《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 作者: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
2017/10/26 13:13:00

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。

    关键词: 宽带电力线载波通信;Turbo;信道编码

    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.

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.

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