0 引言

    電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）以其覆蓋范圍廣、無需重新布線、投資少、連接方便等優點，被普遍認為是“最后一公里”解決方案的最有競爭力的技術。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對電力線通信造成干擾，因此，電力線信道是一種時變、多徑的頻率選擇性衰減的傳輸信道。

    由于電力線信道的時變性，隨著用電器數量的開啟和閉合數量變化而變化，導致電力線信道建模非常困難，目前學術界還難以拿出一個通用的信道模型來。

    對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標準中給出了一個雙二元的Turbo碼構造，但這個Turbo碼內的交織器被國外某通信設備商申請了專利，如果直接采用HomeplugAV標準，將來可能會引起不必要的知識產權糾紛。

    因此，本文重新設計了一個Turbo碼交織器方案，在相同復雜度前提下，性能略優于HomeplugAV標準。

1 Homeplug AV標準中的Turbo碼

1.1 Turbo編碼器構造

    按照Homeplug AV標準^[2-3]，物理層Turbo編碼由2個相同的分量編碼器(ENC1，ENC2)組成，編碼器每輸入一對信息位(u₁，u₂)后，編碼結果就輸出該系統位(u₁，u₂)和校驗位(p，q)。Turbo編碼器架構如圖1所示。

    ENC1和ENC2使用8狀態編碼器，輸入數據流的第一個比特位映射到u₁，第二個比特位映射到u₂，依此類推，在一個ENC中，每一對比特位對應輸出一個校驗位。校驗位(p，q)的計算根據圖2確定。

    每個成員碼編碼器的具體算法如下：

    步驟1：設置寄存器初始狀態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，用于得到編碼結束的末狀態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：

1.2 Turbo碼內交織器構造

    Turbo交織器用于將原始數據交織后作為第二個成員碼的輸入，Turbo交織按照雙比特為單位進行，交織器長度等于原始數據塊長度的雙比特數量，Turbo交織的參數如表1所示。PB長度主要有PB16（幀控制）、PB136（載荷）、PB520（載荷）3種。

    首先規定Turbo交織的地址映射I(x)定義如下：

式中S()是一個查找表，它是一個事先按碼距最大原則搜索好的種子表，按照I(x)要求，交織時采用種子表中的數據代入后，能使交織碼距最大。div表示整除，mod表示模運算。N是S表長度，M是雙比特交織長度除以S表長度，見表2～表4，S(x)中的x是代表輸入編碼器的bit序號，S(x)是按碼距最大原則搜索出來的交織種子，直接代入I(x)公式運算，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：當交織器輸出地址為偶數時，對應的交織后的信息比特對的第0和第1比特要交換一下。

2 重新搜索后的交織器

    為了避開國外通信設備商的專利陷阱，又盡可能繼承HomeplugAV標準的架構，最小的代價就是重新搜索Turbo碼內交織器。搜索原則：按照表1的要求，盡可能使搜索數字位于S表窗口的中間位置，S交織種子表與各個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比

    在AWGN信道下^[4-5]，當幀長固定為PB=16 B、72 B、136 B、520 B時，Turbo編碼器內采用表2、表3、表4與表5、表6、表7交織種子表時的性能對比，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，在相同復雜度條件下，性能略優于HomeplugAV標準。

4 結論

    在產品研發過程中，發現HomeplugAV標準中的Turbo碼交織器被某國外通信設備廠家申請了專利，并成功獲得美國專利保護。如果繼續按照HomeplugAV標準開發產品，可能會有知識產權糾紛隱患，因此，設計了一個新的Turbo碼交織器方案。

    重新搜索了一遍Turbo碼交織器的種子表，按照碼距最優原則搜索出來的種子表性能與HomeplugAV里的種子表做性能對比，經過仿真驗證其性能優于HomeplugAV，且復雜度沒有任何變化。

參考文獻

[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] 國家電網企業標準.電力用戶用電信息采集系統通信協議：基于寬帶載波通信的數據傳輸協議[S].2016.

[4] 王杰強.基于OFDM電力線載波通信系統設計及FPGA實現[D].重慶：重慶大學，2012.

[5] 孫春光.基于OFDM的電力線系統設計及實現[D].天津：天津大學，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，國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，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計工程技術研究中心，北京100192)