм и со сплошным полихлортрифторэтиленом (PTFE) в качестве диэлектрика, подходят. В качестве альтернативы, сегменты 220 линии передачи могут осуществляться как кабели с витыми парами (TP) предпочтительно экранированного типа (STP). STP-кабели с PTFE-изоляцией проводов общедоступны с множеством различных подходящих внешних диаметров и могут протягиваться через стальные трубки, которые выполняют функцию защитной брони для TP-кабеля(-ей). Предпочтительный диапазон характеристического сопротивления сегментов 220 линии передачи равен приблизительно 50-100 Ом.
Как показано на фиг. 9, которая изображает вид "B" с Фиг. 6 и 7, внешняя сторона шпильки 33 вмещает средство 62 соединения, содержащееся в круговом пазе 70 приблизительно 5 мм в ширину и 5-10 мм в глубину. Хотя не показано на фиг. 9, последующее описание эквивалентным образом применимо к средству 61 соединения муфты и к средствам 63 и 64 соединения, установленным в повторителе. Стенки паза 70 могут быть покрыты электрически высокопроводящим слоем, таким как медная, серебряная или золотая пленка, наносимая плазменным напылением. Средство 62 соединения является независимым, герметизированным блоком, который может быть впрессован в паз 70. Активным компонентом внутри средства 62 соединения является кольцевая антенна 71. Антенна 71 углублена со средством 62 соединения на глубину 1-2 мм, что защищает антенну от повреждений. Антенна 71 предпочтительно содержит множество проводных сегментов ("сегментов антенны") 173 приблизительно равной длины. Углублено глубже проводных сегментов 173 и также является частью структуры антенны металлическое кольцо 175 (не показано на фиг. 9). Металлическое кольцо обеспечивает механическую устойчивость и надежность структуре средства соединения, а также исполняет электрическое назначение замыкания путей электрического тока внутри структуры антенны. Таким образом, сегменты антенны и металлическое кольцо должны быть покрыты электрически высокопроводящим материалом, таким как медь, серебро или золото. Расстояние между сегментом(-ами) антенны и металлическим кольцом должно быть порядка нескольких миллиметров для того, чтобы достигать хорошей чувствительности антенны.
Предпочтительно, проводные сегменты 173 приводятся в электрический резонанс посредством конденсаторных блоков 74 и 78. Каждый конденсаторный блок может содержать один или несколько отдельных конденсаторов. Также возможно оставить (a) конденсаторный блок(и) незаполненным. Резонансная частота выбирается близкой к рабочей частоте системы, побуждающей усиление напряжений и электрических токов со структурой антенны, формируемой проводными сегментами 173 и конденсаторами 74 и 78. Существует множество схем для достижения резонанса в структуре антенны. В качестве примера и без потери общности каждый проводной сегмент 173 может прерываться отдельным конденсатором с каждой стороны. Такая балансная конструкция демонстрирует определенные преимущества, такие как очень низкая чувствительность в отношении паразитных емкостей. В одном осуществлении все конденсаторные блоки 74 содержат два конденсатора (по одному принадлежащему каждому соседнему сегменту 173 антенны), и конденсаторные блоки 78 не заполнены. Конденсаторные блоки 74 и 78 могут вмещать конденсаторы установленного на поверхности устройства (SMD) которые защищены от механических воздействий благодаря тому, что они заключены внутри блока. Блоки могут быть сформированы из термостойких пластмасс, термостойких упрочнённых эпоксипластов, термостойких стекол или могут быть миниатюрными керамическими "коробками". Необходимые электрические соединения, входящие в и исходящие из блоков, осуществляются посредством электрических проходных контактов.
Антенна 71 постоянным образом электрически соединена с одним или несколькими термостойкими средствами 174 подключения с радиочастотными возможностями, которые входят в состав средства 62 (или 61, 63, 64, соответственно) соединения. Эти одно или несколько средств подключения стыкуются с другим набором средств подключения, которые присоединены к кабелям 220 (скрыты на фиг. 9). При установлении средства 62 (или 61, 63, 64) соединения в паз 70, соответствующие средства подключения взаимодействуют друг с другом и электрически подключают сегменты 173 антенны к соответствующим кабельным сегментам 220. Следовательно, существует соотношение "один к одному к одному" между сегментами 173 антенны в средстве 62 соединения шпильки, кабельными сегментами 220 и сегментами 173 антенны в средстве 61 соединения муфты.
При нормальных рабочих условиях сегменты 173 антенны резонируют синхронно друг с другом. Однако, несмотря на то, что они механически и электрически соединены, сегменты 173 антенны могут также резонировать независимо друг от друга. Так бывает, если сегмент антенны был поврежден и/или присоединенный кабель был поврежден. Если сегмент 173 антенны не резонирует на рабочей частоте ввиду повреждения, остальные сегменты 173 антенны, каждый из которых все еще входит в состав L-C-цепи с возможностью резонанса (формируемой проводными сегментами 173 и конденсаторными блоками 74 и 78), все еще сохраняют возможность электромагнитного резонанса на рабочей частоте и, следовательно, могут переносить сигналы, данные и/или мощность вокруг поврежденного сегмента антенны.
Характеристическое сопротивление кабельного сегмента 220 в общем случае не соответствует характеристическому сопротивлению сегмента 173 антенны. В качестве примера, типичное сопротивление кабеля может быть 50 Ом, а типичное сопротивление антенны может быть 1 000 Ом. Для оптимального переноса сигнала и мощности, однако, желательно привести в соответствие эти сопротивления. Такое согласование сопротивления может осуществляться посредством конденсаторов, содержащихся в конденсаторных блоках 74 и/или 78. В частности, конденсаторы, содержащиеся в блоках 74, помещенных последовательно между проводным сегментом(-ами) 173 и кабельным сегментом(-ами) 220, могут служить этой цели. Если антенна работает чуть ниже своей проектировочной резонансной частоты, сопротивление сегментов антенны становится "индуктивным", и формируются "L"-цепи с конденсатором(-ами) 74. Кабельный сегмент присоединяется к порту с низким сопротивлением "L"-цепи, а сегмент антенны находится в точке с высоким сопротивлением "L"-цепи, благодаря чему осуществляется желаемое преобразование сопротивления.
Идеальное согласование сопротивления с сопротивлением кабеля (например, 50 Ом) не обязательно желаемо. Благодаря целенаправленной нагрузке антенны (антенн) с несогласованными сопротивлениями, импульсные отклики антенны (антенн) могут быть оптимизированы. Как будет показано в разделе ниже, линейное сигнализирование обычно осуществляется с использованием коротких радиочастотных импульсов. Эти импульсы содержат только небольшое количество радиочастотных циклов. Стандартное оптимальное согласование между антенной(-ами) и кабелем(-ями) обычно дает в результате перенос максимальной возможной мощности ценой задержки нарастающего фронта передаваемого импульса. Таким образом, уменьшение мощности, переносимой между антенной(-ами) и кабелем(-ями) путем перегрузки антенны (антенн), может давать в результате более быстрые импульсные ответы, обеспечивая преимущества в виде более высоких скоростей повторения импульсов и, следовательно, более высоких скоростей данных.
Преобразование сопротивления также возможно без добавочного конденсатора. Можно без труда понять, что при резонансе профили электромагнитных стоячих волновых форм возникают на сегментах 173 антенны. Эти стоячие волны создают точки высоких и низких напряжений вокруг контура сегмента(-ов) антенны. Путем подсоединения к сегменту(-ам) антенны в предварительно выбранных точках, согласования сопротивлений (или вычисленные несоответствия, как описано выше) могут быть осуществлены. Возможное осуществление показано на фиг. 10. По сравнению с фиг. 9, структура антенны вращается, в то время как средства 174 подключения остаются на месте, чтобы осуществлять интерфейс с кабелями в направлении сверху вниз согласно фиг. 8. Угловое положение антенны, приблизительно равное 45°, как показано на фиг. 9, является только примерным. Угловые положения между приблизительно 0° (при измерении с конца сегмента 173 антенны) и 80° были продемонстрированы как обеспечивающие полезные балансные варианты согласования сопротивления между согласованием мощности и импульсной чувствительностью в случае "сбалансированного" сегмента антенны с прерывающими конденсаторами с каждой стороны сегмента. Другие конфигурации антенн, такие как несбалансированное распределение конденсаторов, требуют другие угловые позиции для оптимизации переноса мощности и/или импульсного отклика.
Как изображено на фиг. 11, вся компоновка средства соединения, содержащая сегмент(ы) антенны, металлическое кольцо, конденсаторные блоки и средства подключения, предпочтительно заключена в термостойкий пластмассовый материал 176, который является непроводящим и подходит в качестве радиочастотного диэлектрика. Подходящими материалами являются полиэфирэфиркетон (PEEK) или высокоэффективные упрочненные эпоксидные материалы или различные эластомеры, такие как флюороэластомер "Viton Extreme", производимый DuPont в Уилмингтоне, штат Делавэр. Другие размерные величины защищенного средства соединения должны соответствовать размерным величинам паза 70, чтобы обеспечивать плотную посадку. Конечным внешним слоем средства соединения предпочтительно является тонкий электрически высокопроводящий металлический слой 73, который выполняет функцию отражателя для всех радиочастотных полей, излучаемых средствами соединения. Такой слой может наноситься путем газоплазменного напыления по всем поверхностям средства соединения, кроме передней стороны. Очевидно, что встроенные средства 174 подключения нельзя закорачивать в процессе. Толщина слоя должна быть по меньшей мере в три раза больше толщины электрического поверхностного слоя при резонансной частоте. В диапазонах частот, представляющих интерес (VHF), толщины проводящего слоя в 50-100 микрометров может быть достаточно. В качестве альтернативы, компоновка средства соединения может быть заключена в стальной кожух, который соответствует размерным величинам паза 70. Такой кожух может обеспечивать преимущества, в частности, в случае мягких герметизирующих материалов, таких как эластомеры. Такой стальной кожух может также выполнять функцию формы в течение процесса герметизации, способствуя размерной стабильности законченного средства соединения. Может обеспечивать преимущества покрытие внутренней части кожуха тонким электрически высокопроводящим металлическим слоем 73 вместо покраски или газоплазменного напыления эластомерной массы.
