CN103209067B - 一种电力线ofdm导频生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线OFDM导频生成方法及装置。其方法包括如下步骤：导频符号生成步骤，生成导频符号序列；符号映射步骤，将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成由数据符号和导频符号组成的包含多个OFDM符号的数据帧。由于采用了上述的导频生成方式，完全能够适应在电力线中应用数据长度可变的OFDM技术，同时在强烈干扰的电力线环境下，能够获得优质的通信效果。

Description

一种电力线OFDM导频生成方法及装置

【技术领域】

本发明电力线通信领域，尤其涉及一种电力线OFDM导频生成方法及装置。

【背景技术】

电力线载波（Power Line Carrier）通信技术简称PLC，是指利用电力线作为信息传输媒介进行数据传输的一种通信方式。它可以充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，就能够为用户提供数据通信服务。利用现有的电力线实现数据通信，可极大的节省通信网络的建设费用。随着国内智能电网和智能家居网络不断兴起，电力线载波通信赢来了有一个快速发展的时期。

但影响和制约电力线载波通信发展的因素很多，最主要的还是电力线上复杂的信道。电力线载波信道环境的特点：各种噪声，各种杂波干扰（某个频率，无规律，不可预测），各种脉冲干扰（无规律，不可预测），时变衰减（无规律，不可预测，使得通信距离局限在1000米以内），反射引起的多径（最大延迟<3us）。由此可见，电力线载波信道具有时变性，阻抗变换大，衰减较大（尤其是电力负载为容性时，对载波通信信号近似短路），各种干扰噪声复杂。

目前国内应用较多的是窄带调制技术，即采用一般的、传统的载波调制技术将数字信号的频谱调制到较高的载波频率上，主要包括幅度键控（ASK），频率键控（FSK）和相位键控（PSK）技术。但是这些传统的调制技术都存在如下缺点：1）抗干扰能力比较弱；2）窄带调制技术的数据速率很低。因此目前的技术无法满足日益发展的电力线载波通信需求。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,缩写为OFDM）是一种特殊的多载波信号调制方法，该技术的显著优势是能够有效的对抗频率选择性衰落，且与传统并行数据传输相比频谱利用率高。OFDM已经成功应用在无线通信领域，且取得了良好的效果。例如数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线本地局域网（WLAN）都应用了OFDM技术，OFDM***通常是在某些时刻利用某些子载波发送导频符号，然后利用时频域的相关特性进行插值来得到整个信道的频域响应。

国外对电力线通信技术研究已经很久，制定了一些标准（例如Prime标准、ERDF G3标准），将OFDM引入电力线通信，该OFDM***基本上只具有编码模块和逆傅里叶变换模块。然而，经过一系列的实地测试表明，该OFDM技术或产品应用在中国电力线上，效果很差。经过对国内电力线信道环境的研究分析得知，其存在如下特性：1、由于人口密集，电力网密布，电磁干扰比较强烈；2、中国应用的大多数电器的电磁辐射超标，给电力网带来的电磁干扰也很强烈。国外的OFDM标准无法跟踪信道的变化特性，因而其在强烈的电磁环境下，无法获得优质的通信效果。另外，目前的导频***方式只适用于固定数据长度的导频，在电力线通信中，尤其在强烈的电磁干扰的电力线中，数据的长度根据实际传输的数据量需要不断调整，在此情况下，现有的无线等领域的导频***方式无法起到作用。

