基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法与流程

本发明属于地球物理勘探的地震数据传输技术领域，涉及一种测井电缆高速数据传输方法，特别涉及一种基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法。

技术背景

目前，地震数据传输系统正向多参量、高速化发展。地震信号的传输速率与误码率是衡量测井数据传输系统的重要技术指标，数据传输系统的性能直接影响着其带载能力和传输准确性，也对地震数据传输系统中电缆数据传输的速度及误码率提出了越来越高的要求。

不同于多个单芯电缆独立传输，以七芯电缆为介质的数据传输系统各个缆芯之间结构上相互交织，间距更短，串扰更强。通常七芯电缆传输系统是利用中间缆芯单独传输数据，其缆芯传输速率非常有限，主要是因为数据的串行传输使单位时间内传输的数据量很少，同时电缆的低通滤波特性使高频部分严重衰减。

CN102045289A公开了《一种利用OFDM技术实现高速传输的遥传系统》，采用先进的OFDM技术、高速数字信号处理dsp系统和大规模集成电路FPGA。以七芯铠装电缆为传输介质，仅用中间缆芯传输数据，其7000米长电缆传输速率达到560kbps。

CN102913235A公开了《一种测井数据传输系统》，实现井中与地面之间的数据交互，其系统采用OFDM数据调制技术，在7000千米的七芯铠装电缆上可以实现900kbps的高可靠性数据传输速率。

上述发明的系统中，虽然传输速率有一定提高，但是传输速率仍在1Mbps以下，数据传输速率有限，难以满足数据传输系统的实时性要求。尤其是在一些条件恶劣的环境，其外部干扰较大，数据的传输速率和质量可能会大幅度下降。

多入多出技术(MIMO)最早始于无线通信领域，其原型是在发送端采用多个天线同时 发送数据，在接收端采用多个天线接收数据，各个天线之间数据空间重叠，所以采用MIMO技术将各个天线传输的数据进行分离。CN105763292A公开了一种《多对双绞线自适应传输方案及系统》，首次提出在双绞线上采用MIMO技术，但是双绞线传输距离非常有限最大限度为100m，很难实现数据长距离传输。

随着现代通信技术的不断发展，人们对通信质量的要求也越来越高，对于特殊的应用场景地震数据传输来说，它对于移动性要求不高，但对数据的高速性、可靠性要求较高。以往采用七芯铠装电缆中间芯传输数据的方法严重制约了传输速率。MIMO技术最早始于20世纪70年代，其主要针对无线传输领域，到20世纪90年代，MIMO技术取得了突破性的进展，随后相继出现对角BLAST算法、空时编码、垂直BLAST算法等处理方法，使MIMO的研究得到了迅速发展，逐渐应用于各个传输领域。综上，如能采用MIMO技术利用四根电缆同时进行数据传输，不但可以打破已有的单入单出的格局，还能大大提高七芯铠装电缆通信系统的传输速率以及可靠性，以满足地震数据传输系统的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法，在原有采用OFDM调制技术以七芯电缆中间芯为传输介质的数据传输系统的基础上，利用七芯铠装电缆中的四根缆芯同时传输数据，并于接收端采用MIMO技术将四通道数据有效分离，使单位时间内传输数据量倍增，大大提高了系统的传输速率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法，包括以下步骤：

A、选用七芯电缆中物理位置对称但互不相邻的任意三根外围芯以及与各个外芯均毗邻的中间缆芯进行数据传输；

B、在发送数据前端中加入连续已知长训练序列①、②、③、④，分别记作L₁、L₂、L₃、L₄，四个训练序列在四个信道中加入的顺序不同，利用长训练序列实现信道参数的实时测量，在数据传输一定时间后，再次发送长训练序列，对信道参数重新测量实现信道参数的实时追 踪；

