一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法技术

本发明专利技术提供了一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，该方法包括：采用LDPC编解码及BPSK调制解调将信道估计信号x0传输至地面，得到接收信号y0；以序列x0和序列y0为依据，采用线性最小均方误差(LMMSE)信道估计算法完成信道的评估，得到信道估计矩阵采用LDPC编码级联MMSE预编码的方式完成电磁波指令的下传通信。本发明专利技术提供的一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，其优势在于：结合了LDPC码与MMSE预编码的抗噪特性，将预编码与编码结合起来，能够大大地降低信号传输过程中噪声的影响，降低了误码率。同时，MMSE预编码方案将邻井信号考虑在内，降低了其带来的影响。降低了其带来的影响。降低了其带来的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法


[0001]本专利技术涉及石油钻井工程电磁波通信领域，尤其涉及一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法。

技术介绍

[0002]随钻通信技术兴起于上世纪30年代，随着传输深度的要求，技术出现高速发展，目前已经成为石油开采行业必备的技术之一，目前国外的随钻电磁波通信技术已经逐渐趋向成熟。按信息传输介质的不同，随钻通信的数据传输方式主要有泥浆脉冲、电磁波、声波、智能钻杆，其中应用较多且技术相对成熟的是泥浆脉冲和电磁波。电磁波随钻通信系统将位于井下的钻杆分割为互相绝缘的两个部分，作为一对非对称偶极子天线，通过激励地层中的钻杆产生低频电流，形成电磁场信号，透过地层传输，地表接收装置采用测地电位方法接收信号。它具有很高的信息传输速率，而且成本低，同时不受钻井介质影响，能够在地层、钻杆、泥浆等介质中传输，不需要泥浆作为信号的载体，对钻井液和钻探泵的要求更低，数据传输能力较强。
[0003]电磁波信号在地下传输过程中受到干扰严重。经过地层的衰减后使得到达地面的信号微弱；受钻井施工现场及井口附近工频干扰信号、自然电位信号等加性干扰源的影响，接收到的信号受噪声干扰严重，经数据接收仪器，极易发生误码，严重影响数据准确性。
[0004]在随钻电磁波通信技术上面，如何合理采用编码调制技术，进而降低信号的干扰，准确有效的提取微弱接收信号，是井下电磁波随钻通信系统的难点之一。针对信噪比低的问题，结合编码与预编码的思想，本文提出了一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，针对上述信号传输过程中噪声干扰以及地层衰减严重的问题，采用编码与预编码结合的方案，其中编码采用LDPC编码方案，预编码采用MMSE预编码方案，从而提出了一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，降低了误码率。
[0006]本专利技术的实现方式，一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤一：采用LDPC编解码及BPSK调制解调将信道估计信号x0传输至地面，得到接收信号y0；
[0008]步骤二：以序列x0和序列y0为依据，采用线性最小均方误差(LMMSE)信道估计算法完成信道的评估，得到信道估计矩阵
[0009]步骤三：采用LDPC编码级联MMSE预编码的方式完成电磁波指令的下传通信。
[0010]进一步地，步骤一中的LDPC编解码及BPSK调制解调信号上传通信，具体包括以下
步骤：
[0011]S21、地底发射机将信道估计信号x0送入LDPC编码器进行编码操作，将LDPC码输入BPSK调制器完成调制；
[0012]S22、将已调制的信号通过发射天线传输至信道，经过信道后通过地面接收机接收；
[0013]S23、将接收信号送入BPSK解调器以及LDPC解码器，完成解调解码操作得到接收信号y0。
[0014]进一步地，步骤二中的线性最小均方误差估计算法，具体包括以下步骤：
[0015]S31、采用LS信道估计的方法估计LS信道估计值具体步骤如下：
[0016]构造LS信道估计方法的最小化代价函数式中，代表LS信道估计算法的信道估计值。
[0017]令即：得到LS信道估计的解如下：
[0018][0019]S32、LMMSE信道估计值为：(式中W表示的加权矩阵)，则构造的LMMSE信道估计的MSE为：
[0020][0021]S33、求解最小化代价函数得到LMMSE的信道估计值具体包括如下步骤：
[0022]S331、由于估计误差向量与正交，则e与的互相关函数如下：
[0023][0024]式中，B为真实的信道响应矩阵，为矩阵B与矩阵的互相关矩阵，即的互相关矩阵，即为矩阵的自相关矩阵。
[0025]S332、加权矩阵W表达式为：
[0026][0027]由于Y0＝X0B+Z，(式中Z为噪声信号的频域表示)，故的自相关矩阵可有如下表示：
[0028][0029]式中，和分别为噪声和信号的方差。
[0030]S333、LMMSE信道的估计结果有如下表示：