【发明内容】

为了适应电磁干扰强烈的电力环境，本发明提供了一种电力线OFDM导频生成方法及装置。

一种电力线OFDM导频生成方法，包括如下步骤：

导频符号生成步骤，生成导频符号序列；

符号映射步骤，将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧。

优选地，所述数据帧的每个OFDM符号都具有导频符号；经过一定的符号周期后，在后OFDM符号的导频符号所处的子载波位置与在前OFDM符号的一致。

优选地，所述符号周期是N_f，在数据帧的第i个OFDM符号中，导频符号所处的子载波位置为j，

j=N_start-1+(i%N_f)+(k-1)N_f

其中，i=1,2,...,N_s，k是系数，N_s表示传输的数据帧所包含的OFDM符号的个数，N_start表示每个OFDM符号的有效子载波的起始子载波序号，N_end表示每个OFDM符号的有效子载波的终止子载波序号，有效子载波包含导频子载波和数据子载波；其中运算符号表示不大于该运算符号内的数值的最大整数，%表示取余。

优选地，所述导频符号序列按照如下算法生成： $\underset{K=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}c\left(K\right)c^{*}{(K+\mathrm{\&tau;})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\&tau;}=0\\ 0,\mathrm{\&tau;}\&NotEqual;0\end{array}\right.,$ 其中*表示复数共轭，c(K)的周期为N，c(K)表示导频符号序列第K个导频符号，τ是任意数。

优选地，c(K)=exp[jrπK²/N]，其中，r与N互质，j表示虚数单位，r为整数。

优选地，所述符号映射步骤包括：

导频***步骤，将所述导频符号***串行的所述数据符号之间，形成串行的数据/导频符号流；

串并转换步骤，将所述数据/导频符号流转换成并行的数据/导频符号组；

以及子载波映射步骤，将所述数据/导频符号组映射至子载波上，形成OFDM符号。

一种电力线OFDM导频生成装置，包括：

导频符号生成装置，用于生成导频符号序列；

符号映射装置，用于将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧。

优选地，所述数据帧的每个OFDM符号都具有导频符号；经过一定符号周期后，在后OFDM符号的导频符号所处的子载波位置与在前OFDM符号的一致。

优选地，所述符号周期是N_f，在数据帧的第i个OFDM符号中，导频符号所处的子载波位置为j，

j=N_start-1+(i%N_f)+(k-1)N_f

其中，i=1,2,...,N_s，k是系数，N_s表示传输的数据帧所包含的OFDM符号的个数，N_start表示每个OFDM符号的有效子载波的起始子载波序号，N_end表示每个OFDM符号的有效子载波的终止子载波序号，有效子载波包含导频子载波和数据子载波；其中运算符号表示不大于该运算符号内的数值的最大整数，%表示取余。

优选地，所述导频符号序列按照如下算法生成： $\underset{K=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}c\left(K\right)c^{*}{(K+\mathrm{\&tau;})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\&tau;}=0\\ 0,\mathrm{\&tau;}\&NotEqual;0\end{array}\right.,$ 其中*表示复数共轭，c(K)的周期为N，c(K)表示导频符号序列第K个导频符号，τ是任意数。

优选地，c(K)=exp[jrπK²/N]，其中，r与N互质，r为整数。

优选地，所述符号映射装置包括：

导频***装置，用于将所述导频符号***串行的所述数据符号之间，形成串行的数据/导频符号流；

串并转换装置，用于将所述数据/导频符号流转换成并行的数据/导频符号组；

以及子载波映射装置，用于将所述数据/导频符号组映射至子载波上，形成OFDM符号。

现有的导频结构中，导频符号的位置较为分散，且由于其应用在固定长度的数据格式下，其位置也相对固定，而在强烈电磁干扰的电力线环境，数据长度往往不断调整，导频符号位置也要相应变化，因而，采用了这种较为密集的和具有周期性的导频***方法，完全能够适应在电力线中应用数据长度可变的OFDM技术，同时在强烈干扰的电力线环境下，能够获得优质的通信效果。

【附图说明】

图1是本发明的电力线OFDM导频生成装置的一种具体实施例；

图2是本发明的导频符号***数据符合块中的一种具体实施方式；

图3是本发明的数据帧的一种具体结构示意图；

图4是本发明的数据帧的另一种具体结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例，进一步阐述本说明。应理解，此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