C、根据发送数据前端的长训练序列进行信道估计，得到信道估计矩阵H(k)，具体步骤如下：

C1：长训练序列L₁、L₂、L₃、L₄经过信道传输后在接收端得到数据序列R₁、R₂、R₃、R₄；

C2：根据信道参数矩阵方程R(k)＝H(k)L(k)+N(k),计算信道矩阵方程，其中L(k)表示训练序列第k个子载波上的输入数据，表达式为：L(k)＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波受到的干扰噪声。四通道计算方程为其中载波标号k省略；

C3：根据每个通道发送的四组训练序列的已知数据L和接收数据R计算出4*4信道响应矩阵h_i,j表示第j个缆芯中的数据在第i个缆芯中的信道响应，噪声信号在计算过程中被抵消；

D、根据方程Y(k)＝H(k)X(k)+N(k)将各个缆芯的叠加数据分离，其中X(k)表示第k个子载波上的输入数据，表达式为：X(k)＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波受到的干扰噪声，Y(k)＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T为接收端接收到的各个缆芯的数据，噪声可以通过噪声抑制消除，经过计算就可分离得到原始传输数据x₁,x₂,x₃,x₄。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.采用七芯铠装电缆的四个缆芯同时传输数据，大大提高了七芯电缆的利用率的同时有 效的提高了数据传输速率，7000米长电缆传输速率可达2.5Mbps。

2.采用mimo技术在接收端恢复数据，将各个缆芯之间的远端串扰转换为有益信号辅助信号解调，同时有效抑制近端串扰，提高了信号的准确性，有效降低数据传输误码率，7000米长电缆传输误码率为5E10-9。

附图说明：

图1多入多出(MIMO)总体结构图；

图2七芯电缆的缆芯选择示意图；

图3四根缆芯同时传输数据示意图；

图4正交频分复用技术(OFDM)结构图；

图5数据编码和删余示意图；

图6数据16QAM映射方案示意图；

图7电缆单入单出(SISO)传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例做进一步详细的说明：

一种基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法，包括以下步骤：

A、选用七芯电缆中物理位置对称但互不相邻的任意三根外围芯以及与各个外芯均毗邻的中间缆芯进行数据传输；

B、在发送数据前端中加入连续已知长训练序列①、②、③、④，分别记作L₁、L₂、L₃、L₄，四个训练序列在四个信道中加入的顺序不同，利用长训练序列实现信道参数的实时测量，在数据传输一定时间后，再次发送长训练序列，对信道参数重新测量实现信道参数的实时追踪；

C、根据发送数据前端的长训练序列进行信道估计，得到信道估计矩阵H(k)，具体步骤如下：

C1：长训练序列L₁、L₂、L₃、L₄经过信道传输后在接收端得到数据序列R₁、R₂、R₃、 R₄；

C2：根据信道参数矩阵方程R(k)＝H(k)L(k)+N(k),计算信道矩阵方程，其中L(k)表示训练序列第k个子载波上的输入数据，表达式为：L(k)＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波受到的干扰噪声。四通道计算方程为其中载波标号k省略；

C3：根据每个通道发送的四组训练序列的已知数据L和接收数据R计算出4*4信道响应矩阵h_i,j表示第j个缆芯中的数据在第i个缆芯中的信道响应，噪声信号在计算过程中被抵消；

D、根据方程Y(k)＝H(k)X(k)+N(k)将各个缆芯的叠加数据分离，其中X(k)表示第k个子载波上的输入数据，表达式为：X(k)＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波受到的干扰噪声，Y(k)＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T为接收端接收到的各个缆芯的数据，噪声可以通过噪声抑制消除，经过计算就可分离得到原始传输数据x₁,x₂,x₃,x₄。

