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(zhuān)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(lèi)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(zhuān)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(zhuān)利，并成功獲得美國(guó)專(zhuān)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.

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

[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)