Фиг. 11a-11c подробно изображают различные поперечные сечения средства 62 соединения, показанного на фиг. 10. Поперечное сечение B-B' (фиг. 11a) изображает сегмент 173 антенны и металлическое кольцо 175, которые оба встроены в пластмассовый материал 176, формирующий независимую кольцевую структуру. Структура защищена металлическим слоем 73 со всех сторон за исключением передней стороны средства соединения. Фиг. 11b (поперечное сечение C-C') изображает в разрезе средство соединения в местоположении конденсаторного блока 74. Этот блок фиксирован между металлическим кольцом 175 и сегментом 173 антенны предпочтительно посредством зажимания, сварки, склейки или высокотемпературного спаивания. Металлический контактные поверхности 7401 на противоположных сторонах конденсаторного корпуса осуществляют необходимые электрические контакты с кольцом 175 и с сегментом 173 антенны, также предпочтительно посредством зажимания, сварки, склейки или высокотемпературного спаивания. Фиг. 11c (поперечное сечение D-D') подробно изображает область средства 174 подключения. Средство 174 подключения содержит металлический штифт 177, который соединяет сегмент 173 антенны с внутренним ядром коаксиального кабеля или одним или обоими проводами кабеля с витой парой (ни то, ни другое не показано на фиг. 11c); электроизолирующий элемент 178, который может быть выполнен из того же самого материала, что и герметизирующий материал 176, такой как PEEK, или может быть из другого материала, например керамики; и металлический внешний экран 179, который соединяет экран коаксиального кабеля или экран кабеля с экранированной витой парой (STP) с металлическим кольцом 175 и внешним слоем 73.
Хотя вышеприведенное рассмотрение преимущественно было для ясности сосредоточено на средстве 62 соединения шпильки, оно эквивалентным образом применимо к средству 61 соединения муфты. Кроме того, оно также применимо к средствам 63 и 64 соединения, установленным в повторителе. Существует взаимооднозначное соответствие между сегментами 173 антенны в средстве 62 соединения шпильки и средством 61 соединения муфты, и поэтому количество сегментов 173 антенны в этих средствах соединения одинаково. Существует некоторое количество преимуществ, например, является простым производство средств соединения с идентичными резонансными частотами, если они имеют идентичные размерные величины. Никаких требований к такому соответствию не существует для количества сегментов антенны в средствах соединения, установленных в повторителе; таким образом, повторитель может использовать различное количество сегментов 173 антенны. В иллюстративных целях, однако, будет предполагаться далее, что каждая антенна 71 содержит два сегмента 173 антенны.
Вместо коаксиального кабеля кабели других типов могут быть использованы. В частности, использование кабеля с экранированной витой парой (STP) было признано эффективным. Подходящие продукты производятся W. L. Gore & Associates, Inc. в Ньюарке, штат Делавер, как "Экранированная витая пара/провод с согласованием сопротивлений Gore". Преимущество использования STP-кабеля может быть понято с учетом того, что внешний экран коаксиального кабеля выполняет функцию как электрического экрана, так и магнитного экрана, таким образом требуя существенных токонесущих возможностей в очень широком диапазоне частот (10 кГц-ГГц), и таким образом занимая значительную часть площади сечения. STP-кабель, с другой стороны, магнитным образом самоэкранирован вследствие скрученной геометрической формы, и требует только тонкого электрического экрана, такого как алюминиевая фольга. Толщина алюминиевой фольги хорошо соответствует толщине электрического поверхностного слоя на рабочих частотах настоящего изобретения, около 10 МГц-3 ГГц, что делает фольгу подходящим внешним проводником в этом радиочастотном (RF) диапазоне. Стандартно, в STP-кабеле витые провода используются в последовательной цепи ("дифференциальный режим") с характеристическими сопротивлениями 100-120 Ом. В контексте настоящего изобретения, однако, была признана имеющей преимущества эксплуатация витых проводов параллельно ("общий режим") с характеристическими сопротивлениями 50-60 Ом. Для операции в общем режиме каждый конец кабельного сегмента, внутренние проводники STP-кабеля электрически подключены к штифту 177 средства подключения средства соединения и к сегменту 173 антенны, в то время как экран STP-кабеля электрически подключен с обеих сторон к экрану 179 средства подключения средства соединения и к металлическому кольцу 175. Диэлектрическая изоляция, окружающая каждый провод, действует для подавления так называемого "эффекта близости", который в противном случае нивелировал преимущество наличия двух проводных поверхностных зон, доступных параллельно для переноса RF-тока.
В качестве альтернативы, STP-кабель может работать в "полудифференциальном режиме", причем один провод используется как переносящий сигнал "горячий" провод благодаря тому, что он электрически подключен к сегменту 173 антенны (и штифту 177), а второй провод - как "холодный" возвратный провод благодаря тому, что он соединен с металлическим кольцом 175 (и экраном 179). В этой конфигурации омическое сопротивление кабеля удваивается, что компенсируется характеристическим сопротивлением кабеля, которое также удваивается, оставляя затухание на единицу длины кабеля приблизительно постоянным. В этой конфигурации согласование сопротивления между средством соединения и кабелем должно регулироваться, как рассмотрено выше, во избежание потерь через отражения в интерфейсе средства соединения/кабеля. Как рассмотрено, способы для согласования сопротивления могут с легкостью обслуживать характеристическое сопротивление 100-120 Ом, демонстрируемое кабелем с витой парой в "полудифференциальном режиме". Также возможно использование кабеля с витой парой в "полном дифференциальном режиме". В "полном дифференциальном режиме" оба провода витой пары "горячие", т.е. являются переносящими сигнал проводниками, но в дополняющих фазах переменного тока. Можно без труда понять, что смежные резонирующие сегменты 173 антенны имеют точки равных, но несинфазных напряжений в их профилях стоячих волновых форм. Эти дополняющие точки при подсоединении через штифты 177 подходят для подключения к кабелю с витой парой в "полном дифференциальном режиме". Различные возможные вариации и преобразования находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Вид спереди повторителя 230 или узла 250, т.е. вид, помеченный как "C" на фиг. 6 и 7, показан на фиг. 12. Повторитель 230 содержит на своей внешней стороне средство 64 соединения. Средство 64 соединения имеет конструкцию, схожую со средством 62 соединения, состоящую из паза 70 с антенной 71. Электрически, антенна 71 соединяется с внутренней частью повторителя 230 через средство подключения или проходные контакты 174 (не показаны на фиг. 12). Внутри повторителя 230 и уплотненным образом от внешнего давления находится множество цилиндрических полостей 52, которые могут вмещать электронные цепи и аккумуляторы. Не показаны на фиг. 12 проводные каналы, которые соединяют полости 52 в целях маршрутизации проводов сигналов и питания. Средство 63 соединения, которое расположено с противоположной стороны повторителя 230 и которое не показано на фиг. 12, сконструировано тем же образом, что и средство 64 соединения.
Примерная, концептуальная электрическая структурная схема повторителя 230 (и, возможно, внешнего интерфейса узла 250) показана на фиг. 13. Как рассмотрено ранее, повторитель переносит средства 63 и 64 соединения. Как показано в одном примерном варианте осуществления, каждое средство соединения содержит одну антенну 71, которая содержит два сегмента 173 антенны и два конденсаторных блока 74. В качестве способа согласования сопротивления предполагается способ "подсоединения" с фиг. 10, который был рассмотрен выше. В качестве альтернативы, может быть использован способ согласования сопротивления "последовательного конденсатора".
Как рассмотрено ранее, полупроводниковые высокочастотные ключи 236 могут быть использованы для обеспечения непрерывных электрических путей между средствами 63 и 64 соединения. Поскольку в этом примере используется два сегмента 173 антенны, два пути 421 должны быть обеспечены для того, чтобы иметь полную избыточность. Ключи 236 (например, BF1118 от NXP) проводят сигналы, если ключи не снабжаются мощностью, и в противном случае находятся под управлением микропроцессорного блока (MPU) 410 или некоторых специализированных аппаратных средств. Таким образом, отказобезопасным условием по умолчанию цепи является непрерывность между средствами соединения, т.е. перенос неусиленного сигнала. Уравнительная цепь 426 обеспечивает уравнительный путь 423 между двумя электрическими путями 421, обеспеченными ключами 236. В нормальных операциях не будет разницы напряжения между путями 421, и уравнительная цепь 426 не будет иметь функций. В случае частичного отказа, однако, один путь может переносить весь или большую часть полезного сигнала, и уравнительная цепь 426 может распространять этот сигнал на другой путь для того, чтобы восстановить передачу сигнала на обоих путях. Уравнительная цепь 426 также целенаправленно истощает уравнительно-объединенный сигнал так, чтобы внутренний отказ, приводящий к короткому замыканию на любом из путей 421, не подавлял оставшийся сигнал на втором пути 421. В самом простом случае уравнительной цепью 426 может быть резистор. Уравнительной цепью 426 может также быть более сложная цепь с активным и реактивным компонентами сопротивления. Уравнительная цепь 426 может также содержать активные компоненты, такие как радиочастотный ключ BF1118.
