水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供了執(zhí)行上部控制系統(tǒng)與水下裝置之間的數(shù)據(jù)通信的一種水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和一種方法。所述上部控制系統(tǒng)包括被適配成在第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的上部低頻調(diào)制解調(diào)器，并且所述水下裝置包括被適配成在所述第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的水下低頻調(diào)制解調(diào)器。所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器通過將所述上部控制系統(tǒng)連接到所述水下裝置的臍帶式管纜的數(shù)據(jù)傳輸線路而被耦合到水下低頻調(diào)制解調(diào)器。
【專利說明】水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于提供上部控制系統(tǒng)與水下裝置之間的數(shù)據(jù)通信的水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，并且進一步涉及一種數(shù)據(jù)通信方法。
【背景技術】
[0002]石油平臺常常被用在海上石油和氣體生產(chǎn)中。在海上石油平臺的操作中，可能有必要在水下面安裝電子設備，例如以用于控制水下采油樹或水下防噴器的功能。最近來，其中諸如電驅(qū)動泵和氣體壓縮機之類的處理設備被重定位到海底的水下處理設施正在建立。水下處理設施能夠配備有電網(wǎng)以及控制、監(jiān)控和通信系統(tǒng)。
[0003]在這兩個示例中，水下裝置被提供在海底。水下裝置包括能夠被上部控制系統(tǒng)監(jiān)控和/或控制的電子設備，其可能是基于船舶船只例如船或平臺的，或者可能是基于岸上的。水下裝置能夠例如包括井控模塊(WCM)或管控模塊(MCM)。
[0004]在常規(guī)系統(tǒng)中，上部控制系統(tǒng)與水下裝置的這種模塊之間的通信通常是基于諸如貝爾(Bell) 202之類的AFSK(音頻頻移鍵控)調(diào)制解調(diào)器標準的。通過在上部控制系統(tǒng)使用貝爾202調(diào)制解調(diào)器并且在被連接到相應模塊的水下裝置使用另一貝爾202調(diào)制解調(diào)器，能夠達到在半雙工下約1200波特率(Boud)的數(shù)據(jù)傳送率。如果若干貝爾202水下調(diào)制解調(diào)器被連接到上部調(diào)制解調(diào)器，則對于每個水下調(diào)制解調(diào)器能夠達到1200波特率除以水下調(diào)制解調(diào)器的數(shù)目的數(shù)據(jù)傳送率。數(shù)據(jù)傳送因此是相當慢的并且不能夠容易地被升級。
[0005]存在對于監(jiān)控和控制水下裝置的增加需求，這需要較高帶寬以便在水下裝置與上部裝置之間傳送傳感器的數(shù)據(jù)和控制信號。更新現(xiàn)有基礎設施例如水下控制模塊上的調(diào)制解調(diào)器和臍帶式管纜(umbilical)中的數(shù)據(jù)線路是非常昂貴的過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，存在對于使得能實現(xiàn)具有較高帶寬的數(shù)據(jù)通信并且能夠被成本有效地實現(xiàn)的改進的水下通信系統(tǒng)的需要。
[0007]這個需要通過獨立權利要求的特征來滿足。從屬權利要求描述本發(fā)明的實施例。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了用于提供上部控制系統(tǒng)與水下裝置之間的數(shù)據(jù)通信的水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。所述上部控制系統(tǒng)包括被適配成在第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的上部低頻調(diào)制解調(diào)器，并且所述水下裝置包括被適配成在第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的水下低頻調(diào)制解調(diào)器。上部低頻調(diào)制解調(diào)器通過將上部控制系統(tǒng)連接到水下裝置的臍帶式管纜的數(shù)據(jù)傳輸線路而被耦合到水下頻率調(diào)制解調(diào)器。水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括被適配成被布置在上部控制系統(tǒng)處并且適配成在第二頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的上部高頻調(diào)制解調(diào)器，以及被適配成被布置在水下裝置處并且適配成在第二頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的水下高頻調(diào)制解調(diào)器。第二頻率范圍高于第一頻率范圍。水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進一步包括被適配成將上部低頻調(diào)制解調(diào)器和上部高頻調(diào)制解調(diào)器耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路的上部頻率復用器以及被適配成將水下低頻調(diào)制解調(diào)器和水下高頻調(diào)制解調(diào)器耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路的水下頻率復用器。上部和水下頻率復用器被配置以便使得通過數(shù)據(jù)傳輸線路能實現(xiàn)第一頻率范圍中的上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器之間以及第二頻率范圍中的上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器之間的同時數(shù)據(jù)通信。