电力线OFDM导频生成方法的一种具体实施例，包括如下步骤：

导频符号生成步骤，生成导频符号序列；

符号映射步骤，将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧。

电力线OFDM导频生成装置的一种具体实施例，包括：导频符号生成装置，用于生成导频符号序列；

符号映射装置，用于将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧。

CAZAC序列是具备了恒幅、零自相关性的优良特性的非二进制复数序列。CAZAC序列具有如下特性：

（1）良好的自相关性（循移位特性），即对任意的原始序列与其移动循环移位后的序列互不相关；

（2）良好的互相关性，即互相关和部分相关值接近于零；

（3）恒幅度特性，即任意CAZAC序列的幅值恒定；

（4）低峰均比特性，即任意CAZAC序列组成的时域信号的峰值与均值比值很低；

在电力线环境中，为了能得到准确的信道估计信息，电力线载波***的导频序列，需具备如下的特性：

（1）为实现无偏的新的估计，所有的子载波需经过相同的激励，即需要导频序列在频域具备恒幅度的特性；

（2）为能更准确的进行信道估计和同步，导频序列需具备良好的自相关性和互相关性；

（3）要求导频序列具有较小的峰均比；

基于上述的分析，本发明选用了CAZAC序列作为导频序列。

周期为N的CAZAC序列c(k)的自相关函数为

$\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\&tau;})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\&tau;}=0\\ 0,\mathrm{\&tau;}\&NotEqual;0\end{array}\right.$

该序列可以取为

c(k)=exp[jrπk²/N]，r与N互质

如何构造良好的导频的***方式，需考虑如下因素：

（1）***的间隔与信道的相干带宽（与最大多径时延有关）、相干时间（与最大多普勒频移有关）有关；

（2）导频的放置必须使得信道估计器能跟的上信道响应的变化；

（3）尽量减少因为放置导频而带来的***开销；

在无线通信等领域，导频结构主要有块状结构、梳状结构、方形结构和分散结构。

而电力线的信道环境复杂，其信道传输特点有：时变性大，阻抗变换大，衰减较大，各种干扰噪声复杂。为了更好的跟踪信道的时变，本具体实施例设计的导频结构如图2所示，具备如下的特性：

（1）各个导频符号在频域域方向满足奈奎斯特抽样定理；

（2）在频率轴方向上的相邻导频符号的符号间隔为N_f，即，相邻导频符号之间存在N_f个数据符号，且（τ_max为最大时延扩展，ΔF为相邻子载波之间的频率间隔），

（3）N_s表示传输的数据帧所包含的OFDM符号的个数，N_start表示每个OFDM符号的有效子载波的起始子载波序号，N_end表示每个OFDM符号的有效子载波的终止子载波序号。其中有效子载波包含导频子载波和数据子载波。

（4）相邻OFDM符号间，导频位置存在移位关系，经过一定的符号周期又回到初始位置，即导频位置循环移位，此处，符号周期数值上与符号间隔同为N_f。因此，导频数据可以表示为P_i,j，其中：

i=1,2,...,N_s

j=N_start-1+(i%N_f)+(k-1)N_f

其中，表示不大于本身的最大整数。如：

假设***的相邻子载波频率间隔ΔF=5kHz，***考虑的最大时域扩展为τ_max=20us，因此按照本发明的导频***方法，相邻导频符号之间的频率间隔需满足考虑的***的开销以及信道估计的准确性等问题，可将N_f=5。

导频符号采用CAZAC序列c(K)=exp[jrπK²/N]，（r与N互质），可将r=1,N=10，即导频序列的生成表达式为c(K)=exp[jπK²/10]。

如图1所示，是本发明导频生成装置的另一种具体实施例。包括依次相连的导频***装置、串并转换装置、子载波映射装置和IFFT变换装置，数据符号生成装置和CAZAC序列生成装置分别与导频***装置相连。