Уравнительная цепь 426 также играет роль в обеспечении возможности азимутально произвольных ориентаций между повторителем, соединительной муфтой и соединительной шпилькой. Каждый из этих компонентов содержит средства соединения, которые, в случае более одного сегмента 173 антенны на средство соединения, не обладают полной азимутальной симметрией. В течение нормальных операций, когда все сегменты антенны переносят приблизительно идентичные части мощности сигнала, относительные азимутальные ориентации не играют роли. В случае отказов кабельных сегментов и/или отказов сегментов антенны, однако, некоторые сегменты антенны принимают мощность сигнала, в зависимости только от их относительных азимутальных ориентаций. Как только сигнал достиг повторителя, однако, повторитель повторно сгенерирует сигнал на всех доступных сигнальных линиях, независимо от пути, посредством которого средство 424 обнаружения обнаружило входящий импульс. В отказобезопасном режиме это активное перераспределение функциональных возможностей теряется, но частично, т.е. пассивно, восстанавливается уравнительной цепью 426.
Также соединены с сегментами 173 антенны радиочастотные диоды 422 средства обнаружения и радиочастотные усилители 420 мощности. Диоды средства обнаружения предпочтительно имеют тип барьера Шоттки, например HSMS-282x, выполненные Avago Technologies в Сан-Хосе, штат Калифорния. Выпрямленное напряжение средства обнаружения от диодов 422 подается в средства 424 обнаружения, которые содержат аналоговые высокоскоростные средства сравнения, которые инициируют и производят логический сигнал при наличии радиочастотного импульса на одном или нескольких сегментах 173 антенны. Средства 424 обнаружения могут предпочтительно содержать дополнительные диоды Шоттки, которые предпочтительно совместно используют корпусы с диодами 422 средства обнаружения так, чтобы формировались мостовые цепи, компенсирующие температурные коэффициенты диодов 422 средства обнаружения.
В качестве альтернативы диодной цепи обнаружения, рассмотренной выше, RF-средства 424 обнаружения могут быть осуществлены в виде монолитных RF-средств обнаружения. Например, RF-средство обнаружения AD8312 от Analog Devices, Inc. в Норвуде, штат Массачусетс, может быть подходящим устройством. По сравнению с диодным средством обнаружения, которое имеет нижний порог на RF-мощности приблизительно -30 дБм, AD8312 отвечает RF-уровням, настолько низким как -45 дБм. Таким образом, уровни мощности передачи могут быть снижены приблизительно на -15 дБ.
Инициирующие сигналы от средств 424 обнаружения подвергаются операции логического ИЛИ (вентиль 430) и инициируют высокоскоростную цепь 432 синхронизации. Цепь 432 синхронизации, которая может быть осуществлена в виде моностабильного мультивибратора с временной константой (τ) приблизительно 0,5-1,5 микросекунд, препятствует множеству и/или ложным инициациям, которые могут возникать либо ввиду самоинициации благодаря усилителям 420 мощности, либо из-за импульсов, посланных соседними повторителями в качестве отклика этому повторителю. Выходной сигнал из цепи 432 синхронизации запускает цепь 434 широтно-импульсной модуляции (PWM), которая генерирует сигнал огибающей импульса. Сигнал огибающей импульса проходит через И-вентиль 436, в котором сигнал огибающей импульса подвергается операции логического И с сигналом разрешения от MPU 410. Выходной сигнал И-вентиля 436 запускает усилители 420 мощности вместе с радиочастотным осциллятором 438. В зависимости от режима операции, огибающая импульса может быть очень короткой, т.е. всего несколько радиочастотных циклов, или может быть более долгой продолжительности. Осциллятор 438 производит радиочастотную волновую форму на рабочей частоте, которая близка к частоте, на которую настроены средства 63 и 64 соединения (и, соответственно, средства 61 и 62 соединения). Рабочая частота находится в диапазоне радиочастот, а именно в диапазоне 10 МГц-3 ГГц. Действие последовательности высокоскоростных цепей, состоящий из диодов 422 средства обнаружения, средств 424 обнаружения, вентиля 430, цепи 432 синхронизации, PWM-цепи 434, вентиля 436, осциллятора 438 и усилителей 420 мощности, обычно является очень быстрым, предпочтительно в диапазоне около 100 наносекунд, чтобы радиочастотный импульс определенной длины и амплитуды генерировался очень вскоре после прихода ведущего фронта входящего радиочастотного импульса. Продолжительность рабочего импульса, установленная PWM-цепью 434, может также быть очень короткой. Таким образом, время задержки на повторитель минимизировано, в результате чего получается очень быстрое распространение импульса через последовательность повторителей. Все базовое действие повторителя основано на аппаратных средствах и не требует вмешательства MPU 410 для каждого импульса. Вместо этого MPU 410 управляет изменениями состояний и отслеживает аппаратную цепь на предмет возможной неисправности.
Опционально цепь 230 повторителя может также выполнять функцию "восстановления синхронизации" над переданными сериями импульсов. Как средство восстановления синхронизации, повторитель содержит внутренний генератор тактовых сигналов, чей период определяет степень разбиения периода повторения импульсов. Цепь восстановления синхронизации временно задерживает генерирование импульса, следующее за принятым импульсом, до следующего фронта внутреннего тактового сигнала, после чего импульс повторяется. Действие средства восстановления синхронизации компенсирует любое кратковременное дрожание синхронизирующих импульсов, которое могло возникнуть в течение передачи импульса от других повторителей. Также возможна комбинация повторителей и узлов без восстановления синхронизации и с восстановлением синхронизации. Базовый повторитель может не иметь функции восстановления синхронизации, благодаря чему сберегается потребляемая мощность для внутреннего генератора тактовых сигналов. Узлы 250, с другой стороны, могут включать в себя функциональные возможности восстановления синхронизации внутри их функциональных возможностей повторителя для компенсации накопленного дрожания синхронизирующих импульсов в течение переноса импульсов через последовательность базовых повторителей без восстановления синхронизации.
Цепь 432 синхронизации обеспечивает необходимые функциональные возможности, чтобы обеспечить возможность координированного распространения импульса через последовательность повторителей. Цепь повторителя сама по себе может не быть осведомлена или не иметь предпочтения в направлении импульса. Последовательность готовых, т.е. подготовленных к действию, повторителей, будучи инициированной радиочастотным импульсом с одного из двух концов последовательности, распространяет импульсы с конца инициации через всю последовательность к другому концу. Цепи синхронизации 432 задерживают повторную готовность повторителей на временную константу "τ", так, чтобы импульс, которым отвечает повторитель, а также импульсы, генерируемые в последовательности после повторителя, затухли и не могли вызвать события ложной повторной инициации. Таким образом, временная константа "τ", время "удержания" цепи 432, должна быть установлена как более долгая, чем время возвращения эха импульса в наихудшем случае от последующих повторителей. С другой стороны, импульсы не могут следовать друг за другом быстрее, чем через временную константу "удержания", программируемую в цепь 432, которая, таким образом, ограничивает наивысший возможный импульс и скорости данных. Таким образом, желательно (a) установить временную константу "удержания" не выше, чем необходимо, и (b) использовать схемы линейного кодирования, которые избегают быстрых повторений импульсов. Типичной временной константой "удержания" "τ" для цепи 432 синхронизации может быть одна микросекунда или менее.
Без входящих импульсов, которые инициируют действие повторения импульса цепи, MPU 410 помещает цепь в состояние низкой мощности с закрытыми ключами 236, т.е. обеспечивая возможность непрерывных пассивных путей 421. При поступлении "пробуждающего" импульса, который может более долгой продолжительности и/или более высокой интенсивности, чем обычные импульсы, цепь немедленно отвечает тем, что высылает другую копию пробуждающего импульса через все усилители 420 мощности, с PWM-цепью 434, программируемой на длинную продолжительность импульса (порядка одной или нескольких микросекунд) посредством MPU 410. MPU 410 может отслеживать ответы от средств 424 обнаружения или может непосредственно измерять исходящую радиочастотную энергию, частоту и т.д. для того, чтобы оценить рабочее состояние повторителя. MPU 410 может также отслеживает напряжение аккумулятора. В случае, когда аккумулятор 415 почти разряжен, исходящая радиочастотная амплитуда слаба, и/или потребление тока от усилителей мощности вызывает существенный спад в напряжении аккумулятора. В любом случае, MPU 410 может помещать цепь повторителя в отказобезопасное, "пассивное" состояние, в котором ключи 236 остаются закрытыми и И-вентиль 436 запрещает генерирование дополнительных импульсов.
Если цепь успешно проходит эту исходную самопроверку, MPU 410 может открыть ключи 236 и может перепрограммировать PWM-цепь 434 для обычного генерирования импульсов. MPU 410 может также переконфигурировать средства обнаружения, чтобы уменьшить нижнее входное сопротивление для обеспечения согласования сопротивления и прерываний линии для ответвлений 421 линии. Такое перепрограммирование средств обнаружения может содержать изменения в токах смещения для диодов 422 средства обнаружения. В течение нормальных операций каждый диод 422 может иметь положительное смещение посредством небольшого постоянного тока, например 10 микроампер. Этот ток смещения может быть выключен для всех или для некоторых диодов 422 для уменьшения общего расхода мощности в течение низкомощностных "спящих" состояний. Кроме того, некоторые средства 424 обнаружения также могут быть выключены для низкомощностного "сна".
В качестве альтернативы MPU 410, управляющему ключами 236, ключи 236 могут быть открыты (не проводить ток) автоматически в течение и/или после передачи импульса и могут закрываться (проводить ток) после времени задержки, указывающего бездействующую систему передачи. Таким образом, в упрощенном осуществлении может не быть необходимости в MPU 410. Все такие вариации цепи находятся в пределах объема настоящего технического описания.
В то время как цепи, описанные выше, задействовали ключи 236, которые закрыты, когда деактивированы ("нормально закрыты"), эти цепи могут легко быть конвертированы в альтернативные цепи, подходящие для ключей, которые открыты, когда деактивированы ("нормально открыты"). Подходящей модификацией цепей может быть добавление одной или нескольких линий задержки и/или одной или нескольких резонансных цепей, таких как резонансные цепи L-C. Подходящей линией задержки может быть секция коаксиального кабеля с длиной, равной одной четверти длины волны рабочей частоты. Такая настроенная линия задержки или эквивалентная резонансная цепь преобразует (при рабочей частоте) короткое замыкание в разрыв электрической цепи и наоборот, подготавливая цепь для операции с нормально открытым или нормально закрытым ключом. Все такие вариации цепи находятся в пределах объема настоящего технического описания. Единственным требованием для ключа является определенно-открытое или определенно-закрытое условие в деактивированном состоянии.
