一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法与流程

本发明涉及石油、天然气、煤矿等随钻测量
技术领域：
，具体是一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法。
背景技术：
：按照传输介质的不同，无线随钻测量系统分为声波、泥浆脉冲和电磁波三种传输方式。其中声波传输信号衰减大且受环境干扰严重；泥浆脉冲可靠性高能够用于远距离传输且操作方便，但信号传输速率低。电磁波不受钻井液影响，能应用于泡沫钻井和气体钻井，在传输速率上得到一定提高，但受信号衰减影响大，传输距离受到限制。无线随钻测量系统分为井下仪器和地面仪器，其中井下仪器从传感器获取工程参数，经编码、调制、放大后形成发射信号，地面仪器完成信号接收、信号调理、信号处理和数据解调/解码。该系统主要传输钻头的工程参数，需要传递的信息量小，通常采用较短的码长。bch码是线性分组码中的一个重要子类，bch码构造方便，编码简单，译码易于实现，在短码长情况下具有较好的误码率性能，并且bch码具有完备的代数理论支撑，是目前研究最透彻的一种纠错码。若无线电磁随钻测量传输系统信道编码采用线性分组码方案，因硬判决译码复杂度低但无法获得较好的误码率性能，选用软判决译码算法十分必要。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前无线随钻测量传输系统信号传输速率低或提高信号传输速率会受信号衰减影响、传输距离受限制的技术缺陷，提供一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法解决上述问题。一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法，具体步骤如下：步骤11，井下仪器将待发送信息m采用bch码的编码方法进行编码，得到序列e；步骤12，井下仪器将编码后的序列e经调制和放大后发送出去；步骤13，地面仪器中从接收信号中进行解调，得到接收序列r；步骤14，对接收序列r采用一种软判决译码算法进行译码。进一步的，所述的步骤12中bch码的编码方法具体步骤如下：步骤21，根据总码长n在有限域gf(q)上选取一个次数为m的既约多项式，并构造gf(qm)，其中q为素数或素数幂，通常取2，m为某一正整数，当q取2时m与n满足n＝2m-1，gf(qm)一共包含n个元素，任意gf(qm)都包含元素0，αi为其余n-1个元素的幂次表示，i可取的值为0，1，2，…，n-2；步骤22，求gf(qm)的元素αi，i＝1,3,…2t-1的最小多项式mi(x)，其中t表示bch码的纠错能力，对于任意正整数m和t，一定存在二进制bch码以α，α3，…，α2t-1为根，码长n＝2m-1，可纠正t个错误，正整数m和t与总码长n和信息序列长度k之间满足mt≥n-k；步骤23，构造可纠t个错误的生成多项式g(x)＝m1(x)m3(x)…m2t-1(x)；步骤24，根据生成多项式构造矩阵g1＝[xk-1g(x)…x2g(x)xg(x)g(x)]t，经行变换将矩阵g1左侧的k个列向量构成的方阵变换为单位矩阵，从而得到编码矩阵g，其中k＝k为信息序列长度；步骤25，根据公式e＝mg完成编码，其中m和e分别为步骤11中的待发送信息和经编码后得到的序列，g为步骤24中求得的编码矩阵。进一步的，所述的步骤14中一种软判决译码算法的具体步骤如下：步骤31，对接收序列r进行硬判决得到硬判决输出hd_r；步骤32，根据接收序列r确定不可靠比特位置集合具体方法如下：在接收序列r中搜索置信度最小的前p1个位置，在这p1个位置中选择其中的0到p个位置，遍历所有的组合将所有可能的种选择列举出来，构造不可靠位置集合t，对不可靠位置集合t中每一组不可靠位置ti执行步骤33到步骤36；步骤33，根据步骤32中给出的一组不可靠位置ti，假定硬判决输出hd_r中对应的位置译码全部出错生成测试序列集合c＝hd_r+ti；步骤34，对测试码字c进行硬判决译码得到有效码字d，将有效码字d作为译码结果暂存到rflag中，其中rflag为存储器，用于存储有效码字d，flag的初始值为0；步骤35，计算有效码字d与接收序列r之间的欧氏距离并将其暂存到eucflag中，其中eucflag为存储器，用于存储计算出的欧氏距离；步骤36，如果eucflag＞euc_min，令flag＝1-flag，euc_min不变，否则令euc_min＝eucflag，flag不变，其中euc_min为浮点型变量，其初始值为+∞，实际操作中一般取较大的正数，例如：+1000.0；步骤37，将r1-flag中的译码结果作为最终软判决译码的结果输出。