[0009]第二較高頻率范圍對于數(shù)據(jù)通信的使用可以使得能實現(xiàn)具有較高數(shù)據(jù)傳送率的數(shù)據(jù)通信。因為第二頻率范圍中的數(shù)據(jù)通信利用與第一較低頻率范圍中的通信相同的數(shù)據(jù)傳輸線路，所以水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以用現(xiàn)有臍帶式管纜來實現(xiàn)。因此能夠降低用于升級現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的費用。此外，不需要替換利用這樣的低頻調(diào)制解調(diào)器的水下裝置的模塊，它們能夠繼續(xù)操作。這還減少了在現(xiàn)有水下基礎設施中實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的費用。
[0010]所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)因此可以被用來提高常規(guī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信帶寬而不用打擾該常規(guī)系統(tǒng)，例如它可以與常規(guī)系統(tǒng)共存。它此外可以使得能實現(xiàn)水下裝置的逐步升級，例如通過隨后將使用較低頻率范圍中的通信的模塊與具有高頻調(diào)制解調(diào)器的模塊互換。
[0011]注意，通信不需要在整個相應頻率范圍上進行，但可以發(fā)生在位于相應頻率范圍中的頻帶中。低頻調(diào)制解調(diào)器和高頻調(diào)制解調(diào)器分別還可以被稱為第一調(diào)制解調(diào)器和第二調(diào)制器。
[0012]在實施例中，第一頻率范圍和第二頻率范圍被配置使得它們不重疊。第一頻率范圍可以例如位于閾頻率下面而第二頻率范圍可以位于這個閾頻率之上。閾頻率可以在約10kHz至約150 kHz的范圍中。因此可以避免通信信號在不同頻率范圍中的干擾。
[0013]第一頻率范圍可以例如為約I kHz至約5 kHz的范圍。第二頻率范圍可以例如為約50 kHz至約10 MHz的范圍。通過利用位于第二頻率范圍中的頻率，高頻調(diào)制解調(diào)器能夠執(zhí)行具有高數(shù)據(jù)傳送率的數(shù)據(jù)通信。
[0014]在實施例中，所述頻率復用器是雙工器。其中另外的頻率范圍被復用到數(shù)據(jù)傳輸線路上的其他配置當然也是可以想象的。
[0015]雙工器可以為無源雙工器。同樣地，它不需要電力被操作。
[0016]每個頻率復用器可以被適配成將從相應的低頻調(diào)制解調(diào)器和相應的高頻調(diào)制解調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)通信信號復用到數(shù)據(jù)通信線路上并且適配成將在數(shù)據(jù)通信線路上接收到的通信信號解復用成待發(fā)送到相應的低頻調(diào)制解調(diào)器的第一頻率范圍中的通信信號和待發(fā)送到相應的高頻調(diào)制解調(diào)器的第二頻率范圍中的通信信號。通過利用不同的頻率范圍，頻率復用器因此能夠組合從所連接的調(diào)制解調(diào)器接收到的信號并且分離在數(shù)據(jù)通信線路上接收到的信號，使得每個調(diào)制解調(diào)器提供有相應通信頻率范圍的信號。
[0017]在實施例中，每個頻率復用器包括到相應的低頻調(diào)制解調(diào)器的第一接口、朝相應的高頻調(diào)制解調(diào)器的第二接口以及朝數(shù)據(jù)傳輸線路的第三接口。所述頻率復用器進一步包括被適配成通過第一頻率范圍的頻率并且連接在第一接口與第三接口之間的低通濾波器或帶通濾波器和被適配成通過第二頻率范圍的頻率并且連接在第二接口與第三接口之間的高通濾波器或帶通濾波器。這樣的濾波器被實現(xiàn)為無源元件，并且可以允許通信信號的有效復用或解復用。
[0018]在另外的實施例中，上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器被適配成使用正交頻分復用(OFDM)方案來執(zhí)行與彼此的數(shù)據(jù)通信。這樣的通信方案能夠使用頻帶來發(fā)送數(shù)據(jù)并且實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸率。
[0019]上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器能夠例如被適配成對于通信使用位于約50 kHz至約10 MHz范圍內(nèi)的頻帶，所述頻帶被劃分成頻率復用信道，其中每個信道具有預定頻率帶寬。用于每個信道的帶寬可以例如為約3至5 kHz?？梢蕴峁┛偣?00至300個信道。使用這樣的方案具有如果特定信道變得受干擾等等影響，而其他信號仍然可以被用于數(shù)據(jù)傳輸，從而保持傳輸率上升的優(yōu)點。高于0.5 Mbps (兆位每秒)或甚至高于I Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率因此可以使用高頻調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)。
[0020]在另外的實施例中，所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進一步包括耦合到數(shù)據(jù)通信線路的水下信號分配模塊。水下低頻調(diào)制解調(diào)器和至少一個另外的水下低頻調(diào)制解調(diào)器被耦合到水下信號分配模塊。低頻調(diào)制解調(diào)器可以實現(xiàn)多點通信方案以用于使得能實現(xiàn)上部低頻調(diào)制解調(diào)器與水下低頻調(diào)制解調(diào)器中的每一個之間的數(shù)據(jù)通信。因此，通過使用僅一個上部調(diào)制解調(diào)器和一個數(shù)據(jù)通信線路，耦合到水下低頻調(diào)制解調(diào)器的若干控制模塊能夠通信。頻率復用器可以是水下信號分配模塊的部分，或者可以被耦合在水下信號分配模塊與數(shù)據(jù)通信線路之間。