Описанная "параллельная" цепь может также осуществляться путем наличия параллельной цепи не последовательно с сигнальным путем 421, а от пути 421 к заземлению сигнала. Такая конфигурация может иметь электрически непрерывные пути 421, такие как также обеспечиваемые "T"-образной конфигурацией или конфигурацией "бокового ответвления", описанными ранее. Путем закрытия ключа (или, в качестве альтернативы, путем открытия ключа на конце настроенной на четверть длины волны линии задержки) входящие сигналы при рабочей частоте отражаются в средство(-а) 424 обнаружения, не распространяясь без усиления через повторитель. Благодаря комбинации различных вариаций цепей с различным возможным осуществлением ключей, линий задержки и/или резонансных цепей существует множество возможных осуществлений цепей, все из которых находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения.
MPU 410 может также отслеживать входящие сигналы, следующие непосредственно за пробуждением, на предмет дополнительных инструкций, так называемая фаза "установления связи", которая будет дополнительно рассмотрена ниже. Такие инструкции могут побуждать цепь входить в различные режимы проверки, они могут побуждать MPU 410 высылать самоидентифицирующую информацию и/или информацию состояния/исправности, или они могут побуждать цепь входить в различные режимы работы или "сна". При отсутствии отличных инструкций, MPU 410 обычно программирует цепь для обычной работы повторения импульсов. Поскольку MPU 410 в общем случае слишком медленный для декодирования быстрых серий импульсов, которые могут переносить данные на скоростях порядка Мбит/с, инструкции, привязанные к MPU, могут быть закодированы с использованием более медленных модуляций, и в частности с использованием импульсно-кодовой модуляции (PCM), которую просто декодировать с низкомощностными, низкоскоростными MPU. В медленном PCM-режиме и с задействованием сдвигового регистра 412, MPU 410 может принимать команды и может передавать информацию, такую как идентификаторы, информация состояния исправности/ошибки и/или показания датчиков (например напряжение, температура). Сдвиговым регистром 412 может также быть цепь универсального синхронно-асинхронного приёмопередатчика (USART). Кроме того, MPU 410 может сохранять дополнительную информацию, относящуюся к повторителю, в котором он установлен, и/или к компоненту трубной колонны, в которой установлен повторитель. Такая информация может быть записана в MPU после установки повторителя и может быть считана после этого в любой момент времени. В этом отношении, цепи повторителя функционируют схожим образом с RF-ID-цепью. При выходе из низкоскоростного PCM-режима и входе в режим высокоскоростной импульсно-фазовой модуляции (PPM), MPU 410 может прекратить декодировать поток данных. MPU 410 и/или специализированные цепи, однако, могут продолжать отслеживать поток импульсов, как описано ниже.
Обычно MPU 410 и/или специализированные цепи могут отслеживать операцию цепей повторителя или узла время от времени или непрерывно. В течение нормальных операций последовательность связи имеет ограниченную продолжительность, например 10-100 миллисекунд (см. также фиг. 24), за чем следует пауза в генерировании импульсов, которая побуждает цепь повторно войти в низкомощностное состояние. Если цепь не может войти в низкомощностное состояние за предварительно определенный период времени, т.е. она неуправляемая, непрерывно генерирующая импульсы, MPU 410 отключает цепь и принудительно вызывает низкомощностное отказобезопасное состояние путем управления И-вентилем 436, причем генерирование импульсов отключается, и цепь пассивно пропускает сигналы с путями 421 и ключами 236. Кроме того, MPU 410 и/или специализированные цепи могут пересчитывать количество импульсов посредством своих входных данных от PWM-цепи 434 и могут сравнивать это количество с максимальным количеством импульсов, генерируемых по схеме модуляции импульсов, используемой в некоторый заданный период времени. Избыточное количество импульсов может указывать условие неуправляемого возрастания, что снова побуждает MPU 410 и/или специализированные цепи отключить дополнительное генерирование импульсов и принудительно вызвать отказобезопасное условие.
MPU 410 и/или специализированные цепи могут отслеживать операцию цепи 230 повторителя и/или цепи 250 узла множеством способов. Например, MPU 410 может отслеживать напряжение источника питания, например напряжение(-я) аккумулятора, в условиях низкой нагрузки, он может отслеживать напряжение источника питания в условиях высокой нагрузки и он может вычислять внутреннее сопротивление(-я) аккумулятора из этих измерений. MPU 410 может пытаться депассивировать аккумулятор или аккумуляторы 415 путем временного потребления сильного тока от аккумулятора или аккумуляторов 415. MPU 410 и/или специализированные цепи могут сравнивать измеренные напряжения с предварительно определенными пределами напряжения, выше и ниже которых верное действие повторителя или узла может быть невозможным. При обнаружении такого условия избыточного или недостаточного напряжения, MPU 410 и/или специализированные цепи могут отключать повторитель 230 или узел 250 путем отключения последующего генерирования импульсов и принудительного перехода к отказобезопасному режиму. MPU 410 и/или специализированные цепи могут хранить журнал измеренных напряжений для оценки исправности цепей повторителя.
MPU 410 и/или специализированные цепи могут отслеживать окружающую температуру и могут вести журнал измеренных температур. MPU 410 и/или специализированные цепи могут принимать в расчет такие измерения температуры при оценке состояния аккумулятора.
MPU 410 и/или специализированные цепи могут измерять потребление тока из источника питания и могут сравнивать измеренное потребление тока с предельным током, типичным для используемой схемы импульсной модуляции. При обнаружении условия перегрузки по току, MPU 410 и/или специализированные цепи могут отключать повторитель или узел путем отключения дальнейшего генерирования импульсов и принудительного перехода в отказобезопасный режим. MPU 410 и/или специализированные цепи могут вести журнал измеренных токов для прослеживания исправности цепей повторителя.
MPU 410 и/или специализированные цепи могут также интегрировать измеренное потребление тока с течением времени для достижения оценки электрического заряда, потребленного из аккумулятора/аккумуляторов с течением времени. MPU 410 и/или специализированные цепи могут оценить оставшийся заряд в аккумуляторе/аккумуляторах путем комбинации измерений напряжения, температуры и тока и их журналов. MPU 410 и/или специализированные цепи могут отслеживать тенденции в напряжении и токе для дополнительного уточнения такой оценки оставшегося заряда. MPU 410 может отдельно подсчитывать суммарное время, потраченное на различные рабочие состояния, и может принимать в расчет такое время вместе с известными или измеренными потреблениями тока таких состояний для оценки оставшегося заряда. MPU 410 может подсчитывать количество переданных импульсов и может принимать в расчет такое количество вместе с известным или измеренным потреблением тока в течение генерирования импульсов для оценки оставшегося заряда. MPU 410 и/или специализированные цепи могут оценивать оставшийся срок службы аккумулятора/аккумуляторов из таких оценок оставшегося заряда.
Повторитель 230 и/или узел 250 может отчитываться о своем состоянии исправности вместе с оценками условий аккумулятора и оставшегося срока службы, если поступает такая инструкция. Такой отчет может быть интегрирован в последовательности связи "переклички", дополнительно описанной ниже. Такой отчет может также производиться при особом опросе, либо от изолированного повторителя или узла, либо от повторителя или узла, установленных в звеньях труб, либо от небольшого количества повторителей, установленных в "свечах" звеньев труб, либо от повторителей или узлов внутри трубной колонны. Такие специализированные последовательности связи дополнительно описаны ниже. Повторители и/или узлы могут также помещаться в особые режимы проверки посредством таких специализированных последовательностей.
Существующее отказобезопасное состояние может зависеть от некоторого количества факторов. При обнаружении слабый аккумулятор 415 обычно побуждает MPU 410 и/или специализированные цепи сделать состояние отказа постоянным, поскольку восстановление аккумулятора маловероятно. Для других отказобезопасных условий MPU 410 и/или специализированные цепи могут пытаться повторно активировать повторитель через предварительно определенную временную задержку, например одну секунду, и только ограниченное количество раз. Таким образом, временные проблемы могут быть решены, и подвергшийся им повторитель может вернуться к службе, в то время как долгосрочные проблемы вызывают постоянное отказобезопасное состояние для подвергшегося им повторителя или узла.
Цепь, показанная на фиг. 13 и последующих чертежах, обычно снабжается мощностью от аккумулятора 415. Аккумулятор 415 может содержать первичные элементы или может иметь перезаряжаемый тип. Более одного элемента может использоваться параллельно для более высоких зарядов аккумулятора и/или может использоваться последовательно для более высоких напряжений питания.
Фиг. 14 изображает в качестве примера модифицированное осуществление цепи повторителя. В то время как цепь повторителя, показанная на фиг. 13 и описанная выше, в сущности "слепа" к направлению передачи данных, примерная цепь с фиг. 14 имеет возможность для определения направления, с которого принимаются импульсы. Цепь относительно сложнее цепи с фиг. 13 ввиду включения в нее дополнительных средств 424 обнаружения. Кроме того, средства 424 обнаружения могут выборочно включать и выключать усилители 420 мощности, чтобы импульсы повторно передавались только в их исходном направлении распространения. Эти функциональные возможности требуют, чтобы радиочастотные ключи 424 открывались в течение генерирования импульсов. Основное преимущество этих добавленных функциональных возможностей состоит в уменьшенном потреблении мощности, поскольку только половина усилителей мощности активна в течение нормального генерирования импульсов. В отличие от этого, цепь повторителя с фиг. 13 не осведомлена о направлении распространения импульса и, таким образом, должна повторять все импульсы в обоих направлениях, либо посредством включения всех усилителей 420 мощности, либо путем оставления ключей 236 закрытыми в течение генерирования импульсов.