进一步的，所述的步骤34中对每一个测试码字c进行硬判决译码时采用如下步骤进行：步骤41，根据接收码多项式r(x)计算伴随式si(x)，i∈{1,2,…2t}，其中t为bch硬解码的纠错能力，将接收到的测试码字c写成多项式的形式：其中k1,k2,…,kj∈{1,2,…,n}，j≤n，然后根据公式计算出对应的伴随式；步骤42，用berlecamp迭代算法构造关于x的n阶多项式σ(x)，一共需要迭代2t+1次，其中σ(x)为错误位置多项式，前两次迭代直接赋初始值，每次迭代更新出新的σ(x)和d，最后一次迭代更新出的σ(x)即为所求，其中σ(j+1)表示第j次迭代时更新出的σ(x)，σk(j)表示σ(j)中xk对应的系数，d(j)表示σ(j)中x的最高次次数，dj+1表示第j次迭代时更新出的d值；以下是具体的计算方法：步骤42(a)，对j＝-1和j＝0时的σ(x)和d赋值如下：σ(-1)＝1，d(-1)＝0，d-1＝1，σ(0)＝1，d(0)＝0，d0＝s1(x)，然后从j＝0开始迭代，每次迭代j增加1，直到j＝2t-1，不断循环42(b)到42(d)步；步骤42(b)，选择合适的i，i必须满足i＜j，di≠0，且i-d(i)的值最大；步骤42(c)，判断dj是否为0，如果dj＝0直接令σ(j+1)＝σ(j)，否则根据公式更新出新的σ(j+1)；步骤42(d)，根据公式更新出新的dj；步骤43，采用chien搜索算法计算方程σ(x)＝0的解，x可能的取值一共有:0,α,α2,…,αn-1，将每一种可能的取值代入方程σ(x)＝0进行搜索，从中找出方程σ(x)＝0的所有解；步骤44，如果步骤43中方程解的个数等于多项式σ(x)中x是的最高次次数则硬判决校验通过，否则硬判决校验不通过，如果校验通过则方程的解即为测试码字c中的错误位置，将测试码字c中错误位置的信息更正即得到有效码字d。本算法的优点在于：对bch码的硬判决算法采用berlecamp迭代算法进行了优化；通过软判决译码算法给传输系统带来至少2db的编码增益；穷举的每一组译码结果具有即时性，最多只需要保存两组译码结果的数据，对存储空间不会有较大的影响。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1为本发明一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法示意图；图2为本发明的软判决译码算法的流程图；图3为本发明的总码长n＝31，信息序列长度k＝16，参数p＝2时bch软判决译码选择不同参数p1对应的误码率曲线图；图4为本发明的总码长n＝31，信息序列长度k＝16时bch软判决译码选择不同参数p对应的误码率曲线图；图5为本发明的总码长n＝31，信息序列长度k＝16和总码长n＝63，信息序列长度k＝36时bch硬判决译码与软判决译码误码率曲线的对比图。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。一种用于无线随钻测量传输系统的信道编码方法的流程如图1所示，无线随钻测量传输系统分为井下仪器和地面仪器两部分，具体采用以下方法接收和发送信息：步骤11，井下仪器将待发送信息m采用bch码的编码方法进行编码，得到序列e；步骤12，井下仪器将编码后的序列e经调制和放大后发送出去；步骤13，地面仪器中从接收信号中进行解调，得到接收序列r；步骤14，对接收序列r采用一种软判决译码算法进行译码。其中步骤11中bch码编码方法具体步骤如下：步骤21，根据总码长n在有限域gf(q)上选取一个次数为m的既约多项式，并构造gf(qm)；其中q为素数或素数幂，通常取2，m为某一正整数，m与n满足n＝2m-1。步骤22，求gf(qm)的元素αi，i＝1,3,…2t-1的最小多项式mi(x)；其中t表示bch码的纠错能力。步骤23，构造可纠t个错误的生成多项式g(x)＝m1(x)m3(x)…m2t-1(x)；计算生成多项式g(x)的步骤较为繁琐，一般直接通过查表得到。二元bch码码长n＝63和n＝31时的常用生成多项式如表1所示。