[0021]在另外的實施例中，所述水下通信系統(tǒng)進一步包括耦合到數(shù)據(jù)通信線路的水下信號分配模塊。水下高頻調(diào)制解調(diào)器和至少一個另外的水下高頻調(diào)制解調(diào)器被耦合到水下信號分配模塊。水下信號分配模塊可以包括被適配成使得能實現(xiàn)上部高頻調(diào)制解調(diào)器與水下高頻調(diào)制解調(diào)器中的每一個之間的點對點通信的接入倍增器。因此，借助于一個上部高頻調(diào)制解調(diào)器和信號數(shù)據(jù)通信線路，到水下高頻調(diào)制解調(diào)器的若干點對點連接變得可能，這能夠允許與連接到其的水下裝置的若干控制模塊的數(shù)據(jù)通信。這是特別有利的因為由于用高頻調(diào)制解調(diào)器通過臍帶式管纜實現(xiàn)的高數(shù)據(jù)傳送率，在不存在導致重要延遲的更多水下高頻調(diào)制解調(diào)器的情況下能夠向或從單獨的控制模塊轉(zhuǎn)移更大量的數(shù)據(jù)。再次，頻率復用器可以為水下信號分配模塊的部分或者可以被耦合在水下信號分配模塊與數(shù)據(jù)通信線路之間。
[0022]例如在單個水下信號分配模塊中組合上面提到的水下信號分配模塊兩者當然也是可以想象的，以及因此以便使得能實現(xiàn)與若干水下低頻調(diào)制解調(diào)器和水下高頻調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信。
[0023]在實施例中，所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器被連接到井控模塊(WCM)或管控模塊(MCM)，或者是其部分。水下高頻調(diào)制解調(diào)器被配置成將在數(shù)據(jù)通信線路之上接收到的數(shù)據(jù)分別提供給所述井控模塊或所述管控模塊。
[0024]類似地，所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器可以被耦合到MCM或WCM或者可以為MCM或WCM的部分。低頻調(diào)制解調(diào)器可以此外被配置成使用音頻頻移鍵控(AFSK)通信方案進行通信。上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器可以例如為貝爾202調(diào)制解調(diào)器。
[0025]在相同的實施例中，所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以包括上述部件中的任一個，所述上述部件諸如水下/上部低頻調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)傳輸線路、WCM或MCM等等。
[0026]本發(fā)明的另一個方面提供了執(zhí)行上部控制系統(tǒng)與水下裝置之間的數(shù)據(jù)通信的方法，其中上部控制系統(tǒng)包括上部低頻調(diào)制解調(diào)器，并且其中水下裝置包括水下低頻調(diào)制解調(diào)器。上部低頻調(diào)制解調(diào)器通過將上部控制系統(tǒng)連接到水下裝置的臍帶式管纜的數(shù)據(jù)傳輸線路而被耦合到水下低頻調(diào)制解調(diào)器。所述方法包括在第一頻率范圍中執(zhí)行上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信的步驟以及在第二頻率范圍中執(zhí)行布置在上部控制系統(tǒng)處的上部高頻調(diào)制解調(diào)器與布置在水下裝置處的水下高頻調(diào)制解調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信的步驟，其中所述第二頻率范圍高于所述第一頻率范圍。上部低頻調(diào)制解調(diào)器和上部高頻調(diào)制解調(diào)器通過上部頻率復用器而被耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路，而水下低頻調(diào)制解調(diào)器和水下高頻調(diào)制解調(diào)器通過水下頻率復用器而被耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路。所述方法進一步包括頻率復用和解復用通過上部頻率復用器和水下頻率復用器中的每一個的執(zhí)行，以便使得通過數(shù)據(jù)傳輸線路能實現(xiàn)第一頻率范圍中的上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器之間以及第二頻率范圍中的上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器之間的同時數(shù)據(jù)通信。
[0027]采用所述方法，可以實現(xiàn)與上面相對于所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進一步概述的優(yōu)點類似的優(yōu)點。
[0028]在實施例中，所述方法通過像上面所提到的那樣配置例如依照上面相對于所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提到的方面和實施例中的任一個配置的水下通信系統(tǒng)來執(zhí)行。
[0029]在所述方法中提到的頻率復用器可以例如像上面進一步概述的那樣被配置。類似地，在所述方法中提到的頻率范圍可以像上面所提到的那樣被配置。并且，可以在包括耦合到若干水下低頻調(diào)制解調(diào)器或若干水下高頻調(diào)制解調(diào)器的水下信號分配模塊的系統(tǒng)中或者都在如上面所概述的相應配置中執(zhí)行所述方法。
[0030]除非指出相反，否則上面提到的本發(fā)明的方面和實施例的特征以及待在下面說明的那些噴涌而出的東西能夠彼此組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]本發(fā)明的前述和其他特征及優(yōu)點從結(jié)合附圖閱讀的以下具體描述將變得更顯而易見。在圖中，相同的附圖標記指的是相同的元件。
[0032]圖1是圖示了根據(jù)實施例的水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的示意框圖。
[0033]圖2是圖示了可以被用在水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實施例中的頻率復用器的配置的示意框圖。