В альтернативных осуществлениях может требоваться меньше средств 424 обнаружения. В этом случае, MPU 410 может в течение фазы "установления связи" принимать инструкции о том, какие усилители 420 мощности должны быть использованы в течение периода передачи тока.
Также на фиг. 14 изображены дополнительные цепи, которые могут быть включены в систему, если цепь повторителя используется в качестве радиочастотного (RF) внешнего интерфейса 540 модема связи. Необходимость в таком модеме возникает всегда, когда генерируется или потребляется высокоскоростной поток данных, например, в поверхностном интерфейсном блоке 210 (фиг. 1) и в скважинном (BHA) интерфейсе 240 (фиг. 1). Также, в любом промежуточном узле, который требует или который генерирует данные в более чем очень малых количествах, могут быть использованы модемы. Дополнительный сдвиговый регистр 413 обменивается данными с первичным сдвиговым регистром 412 и с MPU 410. Сдвиговый регистр 413 одобряет последовательные потоки данных от подблоков модема, используемых для передачи данных (будет рассмотрено ниже), и посылает последовательные потоки данных к подблокам модема, используемым для приема данных (также будет рассмотрено ниже) и делает цепь повторителя подходящей в качестве универсального структурного элемента внешнего интерфейса для осуществлений модема. Сдвиговый регистр 413 может также быть цепью универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART).
Способ вмещения повторителей во вращающемся соединении не является единственным возможным способом. Фиг. 15 изображает концептуально соединительный замок, и в частности конец 31 муфты звена трубы, с установленным "кнопочным" повторителем 230 или "кнопочным" узлом 250. "Кнопка" содержит электронные средства повторителей и аккумулятор, герметично уплотнена от внешней среды и закручена в полость, проточенную в соединительный замок. Электрические подключения внутри соединительного замка подключают повторитель к средству соединения муфты, установленному внутри муфты, и к кабелю, тянущемуся через соединительный замок (кабели и средство соединения не показаны на фиг. 15).
Фиг. 16 изображает концептуально цепь повторителя, подходящую для "кнопочной" конфигурации. В этом случае, кнопка электрически соединена с одним или несколькими (как показано) сегментами 173 антенны средства 61 соединения муфты. Как показано, в этом примере "T"-образная конфигурация была осуществлена без ключей и с непосредственными соединениями между сегментами средства соединения и кабельными сегментами. Таким образом, некоторые функциональные возможности повторителя, описанные выше, не применимы к этой цепи, однако, остальная цепь не требует объяснений ввиду описаний выше.
Из вышеприведенного описания должно стать ясно специалистам в данной области техники, что описанные повторитель или цепи внешнего интерфейса RF осуществляют простые и потому надежные способы для передачи данных через произвольные расстояния на высоких скоростях данных с низкими требованиями к мощности для каждого повторителя. Цепи имеют признак в виде возможности входить в низкомощностные состояния в отсутствии связи, возможности пробуждаться в пределах микросекунд для выполнения задач связи и потреблять мало аккумуляторной мощности даже в полностью рабочем режиме. Дополнительно, цепи обеспечивают отказобезопасные функциональные возможности, обеспечивающие возможность связи даже при наличии отказавших повторителей. Таким образом, эти цепи исключительно хорошо подходят для размещения в удаленных и неблагоприятных средах, таких как под землей, где цепи должны быть миниатюризированы и не легкодоступны, например, для выполнения починки и/или для замены аккумуляторов.
Другим аспектом этих функциональных возможностей удаленного размещения является использование конкретных схем модуляции для переноса данных через систему связи, которая требует только минимальных функциональных возможности в плане кодирования и декодирования сигнала и модулирования и демодулирования сигнала в повторителях. Вместо этого такие функциональные возможности кодирования и модулирования могут быть объединены в конечные терминалы, т.е. поверхностный интерфейс, скважинный интерфейс и (если имеются) узлы. Существенных ограничений пространства и мощности, применимых к повторителям, не существует или они могут быть ослаблены для интерфейсов и узлов. Далее будут раскрыты схемы модуляции и кодирования, которые демонстрируют свойство требования только простых и низкомощностных повторителей для передачи данных на высоких скоростях с использованием коротких импульсов радиочастотной энергии.
Пример линейного кода импульсно-кодовой модуляции (PCM), подходящего для системы передачи данных, описанной выше, изображен на фиг. 17a. Последовательность импульсов, где каждый импульс может быть короткой вспышкой высокочастотного несущего сигнала, кодирует последовательность бит. Равномерно разнесенные "тактовые" импульсы ("C") устанавливают схему синхронизации, а импульсы "данных" ("D") представляют передаваемую информацию. Присутствие или отсутствие некоторого конкретного D-импульса представляет логическое "0" или "1" или наоборот, т.е. пара из одного C-импульса и одного D-импульса переносит 1 бит информации. Как показано на фиг. 17b, скорость передачи данных может быть увеличена путем изменения соотношения C- и D-импульсов так, чтобы фиксированное количество из более одного D-импульса следовало за каждым C-импульсом. В крайнем варианте самотактирующихся линейных кодов используются только D-импульсы. В случае линейного кодирования PCM, максимальная достижимая скорость передачи данных в первую очередь дается временной константой "удержания" "τ", описанной ранее. Если время "удержания" было установлено, например, равным 1 микросекунде, импульсы могут повторяться не быстрее чем, например 1,5 микросекунды. С учетом схемы кодирования с фиг. 17a, один бит передается за каждые два импульса (3 микросекунды в этом примере), в результате чего получается максимальная скорость передачи данных 333 кбит/с. С учетом схемы кодирования с фиг. 17b, три бита передается за каждые 4 импульса (6 микросекунд) при максимальной скорости передачи данных 500 кбит/с. PCM-коды энергетически относительно неэффективны, поскольку они требуют по меньшей мере одного импульса на бит. В отличие от этого, код(ы) PPM (фазово-импульсная модуляция), описанный ниже, передает множество бит за импульс.
Способ модуляции без возврата к нулю (NRZ), часто используемый в несинхронных последовательных линиях, может также отображаться в PCM-схему. Последовательный NRZ-формат состоит из начального бита, переменного количества битов данных, опционального бита четности, за чем следует 1, 1,5 или 2 стоповых бита. При отображении в PCM стартовый бит передается как "C"-импульс, биты данных и бит четности выражены как "D"-импульсы, и стоповые биты выражены как тишина переменной длины (импульсы не передаются). Преимущество использования NRZ, отображаемого в PCM, состоит в простоте, с которой оно может кодироваться и декодироваться, поскольку множество MPU уже содержат периферийные устройства USART, подходящие для этой задачи. Для настоящего рассмотрения, NRZ, отображаемое в PCM, объединено с другими PCM-кодами под обобщающим термином "PCM".
Первоочередными целями PCM-кодирования в настоящей системе являются (a) связь с низкоскоростными MPU, такими как размещенные в повторителях, для системного обслуживания и для установления связи, и (b) в качестве перехода на аварийный режим, низкоскоростные коды в случае нестабильностей системы, такие как высокое дрожание импульса, которое препятствует использованию более эффективных кодов, таких как PPM. Аварийные низкоскоростные режимы связи динамически выбираются в течение установления связи в случае, если модемы связи обнаруживают высокую частоту ошибочных бит (BER) при использовании более эффективных кодов, или могут быть выбраны вручную системным оператором. Как описано ниже, BER может быть оценена в течение этапа декодирования блочного кода исправления ошибок, например кода Рида-Соломона.
Фиг. 18 изображает код импульсно-фазовой модуляции (PPM), подходящий для системы передачи данных, описанной выше. Как и в PCM, последовательность импульсов, где каждый импульс может быть короткой вспышкой высокочастотного несущего сигнала, кодирует последовательность бит. В отличие от PCM, информация закодирована в расстоянии между импульсами, точнее во временных задержках между нарастающими фронтами радиочастотных вспышек. Поэтому PPM иногда называется модуляцией задержки импульсов (PDM). Для настоящего рассмотрения, PPM и PDM являются синонимами. Количество бит, которые могут быть закодированы таким образом, ограничено: (a) минимальным временем повторения импульса, (b) максимальным временем повторения импульса, и (c) неопределенностью в подсчитывании задержки кодирования информации. Последнее ограничение вызывается случайным, кратковременным дрожанием синхронизирующих импульсов между импульсами. Электронные цепи с фиг. 13, 14 и 16 были осуществлены для минимизации этого кратковременного дрожания, чтобы обеспечить возможность очень высоких скоростей данных при относительно простых электронных средствах повторителей. Осуществление PPM-кодирования посредством групповых кодов будет описано ниже.
Фиг. 19 изображает концептуально частичную структурную схему для модема, подходящего для системы передачи данных, описанной выше. Только те функциональные блоки, которые относятся к текущему рассмотрению, были включены на фиг. 19, поскольку дополнительно требуемые, и более общие этапы обработки передачи данных посредством модемов широко известны в данной области техники. Рассматриваемые функциональные блоки могут быть грубо сгруппированы в кодеки (кодер/декодеры) 510 и модемы (модулятор/демодуляторы) 530. Очевидно, что термин "модем" перегружен, поскольку он применим к устройству в целом, но также и к функциональным блокам, выполняющим задачи модуляции и демодуляции. Цифровой исходящий поток 511 данных должен быть передан через систему передачи данных и должен быть конвертирован в идентичный входящий поток данных 521 в различных местоположениях в системе передачи данных. Соответственно, все местоположения (поверхностная система, скважинная BHA-система, узлы на колонне), которые имеют входящие и/или исходящие потоки данных, требуют по меньшей мере один модем на каждое из них.