下面将发明的方法和OFDM调制技术结合说明具体实现方法，如下：

数据总传输图如图3所示，地震数据传输系统首先将待发送数据在发送端进行调制以提高其抗干扰能力和传输数据量，调制后的数据经过电缆传至接收端，在接收端进行数据解调处理，最终得到原始数据。在原有OFDM调制的基础上，采用四根缆芯同时传输数据，在接收端引入MIMO技术，将四组互相串扰的数据进行OFDM解调然后再分离为四组相互独立的数据，最后根据得到的数据对地下结构进行判断，为地下勘探工作提供技术支持。

本发明的调制基础技术采用正交频分复用技术(OFDM)，其总体结构图如图4所示，OFDM技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

如图2所示，四根缆芯选用七芯电缆中物理位置对称但互不相邻的任意三根外围芯以及与各个外芯均毗邻的中间缆芯进行数据传输，如中间芯为0，外围芯为1、2、3，或者中间芯为0，外围芯为4、5、6。

发送端调制过程如下：

(1)、OFDM技术采用IFFT/FFT实现，为了进一步提高长缆传输中数据的传输速率和抗干扰能力，发射机部分在IFFT调制前需要加入扰码、交织、编码、QAM映射模块，在IFFT之后加入循环前缀和长短训练序列模块。

(2)、以长度为64，位宽为8的待传输数据为例，采集到的数据为并行数据，首先经过并串转换将数据转换为64个串行数据，将并串转换后的数据经过扰码器，有效的将输入数据扰乱，扰码器多项式为：S(x)＝x⁷+x⁴+1，其中x为待扰码数据。

(3)、随后数据进行编码和交织，本发明采用1/2码率的编码，每输入一位数据编码后都将并行输出2位编码数据A、B。其中A、B的输出表达为：

其中x为待编码数据。为了提高传输速率，在编码后需要进行删余，删余示意图如图5所示,每输入A₀到B₂6个编码比特数据，删去其中两个，剩余4个数据顺序输出。

(4)、交织器选用分组交织器，利用数据对应的标号实现交织，其交织深度为192，交换公式为：i＝(N_CBPS/16)(kmod16)+floor(k/16)

其中k＝0,1,...N_CBPS-1，表示交织前的数据比特编号，i是交织后的数据编号，N_CBPS＝48，将编号为k的位置的数据防止到数组中的编号为i的位置中。

(5)、OFDM的子载波需要经过16QAM调制方式调制，其编码表如图6所示，将串行数据每4个比特分成一组，根据图中对应关系，高两位映射到实部，低两位映射到虚部，将 二进制数映射到对应的矢量状态。

(6)映射后的数据进行IFFT变换，实现OFDM调制。将64个串行8位数据共轭对称为128个串行数据，利用IFFT运算调制到频率不同且频谱相互正交的子载波上，实现正交频分复用，随后在数据在每个OFDM符号的首端加入循环前缀，以防止在传输过程中的频移。

(7)、加入长短训练序列，本发明在发送数据前端中加入短训练序列和连续已知长训练序列①、②、③、④，分别记作L₁、L₂、L₃、L₄，其长度为64，四个训练序列在四个信道中加入的顺序不同，具体顺序如图1所示。利用长训练序列实现信道参数的实时测量，在数据传输一定时间后，再次发送长训练序列，对信道参数重新测量，以实现信道参数的实时追踪，至此，整个OFDM信号打包完成。

本发明方法采用四根缆芯同时进行数据传输，每个缆芯传输不同的OFDM数据包，在接收端，虽然各缆芯之间的数据相互干扰，但是各个缆芯外围包有绝缘层，所以串扰占数据的较小部分，而本芯传输的数据仍然占据主导地位。本系统中，一个发射信号会经过若干独立的信道，在接收端，一条缆芯接收信号是经过独立衰落的来自不同缆芯的OFDM符号的线性叠加，所以，在接收机接收到数据后要对数据分别进行解调和分离。