[0034]圖3是圖示了包括若干水下低頻調(diào)制解調(diào)器和若干水下高頻調(diào)制解調(diào)器被朝其耦合的水下信號分配模塊的水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實施例的示意框圖。
[0035]圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]在下文中，對在附圖中圖示的實施例進行更詳細的描述。應該清楚的是，以下描述僅僅被圖示為非限制性。圖僅僅是示意表示，并且圖中元素彼此未必按比例繪制。注意，實施例可以包括在圖中未被圖示的另外的部件。在圖中圖示的元件之間的耦合還可能是間接耦合，即具有一個或多個中間元件的耦合。
[0037]圖1圖示了根據(jù)發(fā)明的實施例的水下通信系統(tǒng)10。水下通信系統(tǒng)10可以被用于升級現(xiàn)有水下通信系統(tǒng)。
[0038]在圖1的示例中，上部控制系統(tǒng)11借助于臍帶式管纜被耦合到水下裝置12。上部控制系統(tǒng)11可以包括一個或多個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，諸如從水下裝置12接收數(shù)據(jù)或者將控制命令發(fā)出給水下裝置的計算機(未示出)。上部控制系統(tǒng)11可以例如被安裝在諸如鉆井船或石油平臺之類的船舶船只上，或者它可以被安裝在岸上站點處。為了執(zhí)行與水下裝置12的數(shù)據(jù)通信，上部控制系統(tǒng)11包括第一調(diào)制解調(diào)器(低頻調(diào)制解調(diào)器)21。上部調(diào)制解調(diào)器21可以例如根據(jù)AFSK標準操作。調(diào)制解調(diào)器21從數(shù)據(jù)處理單元接收數(shù)字信號并且依照數(shù)字數(shù)據(jù)執(zhí)行模擬信號的調(diào)制以便發(fā)送該數(shù)字數(shù)據(jù)。
[0039]水下裝置12可以為井口配件、水下生產(chǎn)設施等等的部分。它包括第一水下調(diào)制解調(diào)器(低頻調(diào)制解調(diào)器)22，其可以例如與井控模塊(WCM)或管控模塊(MCM)通信。在圖1中所圖示的示例中，水下裝置12包括被耦合到信號分配模塊40的三個水下低頻調(diào)制解調(diào)器22。上部低頻模塊21通過在包括在臍帶式管纜13中的數(shù)據(jù)傳輸線路14上發(fā)送已調(diào)信號與水下較低頻調(diào)制解調(diào)器22中的一個或每一個進行通信。數(shù)據(jù)傳輸線路14是物理線路，諸如專用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)你~線。在其他實施例中，數(shù)據(jù)傳輸線路14可以被用來在臍帶式管纜13中執(zhí)行另外的功能。
[0040]調(diào)制解調(diào)器21和22被稱為“低頻”調(diào)制解調(diào)器，因為它們通過對于通信使用比第二調(diào)制解調(diào)器(高頻調(diào)制解調(diào)器)31和31使用的頻率范圍要低的頻率范圍與彼此進行通信。調(diào)制解調(diào)器21和22可以根據(jù)AFSK標準特別根據(jù)稱作貝爾202的標準來操作。調(diào)制解調(diào)器21和22可以例如使用1200 Hz標記用音調(diào)(典型地二進制一)和2200 Hz空間用音調(diào)(典型地二進制零)。在這樣的配置中，單個上部低頻調(diào)制解調(diào)器21與單個水下低頻調(diào)制解調(diào)器22之間的數(shù)據(jù)傳送率可以位于1000與5000波特率之間的范圍中，例如在1200波特率和半雙工下。因為所有低頻調(diào)制解調(diào)器22的數(shù)據(jù)通信在相同的數(shù)據(jù)傳輸線路14上運行，所以數(shù)據(jù)傳輸率對于增加數(shù)目的已安裝水下低頻調(diào)制解調(diào)器22來說減少。通過將例如10個低頻調(diào)制解調(diào)器22耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路14以便控制對應數(shù)目的WCM或MCM單元，這些單元中的每一個都能夠僅以120波特率的數(shù)據(jù)吞吐量與上部控制中心進行通信。這是相當?shù)偷膸?，其導致用于上載數(shù)據(jù)或者用于在水下裝置12處接收控制命令所需要的增加的時間量。
[0041]當安裝諸如WCM和MCM單元之類的新單元時，期望提高數(shù)據(jù)傳送的帶寬。在圖1的實施例中，因此提供了水下通信系統(tǒng)10，所述水下通信系統(tǒng)10在上部控制中心11處包括上部高頻調(diào)制解調(diào)器31并且在水下裝置12處包括水下高頻調(diào)制解調(diào)器32。上部高頻調(diào)制解調(diào)器31和水下高頻調(diào)制解調(diào)器32通過上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器在其上通信的相同數(shù)據(jù)傳輸線路14通信。兩種類型的調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信信號因此通過諸如銅線或銅電纜之類的相同物理傳輸線路來發(fā)送。因此，當安裝水下通信系統(tǒng)10時不需要替換臍帶式管纜13。
[0042]水下通信10進一步提供上部頻率復用器35和水下頻率復用器36。它們能夠被配置為在以下描述中將被假定的雙工器。水下雙工器36可以例如為水下信號分配模塊40的部分，或者可以被耦合在這個模塊與數(shù)據(jù)傳輸線路14之間。