Как показано на фиг. 19, сегмент 510 кодеков содержит функциональные блоки для используемых способов модуляции, в частности PCM-кодеры 514 и PCM-декодеры 524, PPM-кодеры 516 и PPM-декодеры 526, и другие кодеры 518 и декодеры 528 и другие модуляторы 536 и демодуляторы 546 при необходимости. Маршрутизация через верные кодеры, модуляторы, демодуляторы и декодеры выполняется микропроцессорным блоком (MPU) 548. Способы кодирования и модуляции могут быть выбраны динамически на основе рабочего режима телеметрической системы, например установление связи, обслуживание, проверка, низкоскоростная операция, высокоскоростная операция, ожидание, режим нестабильной работы (ослабленная система допускает только низкоскоростной трафик связи) и так далее. Кодирование и модуляция могут также быть выбраны статически путем вмешательства человека-оператора, которое может происходить локальным или удаленным образом, или путем программирования.
Первым этапом, изображенным в форматировании исходящего потока данных, является "кадрирование" 512, при котором данные разделяются на порции фиксированного размера; и прямое исправление ошибок (FEC). На FEC-этапе к каждому кадру добавляется информация четности, которая обеспечивает возможность приемнику восстановить верную информацию из поврежденных кадров. Эта процедура исправления ошибок вместе с обратным кадрированием данных выполняется на блоке 522. В любой момент времени выбирается один из нескольких возможных путей через секцию кодека и модема. Выбранный модулятор 532, 534 или 536 приводит в действие электронные средства 540 радиочастотного (RF) внешнего интерфейса. В случае модема для узла внутри колонны цепь внешнего интерфейса RF в сущности идентична показанной на фиг. 14. Для конечных терминалов цепь может тривиальным образом быть получена из фиг. 14 путем опускания второго средства соединения, цепей, ассоциированных с вторым средством соединения, таких как усилители 420 мощности, диоды 422 и средство(-а) 424 обнаружения, и опускания ключей 236. Внешние интерфейсы 540 RF в зависимости от конкретного осуществления осуществляют интерфейс с кабелями и/или со средствами соединения путем посылания и приема радиочастотных импульсов. Далее будут рассмотрены выбранные функциональные блоки с фиг. 19. Поскольку способы для PCM-кодирования широко известны в данной области техники, операция элементов 514, 532, 542 и 524 полагается хорошо понятной специалистам в данной области техники, и рассмотрение будет сосредоточено на функциональных блоках в путях данных PPM.
Первым функциональным блоком, который следует рассмотреть, является блок 512 кадрирования/FEC, изображенный концептуально в упрощенной форме на фиг. 20. Исходящий поток данных проходит через буфер 5121 задержки и разделяется на порции фиксированных кадров и временно сохраняется в буфере 5122 кадров. Блок 5125 вычисления четности выполняет вычисление с кодированием Рида-Соломона и добавляет получившиеся в результате данные четности в буфер 5122 кадров. Символьный размер стандартно выбирается равным 8 бит (1 байт), что ограничивает размер наибольшего кадра 255 байтами. Было обнаружено, что имеет преимущества предварительное определение различных размеров кадров от нескольких байт до 255 байт. Соответственно, вычисление четности Рида-Соломона добавляет переменное количество байт четности. В качестве примера было обнаружено, что имеет преимущества определение наибольшего размера порции данных равным 246 байт, к которому добавляются 8 байт четности для суммарного размера кадра 254 байта. За буфером кадров следует средство 5123 перемежения/скремблирования, которое выполняет пересортировку данных внутри кадра. Эта процедура помогает с восстановлением данных из кадров, поврежденных пакетными ошибками. Получающийся в результате кадр теперь содержит только данные, хотя и закодированные избыточным образом так, чтобы исходные данные могли быть восстановлены из случайным образом поврежденных принятых кадров. Скремблированный кадр опционально сериализуется посредством сдвигового регистра 5124 (сериализация зависит от особенностей осуществления аппаратных средств) и передается к кодеру(-ам). Этапы перемежения и обратного перемежения могут быть опущены, например, когда осуществляется связь с базовыми повторителями и/или простыми узлами, у которых отсутствуют аппаратные средства и/или вычислительные возможности для выполнения необходимых вычислений в реальном времени.
Настоящее рассмотрение представляет коды Рида-Соломона как предпочтительные блочные коды для использования. Причина заключается в том, что коды Рида-Соломона являются самыми эффективными блочными кодами, поскольку они предлагают наибольшие хемминговы расстояния с учетом предварительно определенного количества символов, которые должны быть закодированы, и с учетом предварительно определенного количества доступных символов четности. Разумеется, другие блочные коды могут также быть использованы и находятся в пределах объема изобретения. Этапы блочного кодирования и декодирования могут быть пропущены, например, при осуществлении связи с базовыми повторителями и/или простыми узлами, у которых отсутствуют аппаратные средства и/или вычислительные возможности для выполнения необходимых вычислений в реальном времени. Хорошие ссылки для способов и осуществлений кодеров Рида-Соломона и цепей обнаружения и исправления ошибок можно найти в работе: "Исправление ошибок Рида-Соломона" ("Reed-Solomon error correction"), К.К.П. Кларк, R&D White Paper WHP 031, Британская радиовещательная корпорация, июль 2002 г.
Настоящее изобретение представляет коды с ограничением длины поля (RLL) и в частности EMF, EMFPlus и EMFPlus2 (будут рассмотрены ниже) в качестве предпочтительных групповых кодов для использования. Групповые коды и запись группового кодирования (GCR) более эффективны в плане использования полосы частот канала, чем негрупповые коды. Разумеется, также и другие групповые коды могут быть использованы и находятся в пределах объема изобретения. Как показано в этом рассмотрении, блочные коды и групповые коды могут быть использованы вместе для высокой эффективности канала и высокой способности исправления ошибок. Этапы группового кодирования и декодирования могут быть пропущены, например, при осуществлении связи с базовыми повторителями и/или простыми узлами, у которых отсутствуют аппаратные средства и/или вычислительные возможности для выполнения необходимых вычислений в реальном времени.
PPM-кодер 516 показан на фиг. 21. Его логика частично основана на способах кодирования EMF и EMFPlus для компакт-дисков (CD) и DVD, соответственно. Подробности о EMF и EMFPlus можно найти в "Принципы цифрового аудио" ("Principles of Digital Audio"), 6-е редакция, Кен К. Полман, McGraw-Hill, Нью-Йорк, 2011 г., гл. 7 и 8. Как в EMF, так и в EMFPlus 8-битное слово (соответствующее одному символу Рида-Соломона) конвертируется в 14-битное слово с использованием одной или нескольких таблиц кодов с ограничением длины поля (RLL 2,10). Пара RLL-параметров (2,10) сигнализирует, что минимальное расстояние между любым двумя последовательными переходами "0/1" или "1/0" в закодированном битовом потоке равно двум (2) битам, и максимальное расстояние между любыми двумя последовательными переходами "0/1" или "1/0" равно десяти (10) битам. Поскольку никакие входные данные не могут вызывать удлиненный закодированный битовый поток без импульсов, все способы модуляции на основе RLL являются самотактующимися.
В EMF два 14-битных кодовых слова разделены тремя (3) битами; в EMFPlus два 14-битных кодовых слова разделены двумя (2) битами. Следовательно, требуется 17 линейных тактовых циклов, чтобы вывести 8-битный входной байт с использованием EFM, и 16 линейных тактовых циклов с использованием EMFPlus. Следовательно, EMFPlus приблизительно на 6 % более эффективен, чем EMF, за счет существенно более сложных кодирования и декодирования, задействующих машину состояний и множество таблиц кодов. В контексте настоящего изобретения было обнаружено, что путем модификации таблиц кодов EMF и путем ослабления требований низкочастотного управления, необходимых для CD и DVD, но не для целей настоящего изобретения, простота EMF и эффективность EMFPlus могут комбинироваться. Новый способ кодирования может называться "EMFPlus2".
Как показано на фиг. 21, два последовательных сдвиговых регистра 5161 и 5162 буферизуют два байта от блока 512 кадрирования/FEC. Эти два байта закодированы в 14 бит каждый с использованием кодовых таблиц 5163 и 5164 EMF. Кодовые таблицы были оптимизированы для описанной системы передачи данных и не идентичны кодовым таблицам, используемым в CD- и/или DVD-кодировании. Из двух 14-битных кодовых слов, логический блок 5165 связующих бит вычисляет два связующих бита. Связующие биты не кодируют информацию, но сохраняют требование (2,10), накладываемое RLL-схемой. Наконец, каждое 16-битное (14+2) слово опционально сериализуется и передается к PPM-модулятору 534 сдвиговым регистром 5166. Исключением из правила (2,10) являются конкретные схемы синхронизации, которые встраиваются в выходной поток кодером(-ами) для сигнализирования границ между кадрами. Эти схемы целенаправленно нарушают правило (2,10) с 11 или 12 периодами времени между импульсами, что делает схемы синхронизации простыми для обнаружения декодером(-ами).
Очевидно, что вместо EMFPlus2 могут быть использованы классический EMF-способ или EMFPlus-способ. В EMF три (3) связующих бита необходимо между 14-битными кодовыми словами, чтобы обеспечить выбранное RLL-условие, тем самым уменьшая эффективность кодирования и пропускную способность данных. В EMFPlus необходимо только два (2) связующих бита; однако кодирование и декодирование делаются более сложными из-за использования множества таблиц 5164 преобразований. Выбор активной таблицы 5164 преобразований осуществляется машиной состояний, состояние которой зависит от прошлых закодированных слов. Таким образом, случайные ошибки, возникающие в течение передачи данных, могут распространяться также и на следующие кодовые слова, что усложняет инструктирование о восстановлении от одной ошибки передачи.