nktg(x)八进制形式312614521235511631076571155423325673133650476345317013173941666235673651033500423306157464165547247173232604044411810136302651235172516116331141367235453表1步骤24，根据生成多项式构造矩阵g1＝[xk-1g(x)…x2g(x)xg(x)g(x)]t，经行变换将矩阵g1左侧的k个列向量构成的方阵变换为单位矩阵，从而得到编码矩阵g；其中k＝k为信息序列长度。步骤25，根据公式c＝mg完成编码。译码部分采用一种软判决算法进行译码，算法流程图如图2所示，具体步骤如下：步骤31，对接收序列r进行硬判决得到硬判决输出hd_r，初始化flag＝0，euc_min＝+∞；步骤32，确定不可靠比特位置集合，在接收序列r中搜索置信度最小的前p1个位置，在这p1个位置中选择其中的0到p个位置，将所有可能的种选择列举出来，构造不可靠位置集合t，对每一组不可靠位置ti执行步骤33到步骤36；步骤33，根据步骤32中给出的一组不可靠位置ti，假定硬判决输出hd_r中对应的位置译码全部出错生成测试序列集合c＝hd_r+ti；步骤34，对测试码字c进行硬判决译码得到有效码字d，将有效码字d作为译码结果暂存到rflag中；步骤35，计算有效码字d与接收序列r之间的欧氏距离并将其暂存到eucflag中；步骤36，如果eucflag＞euc_min，令flag＝1-flag，euc_min不变，否则令euc_min＝eucflag，flag不变；步骤37，将r1-flag中的译码结果作为最终软判决译码的结果输出。其中步骤34中硬判决译码的具体步骤如下：步骤41，根据接收码多项式r(x)计算伴随式si(x),i∈{1,2,…2t}；其中t为bch硬解码的纠错能力，将接收到测试码字写成多项式的形式：其中k1,k2,…,kj∈{1,2,…,n}，j≤n，然后写出对应的伴随式步骤42，用berlecamp迭代算法构造关于x的n阶多项式σ(x)，一共需要迭代2t+1次，其中前两次迭代直接赋初始值，每次迭代更新出新的σ(x)和d，最后一次迭代更新出的σ(x)即为所求；以下是具体的计算方法，其中σ(j+1)表示第j次迭代时更新出的σ(x)，σk(j)表示σ(j)中xk对应的系数，d(j)表示σ(j)中x的最高次次数，dj+1表示第j次迭代时更新出的d值。步骤42(a)，对j＝-1和j＝0时的参数赋值参数赋值如下：σ(-1)＝1，d(-1)＝0，d-1＝1，σ(0)＝1，d(0)＝0，d0＝s1(x)，然后从j＝0开始迭代，每次迭代j增加1，直到j＝2t-1，不断循环42(b)到42(d)步；步骤42(b)，选择合适的i，i必须满足i＜j，di≠0，且i-d(i)的值最大；步骤42(c)，判断dj是否为0，如果dj＝0直接令σ(j+1)＝σ(j)，否则根据公式更新出新的σ(j+1)；步骤42(d)，根据公式更新出新的dj。步骤43，采用chien搜索算法计算方程σ(x)＝0的解；其中x可能的取值一共有:0,α,α2,…,αn-1，将每一种可能的取值代入方程σ(x)＝0进行搜索，从中找出方程σ(x)＝0的所有解；步骤44，如果步骤43中方程解的个数等于多项式σ(x)中x是的最高次次数则硬判决校验通过，否则硬判决校验不通过。如果校验通过则方程的解即为测试码字c中的错误位置，将测试码字c中错误位置的信息更正即得到有效码字d。按照如图2所示的软判决译码算法的流程图，该算法具有p和p1两个参数，为了使bch码获得尽可能好的误码率性能，采用控制变量法选择p和p1两个参数，通过仿真寻找其误码率性能的极限。下面以码长n＝31,信息位长度k＝16为例具体说明参数选择的过程：首先控制参数p＝3不变，不断增加参数p1。从图3中可以看出p1＝5与p1＝4的误块率性能相比，增益已不足0.1db，因此认为当p＝2时p1取5性能最佳。如图4所示不断增加参数p，当p取到5时其性能已不再有明显的改善，因此选取参数p＝5，p1＝8时的性能作为该算法在码长n＝31，k＝16时的极限性能。图5为总码长n＝31，信息序列长度k＝16和总码长n＝63，信息序列长度k＝36时bch硬判决译码与软判决译码误码率曲线的对比图，从图中可以看出通过软判决的方法给系统带来了2db以上的增益。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页12