[0043]上部高頻調(diào)制解調(diào)器31和水下高頻調(diào)制解調(diào)器32通過使用具有第二頻率范圍中的頻率的信號來通信，所述第二頻率范圍高于在其中調(diào)制解調(diào)器21和22通信的第一頻率范圍。低頻調(diào)制解調(diào)器21和22可以例如用諸如上面進一步提到的1200和2200 Hz信號之類的具有I kH到約5 kH的頻率的信號來通信。由高頻調(diào)制解調(diào)器31和32所使用的通信信號可以例如位于約50 kHz至約10 MHz的范圍內(nèi)。使用這樣的頻率的通信信號具有較高數(shù)據(jù)傳送率能夠被實現(xiàn)的優(yōu)點。[0044]特別地，高頻調(diào)制解調(diào)器31和32能夠被適配成使用OFDM方案來執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。在這樣的頻分復用方案中，可以使用被劃分成若干信道的頻帶，每個信道在頻率空間具有特定寬度。信道的帶寬可以例如在3 kHz與5 kHz之間，例如約4 kHz。在高頻調(diào)制解調(diào)器31和32的特定實施例中，它們被適配成使用具有這樣的帶寬的100至300例如200個信道。在具有200個信道的4 kHz信道帶寬的示例中，被用于通信的頻帶高達200 kHz。為了允許低頻調(diào)制解調(diào)器21和22的低頻通信繼續(xù)，例如不被打擾，一定數(shù)目的低頻信道被封閉并且不用于通信。例如前24個信道被封閉。在每信道4 kHz的頻率帶寬下，這導致O至96 kHz的頻率范圍不被高頻調(diào)制解調(diào)器31和32使用。用于通信的頻帶因此從96 kHz延伸到800 kHz。使用OFDM通信方案進一步具有如果擾動或干擾發(fā)生在信道中的一個或多個中，則數(shù)據(jù)通信能夠經(jīng)由其他信道而繼續(xù)的優(yōu)點。盡管數(shù)據(jù)傳輸率將大大地減少，但是能夠保持并且不需要終止通信。
[0045]在圖1中所圖示的實施例中，被調(diào)制解調(diào)器21和22用于通信的第一頻率范圍和被調(diào)制解調(diào)器31和32用于通信的第二頻率范圍不重疊。雖然調(diào)制解調(diào)器21和22對于通信僅使用不同的數(shù)據(jù)頻率并且可能地使用第一頻率范圍中的邊帶，但是位于第二頻率范圍內(nèi)的整個頻帶被調(diào)制解調(diào)器31和32用于通信。
[0046]上部雙工器35和水下雙工器36使得能實現(xiàn)兩種類型的調(diào)制解調(diào)器的通信信號通過單個數(shù)據(jù)傳輸線路14的同時傳輸。雙工器35組合從上部低頻調(diào)制解調(diào)器21和上部高頻調(diào)制解調(diào)器31接收到的數(shù)據(jù)通信信號，并且在數(shù)據(jù)傳輸線路14上將經(jīng)組合的通信信號發(fā)送到雙工器36。反之亦然由雙工器35在數(shù)據(jù)傳輸線路14上接收到的數(shù)據(jù)通信信號被雙工器35分離成被供應給上部低頻調(diào)制解調(diào)器21的低頻通信信號(位于第一低頻范圍中)和被供應給上部高頻調(diào)制解調(diào)器31的高頻通信信號(位于第二頻率范圍中)。耦合到水下低頻調(diào)制解調(diào)器22和水下高頻調(diào)制解調(diào)器32的水下雙工器36相應地操作。
[0047]注意在圖1的示例中，雙工器35和36被實現(xiàn)為無源模擬設備。這意味著它們不執(zhí)行單獨的分離和組合步驟，而是被簡單地耦合在相應的兩個調(diào)制解調(diào)器與數(shù)據(jù)傳輸線路14之間并且執(zhí)行不同頻率范圍的數(shù)據(jù)通信信號的模擬分離和組合。
[0048]圖2圖示了上部雙工器35和水下雙工器36的可能配置。雙工器包括朝相應的低頻調(diào)制解調(diào)器的第一接口 51和朝相應的高頻調(diào)制解調(diào)器的第二接口 52。注意在雙工器與相應的調(diào)制解調(diào)器之間，可以耦合將信號分發(fā)給相同類型的另外的調(diào)制解調(diào)器的部件。雙工器包括朝數(shù)據(jù)傳輸線路14的第三接口 53。在接口 51和53之間，耦合了通過第一頻率范圍的頻率的低通或帶通濾波器37。在上面所描述的低頻調(diào)制解調(diào)器的配置中，低通或帶通濾波器37可以例如通過1200和2200 Hz信號。
[0049]在接口 52和53之間，耦合了被適配成通過第二頻率范圍的頻率的高通或帶通濾波器38。高通或帶通濾波器38可以例如被適配成通過被高速調(diào)制解調(diào)器31和32用于通信的頻帶，例如OFDM方案的通信頻帶。
[0050]部件39組合從濾波器接收到的信號或者分離從數(shù)據(jù)傳輸線路接收到的信號。圖2中示出的箭頭圖示了其中從高頻和低頻調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)通信信號的情形，以便單元39作為組合器。它合計各信號并且經(jīng)由接口 53將它們供應給數(shù)據(jù)傳輸線路14。在其中從數(shù)據(jù)傳輸線路14接收數(shù)據(jù)通信信號的情形下，箭頭必須是相反的。在最簡單的配置中，單元39可以簡單地為將數(shù)據(jù)傳輸線路14與濾波器37和濾波器38兩者連接的分支點。[0051]應該清楚的是，上部雙工器35和水下雙工器36的其他配置是可以想象的。特別地，可以使用本領域中已知的任何雙工器。
[0052]在操作中，被從高頻調(diào)制解調(diào)器和低頻調(diào)制解調(diào)器同時地接收到的數(shù)據(jù)通信信號被雙工器復用到數(shù)據(jù)傳輸線路14上，其中在數(shù)據(jù)傳輸線路14另一側(cè)的雙工器解復用經(jīng)組合的信號并且將經(jīng)解復用的數(shù)據(jù)通信信號供應給相應的高頻調(diào)制解調(diào)器或低頻調(diào)制解調(diào)器。因為不同類型的調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信信號在不同的頻率范圍中被發(fā)送，所以它們不會干擾通信并且不會使通信降級。因此，采用現(xiàn)有臍帶式管纜并且無需替換上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器，能夠在上部控制中心11與水下裝置12之間建立高速數(shù)據(jù)傳輸。
[0053]水下裝置12可以被適配成被部署在超過1000 m、2000 m或甚至超過3000 m的深度中。因此，替換水下裝置12的部件是非常昂貴的。借助于本實施例，安裝諸如需要高數(shù)據(jù)傳輸率而無需替換水下裝置12的已經(jīng)安裝的部件的MCM或WCM之類的新部件成為可能?，F(xiàn)有通信借助于在上部控制中心11與水下裝置12之間的低頻調(diào)制解調(diào)器而繼續(xù)起作用，從而避免修改經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器22通信的先前已安裝水下模塊中的任一個的需要。