В примерном осуществлении PPM-модулятор 534 тривиален. Синхронизация с линейным тактовым сигналом уже установлена тактовым сигналом последовательных данных, и PPM-модуляция уменьшена до операции создания RF-импульса для каждой "1" в кодовом битовом потоке и паузы для каждого "0" в битовом потоке кодовых слов. Продолжая пример, данный выше, для временной константы удержания "τ", равной 1 микросекунде, импульсы могут повторяться не быстрее чем, например, один в 1,5 микросекунды. Из схемы RLL(2,10) непосредственно следует наивысшая возможная частота линейных тактовых сигналов, равная 2 МГц с периодом 0,5 микросекунды. Следовательно, требуется 16×0,5=8 микросекунд для передачи 1-байтового символа, в результате чего получается максимальная линейная скорость передачи данных, равная 1 Мбит/с. Это лучше, чем PCM-способы, рассмотренные выше, на коэффициенты 2 и 3, в то время как PPM также предлагает сильно улучшенную энергетическую эффективность ввиду более редкого генерирования RF-импульсов. Для примерного вычисления, данного выше, PPM-режим со скоростью передачи данных, равной 1 Мбит/с, требует, в среднем, около одного импульса каждые 2 микросекунды, или 0,5 импульсов на бит. Для сравнения, простой PCM-код с фиг. 17a потребляет два (2) импульса на бит. Благодаря простоте PPM-модулятора, последовательный кодовый поток может передаваться без модификации к электронным RF-средствам 540, которые выполняют последний этап в последовательности модуляции.
Функции PPM-демодулятора 544 и PPM-декодера 526 проще понять вместе с использованием упрощенной структурной схемы с фиг. 22. Блок 5441 восстановления тактовых сигналов и данных (CDR) передискретизирует сырые огибающие импульсов, обнаруженные внешним интерфейсом 540 RF. CDR обычно содержит контур фазовой синхронизации (PLL), который восстанавливает тактовый сигнал передачи, встроенный в поток импульсов (поток импульсов является самотактующимся, как рассмотрено выше). PLL отслеживает медленный дрейф тактового сигнала, который может быть вызван, например, изменениями температуры в тактирующих цепях передатчика. CDR выводит обратно-дискретизированную версию сырого потока данных линейного кода, вместе с восстановленным линейным тактовым сигналом к сдвиговому регистру 5442. Сдвиговый регистр 5442 выводит 14 бит за раз к таблице 5444 EMF-кодов обратного преобразования, которая испускает 8-битный символ. Параллельно цепь 5443 RLL-проверки удостоверяется, что условие RLL (2,10) удовлетворено во входном потоке; в противном случае устанавливается флаг ошибки. Исключениями из этого правила являются конкретные схемы синхронизации, которые встраиваются во входной поток кодером(-ами) для сигнализирования границ между кадрами. Эти схемы целенаправленно нарушают правило (2,10) с 11 или 12 периодами времени без импульса, что обеспечивает возможность простого их обнаружения во входном потоке с использованием цепи 5445 обнаружения SYNC. Декодированный 8-битный символ, вместе с флагами синхронизации и ошибки, передается к блоку 522 исправления ошибок и обратного кадрирования.
Фиг. 23 изображает очень упрощенную структурную схему блока исправления ошибок и обратного кадрирования 522. Обратно-кадированные данные, т.е. поток символов, опционально подается к сдвиговому регистру 5221 обратной сериализации, из которого данные входят, в случае скремблированных/чередуемых входных данных, в средство 5222 обратного скремблирования/обратного перемежения, которое выполняет операцию, обратную по отношению к средству 5123 скремблирования/перемежения (фиг. 20). Обратно скремблированные данные должны быть временно сохранены в буфере 5223 кадров, в то время как блок 5224 вычисления синдрома выполняет последовательность делений многочленов для определения значений синдрома для буферизованных данных. Верные данные характеризуются всеми синдромами, которые являются нулевым символом ("0"). Если не все синдромы равны 0, блок 5225 исправления ошибок Рида-Соломона вычисляет: (a) наиболее вероятные местоположения ошибок на основе символов, и (b) верные символы. Для примера, обеспеченного 8 символами четности, встроенными в 254-байтовый кадр, может быть вычислено вплоть до 4 местоположений ошибок и вплоть до 4 ошибочных значений, т.е. может быть исправлено вплоть до 4 поврежденных символов в заранее неизвестных местоположениях внутри 254-байтового кадра. Предполагая, что символы повреждены ввиду ошибок в случайных битах, 4 испорченных бита в 8×254=2032-битовом кадре являются допустимыми. Это соответствует максимальной приемлемой частоте ошибочных битов (BER) в этом примере, равной 0,197%.
Блок 5225 исправления выполняет требуемые модификации над данными в буфере 5223 кадров и затем выпускает данные к сдвиговому регистру 5226 для выхода. Освобождаются от этой процедуры символы синхронизации, которые располагаются вне пространства кодовой книги и потому тоже не соответствуют символу в пространстве символов Рида-Соломона. Вместо этого символы синхронизации управляют процессом обратного кадрирования путем сигнализирования границ кадров средству 5222 обратного скремблирования и буферу 5223 кадров.
Другими выходными данными от блока 522 исправления ошибок и обратного кадрирования является оценка частоты ошибочных бит (BER) канала связи. Каждый ненулевой синдром указывает испорченный символ, принятый ввиду по меньшей мере одного ошибочного бита. Обычно частота ошибочных символов должна быть очень низкой, но не должна быть нулевой, для указания верно работающей системы связи. MPU 548 (фиг. 19) может непрерывно отслеживать частоту ошибочных символов, обнаруженную блоком 522 исправления ошибок, и может предпринимать действия по исправлению, если частота ошибочных символов достигнет недопустимо высокого уровня. В таких случаях, MPU 548 может переключаться на другую схему кодирования и/или на более низкую скорость передачи данных. В большинстве случаев проблемы аппаратных средств дают в результате избыточное дрожание импульса, которое отрицательно сказывается на большинстве PPM-режимов с наивысшими скоростями данных. Таким образом, переключение к PCM и/или понижение скорости передачи данных может смягчить проблему. Новые параметры связи транслируются по сети с использованием фазы "установления связи", описанной ниже.
Следует заметить, что на протяжении настоящего описания роли скважинного (BHA) интерфейса и роли поверхностного интерфейса взаимозаменяемы. Любой из интерфейсов может принять на себя роль "ведущего средства связи". Дополнительно могут быть "интеллектуальные" узлы, обеспеченные на трубной колонне, которые также могут принять на себя роль ведущего средства связи. Различные линии связи могут быть установлены между скважинным интерфейсом и таким интеллектуальным узлом, между самими интеллектуальными узлами и между интеллектуальными узлами и поверхностным интерфейсом согласно изобретению. Такое множество передач сигналов может происходить последовательно или может происходить параллельно. Этот признак, в частности, полезен в буровых операциях, поскольку бурильная колонна и, следовательно, система связи динамически конфигурируются. В течение нормальных буровых операций, поверхностная система управления периодически отсоединяется, чтобы обеспечить возможность добавления дополнительных звеньев труб к бурильной колонне. В течение спускоподъемных операций ("спуска в скважину" и "подъема из скважины") поверхностная система управления может быть отсоединена довольно продолжительное время от трубной колонны. Также возможно обеспечить возможность трубной колонне "висеть в клиновых захватах", т.е. зафиксировать самое верхнее звено трубы на поверхности без подключения вершины этого самого верхнего звена трубы. Обычно, во всех этих ситуациях контрольно-измерительные приборы BHA не могут приводиться в действие гидравлическим образом посредством грязевого потока, но вместо этого приводятся в действие посредством аккумуляторов, как и большинство компонентов системы передачи данных. Таким образом, система передачи данных сохраняет состояние полной работоспособности даже без способности подключения на поверхности. Скважинный (BHA) интерфейс или узел внутри колонны может принять на себя управление системой передачи данных и может отслеживать и/или осуществлять связь с компонентами системы передачи данных. Конкретным преимуществом этих функциональных возможностей является непрерывное наблюдение за скважиной, горными породами, окружающими ее, и жидкостями, содержащимися в буровой скважине и горных породах. Данные могут собираться беспрерывным образом и независимо от строительства скважины. Если в более поздний момент времени поверхностная система управления будет повторно подключена, данные, собранные в течение периода времени без подключения к поверхностной системе, могут быть выгружены. Следует заметить, что на протяжении этого описания термины "выгрузка" и "загрузка" не относятся к конкретному физическому направлению потока данных.
Примерный цикл связи концептуально изображен на временной схеме с фиг. 24. Специализированное "ведущее средство связи", которым может быть, например, поверхностный интерфейс или может быть скважинный интерфейс, инициирует связь путем передачи "пробуждающего" импульса 610, который распространяется через всю последовательность связи посредством повторения импульса, как описано выше. "Пробуждающий" импульс 610 служит для перевода повторителей, узлов, модема и т.д. из низкомощностного состояния в состояние более высокой готовности. Все такие интерфейсы могут выполнять самодиагностику в это время. "Пробуждающий" импульс 610 может иметь более долгую продолжительность, чем обычные импульсы, или может иметь другие признаки, которые отличают его от других импульсов, такие как его частота, его фаза, его форма и/или его амплитуда. Пробуждающий импульс 610 может также осуществляться как последовательность импульсов, например быстрая серия импульсов, которая целенаправленно нарушает минимальное время повторения импульсов выбранной схемы PPM RLL. За этим следует фаза 620 "установления связи", в которой ведущее средство связи устанавливает параметры связи, такие как способ модуляции, скорость передачи данных, скорость повторения импульсов, режим цикла связи и т.д. Фаза 620 установления может обычно быть передана как единственный кадр. Для того чтобы быть узнаваемыми для простых повторителей или узлов, импульсы фазы установления обычно передаются в PCM (которая может включать в себя отображение NRZ в PCM, как описано выше). В зависимости от выбранного режима связи, может требоваться фаза переключения направлений, чтобы освободить всю линию передачи от импульсов. Такое переключение может занимать обычно 0,1-1 мс. Затем следует выбранная связь, в которой обычно последовательность кадров 630 данных передается на основе протокола связи, выбранного ведущим средством связи. После такой передачи данных линия переходит в состояние тишины, чтобы достичь переключения связи при необходимости и просигнализировать о конце текущего цикла связи. Повторители, узлы и т.д. могут входить в низкомощностные режимы на данном этапе. Как показано на фиг. 24, следующий цикл начинается другим пробуждающим импульсом 610. Кадры данных 630 опциональны; например, для инициации повторных установлений, или самопроверок, или изменений режима, никакие кадры данных, кроме кадра 620, могут не требоваться.