[0031][0032]式中，是信道矩阵B和LS方法信道估计矩阵的互相关矩阵，是信道的自相关矩阵。
[0033]进一步地，步骤三涉及的基于LDPC级联MMSE预编码的电磁波指令下传通信，具体包括以下步骤：
[0034]S41、采用基于生成矩阵的编码算法对输入序列x进行LDPC编码，得到序列l；
[0035]S42、采用二进制移相键控(BPSK)对LDPC编码后的序列l进行调制，得到序列b；
[0036]S43、通过构造的预编码矩阵对调制后的序列进行MMSE预编码，得到序列m，即
[0037]m＝γ
MMSE
Fl
[0038]其中γ
MMSE
表示功率归一化因子，F表示预编码矩阵；
[0039]S44、将编码调制后的预处理序列m通过信道传输至接收端，得到接收序列即
[0040][0041]其中B表示信道矩阵，z表示噪声序列；
[0042]S45、将接收到的序列乘以得到序列即：
[0043][0044]S46、对预编码解码后的序列进行BPSK解调，得到序列
[0045]S47、采用和积译码算法(SPA)对序列进行LDPC解码处理，得到输出序列y。
[0046]进一步地，S41中的LDPC编码，具体包括以下步骤：
[0047]S411、构造一致性校验矩阵H0，通过高斯消元法将H0矩阵转换为系统形式的校验矩阵H；
[0048]S412、根据公式GH
T
＝0，求解得到生成矩阵G；
[0049]S413、通过构造的生成矩阵G进行编码，得到序列l；
[0050]进一步地，S43中的MMSE预编码处理，将调制后的序列l乘以预编码矩阵F，得到序列m，即：
[0051]m＝γ
MMSE
Fl
[0052]其中，γ
MMSE
表示功率归一化因子，具体表达式为：
[0053][0054]P
t
是总的信号发射功率，F
H
表示F矩阵的共轭转置矩阵，trace()表示求矩阵的迹的函数。
[0055]F矩阵表达式为：
[0056][0057]其中，I是单位矩阵，是LMMSE信道估计算法的估计信道矩阵，记为是矩阵的共轭转置矩阵，σ2是噪声功率，N
r
表示发射天线的个数。F矩阵的求解是通过求解优化问题来求解，即
[0058][0059]其中，E[
·
]表示对矩阵求均值函数，||
·
||2表示矩阵的2范数；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用LDPC编解码及BPSK调制解调将信道估计信号x0传输至地面，得到接收信号y0；步骤二：以序列x0和序列y0为依据，采用线性最小均方误差(LMMSE)信道估计算法完成信道的评估，得到信道估计矩阵步骤三：采用LDPC编码级联MMSE预编码的方式完成电磁波指令的下传通信。2.根据权利要求1所述的一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，其特征在于，步骤一中所述的LDPC编解码及BPSK调制解调信号上传通信，具体包括以下步骤：S21、地底发射机将信道估计信号x0送入LDPC编码器进行编码操作，将LDPC码输入BPSK调制器完成调制；S22、将已调制的信号通过发射天线传输至信道，经过信道后通过地面接收机接收；S23、将接收信号送入BPSK解调器以及LDPC解码器，完成解调解码操作得到接收信号y0。3.根据权利要求1所述的一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，其特征在于，步骤二中的线性最小均方误差估计算法，具体包括以下步骤：S31、采用LS信道估计的方法估计LS信道估计值S32、LMMSE信道估计值为：(式中W表示的加权矩阵)，构造LMMSE信道估计的MSE；S33、求解最小化代价函数得到LMMSE的信道估计值4.根据权利要求1所述的一种基于LDPC码级联MMSE预编码的随钻电磁波指令下传编解码方法，其特征在于，步骤三涉及的基于LDPC级联MMSE预编码的电磁波指令下传通信，具体包括以下步骤：S41、采用基于生成矩阵的编码算法对输入序列x进行LDPC编码，得到序列l；S42、采用二进制移相键控(BPSK)对LDPC编码后的序列l进行调制，得到序列b；S43、通过构造的预编码矩阵对调制后的序列进行MMSE预编码，得到序列m，即m＝γ
MMSE
Fl其中γ
MMSE
表示功率归一化因子，F表示预编码矩阵；S44、将编码调制后的预处理序列m通过信道传输至接收端，得到接收序列即其中B表示信道矩阵，z表示噪声序列；S45、将接收到的序列乘以得到序列即：S46、对预编码解码后的序列进行BPSK解调，得到序列S47、采用和积译码算法(SPA)对序列进行LDPC解码处理，得到输出序列y。5.根据权利要求4所述的基于LDPC级联MMSE预编码的电磁波指令下传通信，其特征在
于，S41中的LDPC编码，设LDPC码的码长为n，冗余比特个数为m(m＝n
‑
k)，具体包括以下步骤：S411、构造一致性校验矩阵H0，通过高斯消元法将H0矩阵转换为系统形式的校验矩阵H，使得H＝[P|I
n
‑
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠兵，张红川，梁海波，谌贵辉，周阳，张益豪，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：