[0054]圖1圖示了三個水下低頻調(diào)制解調(diào)器22和一個水下高頻調(diào)制解調(diào)器32。應該清楚的是，可以使用任何其他數(shù)目的調(diào)制解調(diào)器，例如在I與15之間的低頻調(diào)制解調(diào)器22和
1、2或更多個高頻調(diào)制解調(diào)器32，該數(shù)目依照要求調(diào)制解調(diào)器通信的水下模塊的數(shù)目而被選擇。
[0055]在圖1中，信號分配模塊40可以例如包括被耦合到水下雙工器36并且多個水下低頻調(diào)制解調(diào)器22被朝其耦合的集線器。多點通信方案可以被低頻調(diào)制解調(diào)器21和22用于通信。
[0056]水下調(diào)制解調(diào)器22和32可以為利用它們用于數(shù)據(jù)通信的相應水下模塊的部分，例如它們可以被包括在相應模塊的外殼中。調(diào)制解調(diào)器32可以例如為被水下安裝的新控制模塊的部分。
[0057]圖1圖示了在第一和第二頻率范圍中進行通信的不同類型的調(diào)制解調(diào)器，其中通信信號使用雙工器而被組合。應該清楚的是在其他配置中，可以使用兩個以上的不同類型的調(diào)制解調(diào)器，并且可以使用復用器代替雙工器以便組合/分離兩個以上的頻率范圍，例如三個或更多個頻率范圍。
[0058]圖3圖示了水下信號分配模塊40的可能配置，其中若干高頻調(diào)制解調(diào)器32被耦合到其，但其在其他方面與圖1的配置類似。
[0059]因此，上面給出的描述同樣地適用于圖3中所圖示的實施例。
[0060]水下信號分配模塊40包括經(jīng)由其第一接口(例如圖2的接口 53)而被耦合到數(shù)據(jù)傳輸線路14的雙工器36。在第一頻率范圍中的通信信號在其上被發(fā)送的雙工器的第一接口 51上，雙工器36被耦合到集線器42。集線器42將通信信號分發(fā)給若干連接的水下低頻調(diào)制解調(diào)器22。在圖3中所圖示的實施例中，集線器42簡單地包括分支點，在所述分支點中朝不同的水下低頻調(diào)制解調(diào)器22的通信線路被接合。應該清楚的是，集線器42的其他配置是可以想象的。即使是用這個相當簡單的配置，上部低頻調(diào)制解調(diào)器21也能夠例如通過使用多點方法與水下低頻調(diào)制解調(diào)器22中的每一個進行通信，在所述多點方法中上部調(diào)制解調(diào)器21隨后輪詢水下低頻調(diào)制解調(diào)器22中的每一個。
[0061]在圖3的配置中，水下信號分配模塊40此外包括接入倍增器41。接入倍增器41例如經(jīng)由第二接口 52而被耦合到雙工器36。它被進一步耦合到水下高頻調(diào)制解調(diào)器32中的每一個。接入倍增器41可以例如使用網(wǎng)際協(xié)議(IP)棧以便聚合從水下高頻調(diào)制解調(diào)器32接收到的流量并且將經(jīng)聚合的流量發(fā)送到上部高頻調(diào)制解調(diào)器31，其中數(shù)據(jù)傳輸可以像上面所概述的那樣發(fā)生(例如使用OFDM方案)。接入復用器41它本身可以作為其接口中的每一個上的調(diào)制解調(diào)器。
[0062]應該清楚的是在其他配置中，上部高頻調(diào)制解調(diào)器31與水下高頻調(diào)制解調(diào)器32中的每一個之間的通信可以發(fā)生在不使用接入倍增器41的情況下，例如通過使用其他通信方案，諸如多點方案。
[0063]水下信號分配模塊40的使用是可選的，并且可以提供一個或多個水下高/低頻調(diào)制解調(diào)器被朝其耦合的僅一個水下頻率復用器36。在其他配置中，可以提供與水下信號分配模塊40分離的水下頻率復用器36。應該進一步清楚的是，可以提供接入倍增器41和集線器42中的僅一個，并且例如在它們自己的相應水下信號分配模塊中提供彼此分離的這兩個單元當然是可以想象的。
[0064]圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法的流程圖，所述方法能夠在關于圖1和3所描繪并且描述的系統(tǒng)中的任一個上被執(zhí)行。在步驟101中，上部低頻調(diào)制解調(diào)器發(fā)送通信信號。在步驟102中，上部高頻調(diào)制解調(diào)器也發(fā)送通信信號。注意，可以同時地執(zhí)行步驟101 和 102。
[0065]兩個通信信號在上部頻率復用器處被接收，并且在步驟103中，頻率復用被執(zhí)行。在頻率復用中，通信信號與兩個接收到的通信信號同步，其中所接收到的通信信號中的每一個都使用包括經(jīng)調(diào)制的信息的不同頻譜。如上面所提到的那樣，頻率復用可以通過諸如關于圖2所圖示并且說明的雙工器之類的雙工器來執(zhí)行。
[0066]在步驟104中復用器信號通過數(shù)據(jù)傳輸線路被發(fā)送。因此，兩個通信信號通過相同的物理數(shù)據(jù)傳輸線路然而在不同的頻率范圍中被傳輸，以便信號不會彼此干擾。在步驟105中復用信號在水下頻率復用器處被接收。在步驟106中所接收到的信號被解復用。在圖2中所示出的雙工器的示例中，接口 51和52中的每一個都例如供應有相應頻率范圍中的經(jīng)解復用的通信信號。
[0067]在步驟107中，低頻范圍中的通信信號被發(fā)送到水下低頻調(diào)制解調(diào)器(例如經(jīng)由雙工器36的接口 51)。在步驟108中，高頻范圍中的通信信號被發(fā)送到水下高頻調(diào)制解調(diào)器(例如經(jīng)由雙工器36的接口 52)。該方法然后結(jié)束。
[0068]如能夠看見的，通過使用相同的物理傳輸線路，所述方法使得能實現(xiàn)低頻上部和水下調(diào)制解調(diào)器之間以及高頻上部和水下調(diào)制解調(diào)器之間的通信。因此可以通過使用OFDM數(shù)據(jù)傳送方案的通信系統(tǒng)來升級低頻調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)而不打擾低頻調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)的操作。
[0069]應該清楚的是，通信信號通常是模擬通信信號，并且圖4中所圖示的步驟因此可能不是離散步驟，但可以被連續(xù)地并且基本上同時地執(zhí)行(例如其中僅短延遲通過上部和水下頻率復用器的電部件、布線以及相應調(diào)制解調(diào)器的電子部件而被引入)。另一方面當然可以想象的是，接收信號的數(shù)字處理例如在頻率復用器中或者在接入倍增器等等中正被執(zhí)行。