Другой целью фазы/кадра 620 "установления связи" может быть общесистемное распределение времени. Текущее время может быть выражено как количество "тактов" (такт может быть равен 1 миллисекунде) от предварительно определенной даты и времени в прошлом. Ввиду очень быстрого распространения импульса в настоящей системе связи, все узлы, которые требуют информации в реальном времени, могут синхронизироваться с точностью до одного "такта" путем включения текущего времени в качестве многобайтового слова в кадре 620. Таким образом, может обеспечивать преимущества обеспечение возможности ведущему средству связи также быть "ведущим средством синхронизации". В качестве альтернативы, информация времени может передаваться внутри кадра 630 данных. Поскольку поверхностная система имеет доступ к наиболее точным источникам тактовых сигналов, например через сети установки или через интерфейс глобальной системы позиционирования (GPS), могут обеспечиваться преимущества, если ведущим средством связи будет поверхностный интерфейс. Для большинства применений, точности в 1 миллисекунду достаточно. Точность менее одной миллисекунды может достигаться путем учитывания задержки распространения от ведущего средства связи до узла приема, как описано ниже.
На фиг. 25a-25c, изображены различные возможные циклы связи для выгрузок данных на основе временной схемы с фиг. 24. Общим для схем 25a-25c является цель "выгрузки" данных от узла или от множества узлов к приемнику данных, которым может, например, быть поверхностный интерфейс или скважинный интерфейс. Фиг. 25a изображает самый простой пример, в котором один узел выгружает данные путем передачи множества кадров данных 630, как назначено в течение фазы 620 установления связи. Данные от другого узла могут быть выгружены в другом цикле связи, и так далее.
Фиг. 25b и 25c изображают возможности для осуществления выгрузки с множеством узлов. В системе связи, содержащей много узлов, которые собирают данные, определенно имеет преимущества использование как можно меньшего количества циклов связи для получения как можно большего количества данных. Это, в частности, истинно для случая распределенных датчиков, которые генерируют только небольшие количества данных и/или данные которых должны запрашиваться только в редких случаях. Как показано на фиг. 25b, в цикле выгрузки с множеством узлов узлы передачи поочередно передают свои кадры данных внутри выделенного периода последовательности, следующего за переключением направления. Чтобы эта функция выполнялась верным образом, узлы должны иметь возможность по меньшей мере распознать интервалы в передачах, следующих за периодом выгрузки одного узла. Также желательно, чтобы узлам были назначены порядковые номера для того, чтобы следовать фиксированному планированию в чередовании для передачи кадров данных.
Одно осуществление назначения порядкового номера использует физические интерфейсы повторителей и узлов. Как рассмотрено, "параллельные" конфигурации содержат электронные ключи 236, которые разбивают линию 300 передачи в точках активных и верным образом функционирующих повторителей и/или узлов. Таким образом, входя в последовательность "пересчета", как указано в фазе 620 установки, повторители и/или узлы инструктируются: (a) сохранять ключи 236 открытыми в течение фазы выгрузки с множеством узлов, и (b) реагировать на входящий кадр данных с порядковым номером путем передачи далее кадра данных с порядковым номером, содержащего порядковый номер с приращением. Повторитель или узел сохраняет принятый порядковый номер как свой собственный динамически выделенный порядковый номер и использует этот номер для нахождения своего выделенного интервала в последующих последовательностях выгрузки с множеством узлов. В качестве альтернативы, повторитель или узел может выделять для себя диапазон последовательных порядковых номеров путем передачи далее следующего более высокого порядкового номера. Ведущее средство связи инициирует процесс назначения динамических порядковых номеров (DSNA) путем назначения диапазона порядковых номеров себе, начиная с номера 0, и путем передачи далее кадра со следующим свободным порядковым номером. По приему повторитель или узел, физически следующий в линии, назначает входящий номер себе, выполняет приращение порядкового номера на по меньшей мере 1 и передает далее новый кадр с новым номером следующему повторителю/узлу в линии. Этапы процесса DSNA повторяются, пока всем функционирующим повторителям и/или узлам, которые требуют такого назначения порядкового номера, не будут назначены динамические порядковые номера. Обычно DSNA может происходить после того, как компоненты трубной колонны были добавлены или удалены, или в любое другое время после того, как конфигурация сети могла измениться. Поскольку DSNA может требовать вмешательства MPU, оно может осуществляться в PCM-режиме для обслуживания более медленной скорости MPU.
После того, как DSNA выполнено, все узлы, которые требуют менее чем миллисекундной разрешающей способности во времени, могут регулировать свои внутренние тактовые сигналы путем оценки времени задержки между передачей текущей информации времени и ее приемом на конкретном узле. Поскольку обычно каждому повторителю и каждому узлу назначен номер, полное расстояние между ведущим средством времени и узлом может оцениваться путем умножения DSNA-номера узла на среднее время задержки за расстояние повторителя. Это время "скачковой" задержки почти постоянно, поскольку оно содержит (a) длину кабеля, поделенную на скорость кабеля, и (b) время задержки отклика повторителя. Эти параметры хорошо известны заранее. Путем прибавления оцененного времени задержки передачи к принятой информации времени, узел может достигать точности до менее чем миллисекунды своего внутреннего генератора тактового сигнала без необходимости для дорогостоящих высокоточных скважинных генераторов тактовых сигналов.
В качестве дополнения к динамическим порядковым номерам повторителя/узла, назначаемым DSNA, также имеет преимущества сохранение статических, уникальных порядковых номеров в каждом повторителе и/или узле. Посредством статических порядковых номеров история изготовления и использования каждого повторителя/узла может быть найдена. В другом примере выгрузки данных с одним узлом и/или множеством узлов в так называемом цикле "переклички" каждый повторитель и/или узел отвечает на установление связи/запрос "переклички" путем выгрузки своих статического и динамического порядковых номеров, своего внутреннего состояния и состояния работоспособности (такого как напряжение аккумулятора) и вычисленной оценки израсходованного заряда аккумулятора в соответствии с оцененным оставшимся сроком службы аккумулятора на основе некоторого количества известных, измеренных и/или оцененных параметров, как описано выше. Нефункционирующие повторители/узлы не реагируют на запрос "переклички", что является условием, которое ведущее средство связи может обнаруживать и помечать флагом как скрытую системную проблему путем сравнения истории всех перекличек в течение настоящего развертывания. Исследование такого журнала истории может сразу выявить неожиданно отсутствующие, т.е. претерпевшие сбой, повторители и узлы.
Фиг. 25c подробно изображает другую возможную последовательность выгрузки с множеством узлов. В отличие от фиг. 25b, где выгрузка узлов завершает кадры данных, выгрузка на фиг. 25c проходит перемежающимся образом, как указано пересекающимися линиями, соединяющими фиг. 25b и 25c. Хотя могут выгружаться те же самые данные, что и на фиг. 25b, последовательность такая, чтобы узлы чередовались (в порядке их динамических порядковых номеров) в передаче малых порций данных, которые агрегируются в кадры. Цель перемежающихся выгрузок заключается в более высокой эффективности передачи путем формирования наибольших возможных кадров данных и, следовательно, максимального сокращения времени простоя линии передачи между кадрами.
Фиг. 26a-26c изображают последовательности "нисходящей линии связи" или "записи" с одним узлом и с множеством узлов. Временные схемы соответствуют фиг. 25a-25c, и применимы аналогичные описания. На фиг. 26a-26c, однако, данные записываются для узла или для множества узлов. Возможные случаи включают в себя: данные, записанные для одного узла, одни и те же данные, записанные для множества узлов, и другое множество данных, записанных для множества узлов. Очевидно, что последовательности одиночных данных, переносов с одним узлом, будет достаточно во всех таких случаях, однако последовательности, обеспеченные на фиг. 26b и 26c, сильно увеличивают эффективность переносов за счет того, что они занимают настолько мало, насколько это возможно, циклов связи и за счет формирования наибольших возможных кадров данных, согласующихся с переносимыми данными.
Последовательности сообщений, изображенные на фиг. 24-26c, хорошо подходят для приоритетной связи. В общем, каждая последовательность передач независима и имеет относительно короткую продолжительность. Таким образом, низкоприоритетные сетевые служебные последовательности и/или низкоприоритетные выгрузки данных датчиков могут свободно перемежаться с высокоприоритетными выгрузками данных и/или высокоприоритетными управляющими функциями. Полное управление сетью и связью осуществляется ведущим средством связи, которое может планировать высокоприоритетные сообщения и/или переносы данных без помех или сильных задержек ввиду более низкоприоритетных сетевых функций. Кроме того, ведущее средство связи осуществляет физическое управление сетью, поскольку повторители или узлы с нарушенной связью вытесняются из сети их встроенной логикой оценки исправности и отказобезопасной логикой.
Несущественные изменения относительно заявляемого изобретения, рассматриваемые обычным специалистом в данной области техники, ныне известные или разработанные в будущем, в явной форме предполагаются как в той же мере охватываемые объемом формулы изобретения. Таким образом, очевидные замещения, известные сейчас или в будущем обычному специалисту в данной области техники, определяются как не выходящие за пределы объема определенных элементов.