《电子技术应用》

宽带电力线载波系统中的信道编码技术研究

2017年电子技术应用第10期
周寒冰1,2,赵东艳1,2,唐晓柯1,2,张海峰1,2,王东山1,2
(1.北京智芯微电子科技有限公司,国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192; 2.北京智芯微电子科技有限公司,北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192)
摘要: 电力线载波通信具有网络覆盖范围广、接入方便的特点,但电力线不是一种理想的传输信道,其信道传输环境恶劣,不但具有阻抗匹配和频率选择性衰减的问题,而且还存在着严重的噪声和干扰。长期的实践证明:对抗恶劣电力线信道的最有效手段是信道编码技术,HomepulgAV标准中给出了双二元Turbo编码构造以及码内交织方案,但这种编码已经被国外通信设备商申请了专利,如果照搬恐会引起知识产权纠纷,因而给出了一种新的Turbo码交织方案,其性能比HomeplugAV标准略有提升,复杂程度完全相同,并给出仿真结果。
中图分类号: TN914.1
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179016
中文引用格式: 周寒冰,赵东艳,唐晓柯,等. 宽带电力线载波系统中的信道编码技术研究[J].电子技术应用,2017,43(10):20-22,25.
英文引用格式: Zhou Hanbing,Zhao Dongyan,Tang Xiaoke,et al. Research on channel encoding technology in broadband power line communications[J].Application of Electronic Technique,2017,43(10):20-22,25.

Research on channel encoding technology in broadband power line communications

Zhou Hanbing1,2,Zhao Dongyan1,2,Tang Xiaoke1,2,Zhang Haifeng1,2,Wang Dongshan1,2
(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.Ltd.,Beijing 100192,China; 2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.Ltd.,Beijing 100192,China)
Abstract: With its coverage widely and access easily characteristic, PLC technology has been popularized in meters reading and home automation domains,but the channel of PLC is not perfect, there are critical power noise and all kinds interference existed. Long time practice proved that the best way to overcome the problem of PLC channel is channel coding. In HomeplugAV standard give out a double binary Turbo coding structures, but for commercial reason, this Turbo interleave structure has become the patent product of oversea telecommunication equipment manufacturer, if use this Turbo directly, maybe cause intellectual property disputes in future. In this paper, we give out a different Turbo interleave patterns ,which performance is better than HomeplugAV with the same complexity level, then give out the simulation results.

0 引言

    电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)以其覆盖范围广、无需重新布线、投资少、连接方便等优点,被普遍认为是“最后一公里”解决方案的最有竞争力的技术。但由于电力线不是一种理想的传输信道[1],并且挂载在电力线上的各种用电器都会对电力线通信造成干扰,因此,电力线信道是一种时变、多径的频率选择性衰减的传输信道。

    由于电力线信道的时变性,随着用电器数量的开启和闭合数量变化而变化,导致电力线信道建模非常困难,目前学术界还难以拿出一个通用的信道模型来。

    对抗电力线信道噪声和干扰最为有效的手段就是信道编码,HomeplugAV标准中给出了一个双二元的Turbo码构造,但这个Turbo码内的交织器被国外某通信设备商申请了专利,如果直接采用HomeplugAV标准,将来可能会引起不必要的知识产权纠纷。

    因此,本文重新设计了一个Turbo码交织器方案,在相同复杂度前提下,性能略优于HomeplugAV标准。

1 Homeplug AV标准中的Turbo码

1.1 Turbo编码器构造

    按照Homeplug AV标准[2-3],物理层Turbo编码由2个相同的分量编码器(ENC1,ENC2)组成,编码器每输入一对信息位(u1,u2)后,编码结果就输出该系统位(u1,u2)和校验位(p,q)。Turbo编码器架构如图1所示。

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    ENC1和ENC2使用8状态编码器,输入数据流的第一个比特位映射到u1,第二个比特位映射到u2,依此类推,在一个ENC中,每一对比特位对应输出一个校验位。校验位(p,q)的计算根据图2确定。

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    每个成员码编码器的具体算法如下:

    步骤1:设置寄存器初始状态S0=[S01,S02,S03]为[0,0,0]。

    步骤2:输入信息位至分量编码器(ENC2输入的是交织后的信息位),直至最后一位,用于得到编码结束的末状态SN=[SN1,SN2,SN3]。

    步骤3:定义矩阵M。

    PB_Size为520、72、16(用于帧控制)时:

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1.2 Turbo码内交织器构造

    Turbo交织器用于将原始数据交织后作为第二个成员码的输入,Turbo交织按照双比特为单位进行,交织器长度等于原始数据块长度的双比特数量,Turbo交织的参数如表1所示。PB长度主要有PB16(帧控制)、PB136(载荷)、PB520(载荷)3种。

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    首先规定Turbo交织的地址映射I(x)定义如下:

     dldz4-gs1.gif

式中S()是一个查找表,它是一个事先按码距最大原则搜索好的种子表,按照I(x)要求,交织时采用种子表中的数据代入后,能使交织码距最大。div表示整除,mod表示模运算。N是S表长度,M是双比特交织长度除以S表长度,见表2~表4,S(x)中的x是代表输入编码器的bit序号,S(x)是按码距最大原则搜索出来的交织种子,直接代入I(x)公式运算,求得交织地址。地址映射I(x)用于Turbo交织的具体算法如下:   

    if x mod 2==0

        IntData(2·x)=Data(2·I(x)+1)

        IntData(2·x+1)=Data(2·I(x))

    if x mod 2==1

        IntData(2·x)=Data(2·I(x))

        IntData(2·x+1)=Data(2·I(x)+1)

    for x=0,1,2,…,L-1

其中Data()表示交织器输入,IntData()表示交织器输出。需要注意的是:当交织器输出地址为偶数时,对应的交织后的信息比特对的第0和第1比特要交换一下。

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2 重新搜索后的交织器

    为了避开国外通信设备商的专利陷阱,又尽可能继承HomeplugAV标准的架构,最小的代价就是重新搜索Turbo码内交织器。搜索原则:按照表1的要求,尽可能使搜索数字位于S表窗口的中间位置,S交织种子表与各个不同码字间的码距尽可能相同。

    重新搜索后的交织种子表如表5、表6、表7所示。

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3 两种交织器的性能对比

    在AWGN信道下[4-5],当帧长固定为PB=16 B、72 B、136 B、520 B时,Turbo编码器内采用表2、表3、表4与表5、表6、表7交织种子表时的性能对比,如图3所示。

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    从图3可以看出,在AWGN信道下,采用重新搜索后的Turbo码交织器,在相同复杂度条件下,性能略优于HomeplugAV标准。

4 结论

    在产品研发过程中,发现HomeplugAV标准中的Turbo码交织器被某国外通信设备厂家申请了专利,并成功获得美国专利保护。如果继续按照HomeplugAV标准开发产品,可能会有知识产权纠纷隐患,因此,设计了一个新的Turbo码交织器方案。

    重新搜索了一遍Turbo码交织器的种子表,按照码距最优原则搜索出来的种子表性能与HomeplugAV里的种子表做性能对比,经过仿真验证其性能优于HomeplugAV,且复杂度没有任何变化。

参考文献

[1] ZIMMERMANN M,DOSTERT K.A multipath model for the power-line channel[J].IEEE Transactions on communications,2002,50(4):553-558.

[2] Homeplug powerline alliance.homeplug AV speciafication version 1.0[Z].2006.

[3] 国家电网企业标准.电力用户用电信息采集系统通信协议:基于宽带载波通信的数据传输协议[S].2016.

[4] 王杰强.基于OFDM电力线载波通信系统设计及FPGA实现[D].重庆:重庆大学,2012.

[5] 孙春光.基于OFDM的电力线系统设计及实现[D].天津:天津大学,2006.



作者信息:

周寒冰1,2,赵东艳1,2,唐晓柯1,2,张海峰1,2,王东山1,2

(1.北京智芯微电子科技有限公司,国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192;

2.北京智芯微电子科技有限公司,北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192)

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