[0070]總而言之，本文中所公開的實施例可以增加可用于上部控制中心與水下裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，而不打擾具有較低帶寬的現(xiàn)有通信系統(tǒng)。兩個通信系統(tǒng)可以共存。因為兩個系統(tǒng)可以在相同的臍帶式管纜上通信而不打擾彼此，所以例如通過互換包括低頻調(diào)制解調(diào)器的模塊或者通過添加模塊，能夠逐步升級水下裝置。通信鏈路能夠用可以被設計為無源單元并且因此不需要電源的上部/水下頻率復用器來升級。升級到本文中所公開的水下通信系統(tǒng)因此是相對簡單和有成本效益的。
【權利要求】
1.一種用于提供上部控制系統(tǒng)(11)與水下裝置(12)之間的數(shù)據(jù)通信的水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述上部控制系統(tǒng)(11)包括被適配成在第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)，并且其中所述水下裝置(12)包括被適配成在所述第一頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)， 所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)通過將所述上部控制系統(tǒng)(11)連接到所述水下裝置(12)的臍帶式管纜(13)的數(shù)據(jù)傳輸線路(14)而被耦合到所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)， 其中，所述水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(10)包括: -上部高頻調(diào)制解調(diào)器(31)，其被適配成被布置在所述上部控制系統(tǒng)(11)處并且適配成在第二頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信，所述第二頻率范圍高于所述第一頻率范圍， -水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)，其被適配成被布置在所述水下裝置(12)處并且適配成在所述第二頻率范圍中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信， -上部頻率復用器(35)，其被適配成將所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)和所述上部高頻調(diào)制解調(diào)器(31)耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)， -水下頻率復用器(36)，其被適配成將所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)和所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)， 其中，所述上部和所述水下頻率復用器(35，36)被配置以便使得通過所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)能實現(xiàn)所述第一頻率范圍中的所述上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器(21，22)之間以及所述第二頻率范圍中的所述上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)之間的同時數(shù)據(jù)通?目。`
2.根據(jù)權利要求1所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述第一頻率范圍和所述第二頻率范圍被配置使得它們不重疊。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述第一頻率范圍位于閾頻率下面而所述第二頻率范圍位于所述閾頻率之上，所述閾頻率為在約10 kHz至約150 kHz的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述第一頻率范圍是約IkHz至約5 kHz的范圍而所述第二頻率范圍是約50kHz至約IOMHz的范圍。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述頻率復用器(35，36)是雙工器。
6.根據(jù)權利要求5所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述雙工器是無源雙工器。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，每個頻率復用器被適配成將從所述相應的低頻調(diào)制解調(diào)器(21，22)和所述相應的高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)接收到的數(shù)據(jù)通信信號復用到所述數(shù)據(jù)傳輸線路上，并且適配成將在所述數(shù)據(jù)傳輸線路上接收到的通信信號解復用成待發(fā)送到所述相應的低頻調(diào)制解調(diào)器(21，22)的所述第一頻率范圍中的通信信號和待發(fā)送到所述相應的高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)的所述第二頻率范圍中的通信信號。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，每個頻率復用器(35，36)包括朝所述相應的低頻調(diào)制解調(diào)器的第一接口(51)、朝所述相應的高頻調(diào)制解調(diào)器的第二接口(52)以及朝所述數(shù)據(jù)傳輸線路的第三接口(53)，所述頻率復用器(35，36)進一步包括-低通濾波器或帶通濾波器(37)，其被適配成通過所述第一頻率范圍的頻率并且連接在所述第一接口(51)與所述第三接口(53)之間以及 -高通濾波器或帶通濾波器(38)，其被適配成通過所述第二頻率范圍的頻率并且連接在所述第二接口(52)與所述第三接口(53)之間。