接收端具体步骤如下：

(1)、首先根据数据前端的短训练序列进行数据同步。短序列为已知伪随机序列，其位置为传输数据的段首，在接收端利用相关能量算法，当数据到来时其首段的短序列和接收端的序列进行相关运算，当相关性达到最大时，表示数据到来，准确的确定数据位置，才能有效提取数据和导频信号。

(2)、去除循环前缀。为了有效抑制相位频移对数据的干扰，将数据的首端16个数据复制到尾端，即使出现部分相位偏移，但是总体数据仍然不变，在接收端去除循环前缀，恢复128个数据长度。

(3)、数据进行傅里叶变换(FFT)，实现OFDM解调。OFDM的调制与解调原理和IFFT、FFT变换原理相似，在实际操作中，考虑到实现复杂程度以及可行性，常用正逆傅里叶变换 代替OFDM调制。其变换方程为：其中Y(k)待解调数据，也就是去循环前缀后的数据，d_k为解调后的数据，其中T为数据传输的周期，IFFT变换后数据经过去共轭对称处理，恢复64个数据长度。

(4)、数据解调及信道估计。数据解调过程和调制过程原理基本相同，只是调制过程的一个逆过程，这里不再详细描述。根据长训练序列数据估计电缆传输的信道参数。信道估计方法如下：

长训练序列L₁、L₂、L₃、L₄经过信道传输后在接收端得到数据序列R₁、R₂、R₃、R₄。根据信道参数矩阵方程R(k)＝H(k)L(k)+N(k),计算信道矩阵方程，其中L(k)表示训练序列第k个子载波上的输入数据，表达式为：L(k)＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波受到的干扰噪声。四通道计算方程为 其中载波标号k省略。根据每个通道发送的四组训练序列的已知数据L和接收数据R计算出信道响应为：信道响应矩阵 h_i,j表示第j个缆芯中的数据在第i个缆芯中的信道响应，噪声信号在计算过程中被抵消。在本发明中，采用长训练序列进行信道估计，测量信道过程是单工测量。

(5)、根据信道矩阵对四根缆芯数据进行分离。在接收端，一条缆芯接收信号是经过独立衰落的来自不同缆芯信号的线性叠加，由于OFDM将信道划分为多个平坦子信道，因此MIMO可以对各个子载波逐个进行分离。第k个子载波接收信号向量Y(k)表达式为：Y(k)＝H(k)X(k)+N(k)，其中X(k)表示第k个子载波上的输入数据，表达式为： X(k)＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T，N(k)＝[n₁,n₂,n₃,n₄]^T表示信号第k个子载波分别受到的干扰噪声。Y(k)＝[y₁,y₂,y₃,y₄]^T为接收端接收到的各个缆芯的数据，经过计算就可以分离得到原始传输数据x₁,x₂,x₃,x₄。

其中h_i,j表示第j个缆芯中的数据在第i个缆芯中的信道响应。此矩阵在(4)步骤中已经根据长训练序列计算得出，因此，可以直接通过数学运算分离出各个缆芯数据。至此，整个数据传输过程结束。

电缆信道参数矩阵H包含电缆的衰减损耗和各缆芯的相互串扰。长电缆传输中的信号相互串扰被视作为不利因素，但是本发明的方法中，将信号串扰作为有利因素，提高信号解调的准确性。本发明提出的MIMO系统中，其接收端接收信号为经过不同路径衰落的各个缆芯信号的叠加，通过相应的解码算法可从混叠的信号中获得发射信息。由于数据通过OFDM技术被调制在正交子载波上，各个子载波之间互不干扰，所以，针对四条缆芯中第k个子载波上的叠加数据采用MIMO技术分离，将互相干扰的信道转换为图7所示的独立传输数据的SISO信道。本技术不仅保证了数据传输的准确性，同时也大大提高了数据传输的速率，为电缆数据传输系统提供一定的技术支持。

另外，本发明的基于MIMO技术的测井电缆高速数据传输方法与也可以基于其他调制技术来实现以上四根缆芯同时传输数据的过程。