0 引言

    電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）以其覆蓋范圍廣,、無(wú)需重新布線,、投資少、連接方便等優(yōu)點(diǎn),，被普遍認(rèn)為是“最后一公里”解決方案的最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù),。但由于電力線不是一種理想的傳輸信道^[1]，并且掛載在電力線上的各種用電器都會(huì)對(duì)電力線通信造成干擾,，因此,，電力線信道是一種時(shí)變、多徑的頻率選擇性衰減的傳輸信道,。

    由于電力線信道的時(shí)變性,，隨著用電器數(shù)量的開(kāi)啟和閉合數(shù)量變化而變化，導(dǎo)致電力線信道建模非常困難,，目前學(xué)術(shù)界還難以拿出一個(gè)通用的信道模型來(lái),。

    對(duì)抗電力線信道噪聲和干擾最為有效的手段就是信道編碼,，HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn)中給出了一個(gè)雙二元的Turbo碼構(gòu)造，但這個(gè)Turbo碼內(nèi)的交織器被國(guó)外某通信設(shè)備商申請(qǐng)了專利,，如果直接采用HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn),，將來(lái)可能會(huì)引起不必要的知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛。

    因此,，本文重新設(shè)計(jì)了一個(gè)Turbo碼交織器方案,，在相同復(fù)雜度前提下，性能略優(yōu)于HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn),。

1 Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)中的Turbo碼

1.1 Turbo編碼器構(gòu)造

    按照Homeplug AV標(biāo)準(zhǔn)^[2-3],，物理層Turbo編碼由2個(gè)相同的分量編碼器(ENC1，ENC2)組成,，編碼器每輸入一對(duì)信息位(u₁,，u₂)后，編碼結(jié)果就輸出該系統(tǒng)位(u₁,，u₂)和校驗(yàn)位(p,，q)。Turbo編碼器架構(gòu)如圖1所示,。

    ENC1和ENC2使用8狀態(tài)編碼器,，輸入數(shù)據(jù)流的第一個(gè)比特位映射到u₁，第二個(gè)比特位映射到u₂,，依此類推,，在一個(gè)ENC中，每一對(duì)比特位對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)校驗(yàn)位,。校驗(yàn)位(p,，q)的計(jì)算根據(jù)圖2確定。

    每個(gè)成員碼編碼器的具體算法如下：

    步驟1：設(shè)置寄存器初始狀態(tài)S₀=[S₀₁,，S₀₂,，S₀₃]為[0，0,，0],。

    步驟2：輸入信息位至分量編碼器(ENC2輸入的是交織后的信息位)，直至最后一位,，用于得到編碼結(jié)束的末狀態(tài)S_N=[S_N1,，S_N2，S_N3],。

    步驟3：定義矩陣M,。

    PB_Size為520、72,、16(用于幀控制)時(shí)：

1.2 Turbo碼內(nèi)交織器構(gòu)造

    Turbo交織器用于將原始數(shù)據(jù)交織后作為第二個(gè)成員碼的輸入,，Turbo交織按照雙比特為單位進(jìn)行,，交織器長(zhǎng)度等于原始數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度的雙比特?cái)?shù)量，Turbo交織的參數(shù)如表1所示,。PB長(zhǎng)度主要有PB16（幀控制）,、PB136（載荷）、PB520（載荷）3種,。

    首先規(guī)定Turbo交織的地址映射I(x)定義如下：

式中S()是一個(gè)查找表,，它是一個(gè)事先按碼距最大原則搜索好的種子表，按照I(x)要求,，交織時(shí)采用種子表中的數(shù)據(jù)代入后,，能使交織碼距最大。div表示整除,，mod表示模運(yùn)算,。N是S表長(zhǎng)度，M是雙比特交織長(zhǎng)度除以S表長(zhǎng)度,，見(jiàn)表2～表4,，S(x)中的x是代表輸入編碼器的bit序號(hào)，S(x)是按碼距最大原則搜索出來(lái)的交織種子,，直接代入I(x)公式運(yùn)算,，求得交織地址。地址映射I(x)用于Turbo交織的具體算法如下：   

    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()表示交織器輸入,，IntData()表示交織器輸出。需要注意的是：當(dāng)交織器輸出地址為偶數(shù)時(shí),，對(duì)應(yīng)的交織后的信息比特對(duì)的第0和第1比特要交換一下,。

2 重新搜索后的交織器

    為了避開(kāi)國(guó)外通信設(shè)備商的專利陷阱,，又盡可能繼承HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu),，最小的代價(jià)就是重新搜索Turbo碼內(nèi)交織器。搜索原則：按照表1的要求,，盡可能使搜索數(shù)字位于S表窗口的中間位置,，S交織種子表與各個(gè)不同碼字間的碼距盡可能相同。

    重新搜索后的交織種子表如表5,、表6,、表7所示。

3 兩種交織器的性能對(duì)比

    在AWGN信道下^[4-5],，當(dāng)幀長(zhǎng)固定為PB=16 B,、72 B,、136 B、520 B時(shí),，Turbo編碼器內(nèi)采用表2,、表3、表4與表5,、表6,、表7交織種子表時(shí)的性能對(duì)比，如圖3所示,。

    從圖3可以看出,，在AWGN信道下，采用重新搜索后的Turbo碼交織器,，在相同復(fù)雜度條件下,，性能略優(yōu)于HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

    在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中,，發(fā)現(xiàn)HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn)中的Turbo碼交織器被某國(guó)外通信設(shè)備廠家申請(qǐng)了專利,，并成功獲得美國(guó)專利保護(hù)。如果繼續(xù)按照HomeplugAV標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品,，可能會(huì)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛隱患,，因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的Turbo碼交織器方案,。

    重新搜索了一遍T(mén)urbo碼交織器的種子表,，按照碼距最優(yōu)原則搜索出來(lái)的種子表性能與HomeplugAV里的種子表做性能對(duì)比，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證其性能優(yōu)于HomeplugAV,，且復(fù)雜度沒(méi)有任何變化,。

參考文獻(xiàn)

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

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[3] 國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：基于寬帶載波通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[S].2016.

[4] 王杰強(qiáng).基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[5] 孫春光.基于OFDM的電力線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津大學(xué),，2006.

作者信息：

周寒冰1,，2，趙東艷1,，2,，唐曉柯1，2,，張海峰1,，2，王東山1，2

(1.北京智芯微電子科技有限公司,，國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室,，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司,，北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,，北京100192)