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述上部和所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)被適配成使用正交頻分復用方案來執(zhí)行與彼此的數(shù)據(jù)通信。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述上部和所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)被適配成對于所述數(shù)據(jù)通信使用位于約50kHz至約10 MHz范圍內(nèi)的頻帶，所述頻帶被劃分成頻率復用信道，每個信道具有預定頻率帶寬。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，進一步包括耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)的水下信號分配模塊(40)，其中所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)和至少一個另外的低頻調(diào)制解調(diào)器(22)被耦合到所述水下信號分配模塊(40)，所述低頻調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)多點通信方法以便使得能實現(xiàn)所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)與所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)中的每一個之間的數(shù)據(jù)通信。
12.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，進一步包括耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)的水下信號分配模塊(40)，其中所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)和至少一個另外的水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)被耦合到所述水下信號分配模塊(40)，所述水下信號分配模塊(40)包括被適配成使得能實現(xiàn)所述上部高頻調(diào)制解調(diào)器(31)與所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)中的每一個之間的點對點通信的接入倍增器(41)。
13.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的水下通信系統(tǒng)，其中，所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)被連接到井控模塊或管控模塊，或者是其部分，所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)被配置成將在所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)`之上接收到的數(shù)據(jù)分別提供給所述井控模塊或所述管控模塊。
14.一種執(zhí)行上部控制系統(tǒng)(11)與水下裝置(12)之間的數(shù)據(jù)通信的方法，其中所述上部控制系統(tǒng)(11)包括上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)，并且其中所述水下裝置(12)包括水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)，所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)通過將所述上部控制系統(tǒng)(11)連接到所述水下裝置(12)的臍帶式管纜(13)的數(shù)據(jù)傳輸線路(14)而被耦合到所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)，所述方法包括以下步驟: -在第一頻率范圍中執(zhí)行所述上部和所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(21，22)之間的數(shù)據(jù)通信， -在第二頻率范圍中執(zhí)行布置在所述上部控制系統(tǒng)處的上部高頻調(diào)制解調(diào)器(31)與布置在所述水下裝置(12)處的水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)之間的數(shù)據(jù)通信，所述第二頻率范圍高于所述第一頻率范圍， 其中，所述上部低頻調(diào)制解調(diào)器(21)和所述上部高頻調(diào)制解調(diào)器(31)通過上部頻率復用器(35)而被耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)，并且其中，所述水下低頻調(diào)制解調(diào)器(22)和所述水下高頻調(diào)制解調(diào)器(32)通過水下頻率復用器(36)而被耦合到所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14),所述方法進一步包括: -通過所述上部和水下頻率復用器(35，36)中的每一個來執(zhí)行頻率復用和解復用，以便使得通過所述數(shù)據(jù)傳輸線路(14)能實現(xiàn)所述第一頻率范圍中的所述上部和水下低頻調(diào)制解調(diào)器(21，22)之間以及所述第二頻率范圍中的所述上部和水下高頻調(diào)制解調(diào)器(31，32)之間的同時數(shù)據(jù)通信。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，所述方法通過依照權利要求1-13中任一項所配置的水下通信系統(tǒng)(10)來`執(zhí)行。
【文檔編號】E21B33/035GK103518332SQ201280022890
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年4月24日 優(yōu)先權日:2011年5月12日
【發(fā)明者】K.克里斯琴森 申請人:西門子公司