数据符号生成装置生成了待传输的数据符号；

CAZAC序列生成装置是生成CAZAC序列c(K)=exp[jπK²/10]，作为待***的导频符号序列；

导频***装置，按照图2所示结构将导频符号***到数据符号块中，组成串行的数据/导频符号流；

由于OFDM的有效子载波个数为(N_end-N_s+1)个，当进入串并转换装置的串行数据/导频符号个数达到(N_end-N_s+1)个时，即构成一组数据/导频符号，串并转换装置即将该组数据/导频符号转换成并行的一组数据/导频符号；如此重复，直至产生第N_s组数据/导频符号；由图2可以看出，在后数据/导频符号组的导频符号在该组所处的相对位置，与前数据/导频符号组的导频符号在该组所处的相对位置一致。

子载波映射装置，将每组并行的数据/导频符号映射到子载波上，形成一个OFDM符号，多个OFDM符号则构成了OFDM数据帧，如图3所示，共有N_s个OFDM符号构成了一个数据帧；由图3可以看出，经过一定周期，在后的OFDM符号的导频符号所处的频率位置，与在前的OFDM符号的导频符号所处的频率位置相同。

该OFDM数据帧再经过IFFT变化装置，做逆离散的傅立叶变化操作，变化到时域，进行发送。

如图4所示，数据帧中处于第i个OFDM符号第j个子载波的导频符号的子载波位置为P_i,j，采用以下算法：

i=1,2,...,N_s

j=N_start-1+(i%N_f)+(k-1)N_f

N_f=5，N_s=13时，13个OFDM符号组成一个OFDM数据帧时，其数据/导频符号的分布情况。由图4图可以看出，经过周期N_f=5，在后的OFDM符号的导频符号所处的频率位置，与在前的OFDM符号的导频符号所处的频率位置相同。

Claims (8)

1.一种电力线OFDM导频生成方法，其特征是，包括如下步骤：

导频符号生成步骤，生成导频符号序列；

符号映射步骤，将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧；

所述数据帧的每个OFDM符号都具有导频符号；经过一定的符号周期后，在后OFDM符号的导频符号所处的子载波位置与在前OFDM符号的一致；

所述符号周期是N_f，在数据帧的第i个OFDM符号中，导频符号所处的子载波位置为j，

j＝N_start-1+(i％N_f)+(k-1)N_f

其中，i＝1,2,...,N_s，k是系数，N_s表示传输的数据帧所包含的OFDM符号的个数，N_start表示每个OFDM符号的有效子载波的起始子载波序号，N_end表示每个OFDM符号的有效子载波的终止子载波序号，有效子载波包含导频子载波和数据子载波；其中运算符号表示不大于该运算符号内的数值的最大整数，％表示取余；相邻导频符号之间存在N_f个数据符号，且τ_max为最大时延扩展，ΔF为相邻子载波之间的频率间隔。

2.如权利要求1所述的电力线OFDM导频生成方法，其特征是：所述导频符号序列按照如下算法生成：其中*表示复数共轭，c(K)的周期为N，c(K)表示导频符号序列第K个导频符号，τ是任意数。

3.如权利要求2所述的电力线OFDM导频生成方法，其特征是：

c(K)＝exp[jrπK²/N]，其中，r与N互质，j表示虚数单位，r为整数。

4.如权利要求3所述的电力线OFDM导频生成方法，其特征是，所述符号映射步骤包括：

导频***步骤，将所述导频符号***串行的所述数据符号之间，形成串行的数据/导频符号流；

串并转换步骤，将所述数据/导频符号流转换成并行的数据/导频符号组；

以及子载波映射步骤，将所述数据/导频符号组映射至子载波上，形成OFDM符号。

5.一种电力线OFDM导频生成装置，其特征是，包括：

导频符号生成装置，用于生成导频符号序列；

符号映射装置，用于将数据符号和所述导频符号序列分别映射到有效子载波上，从而形成包含多个由数据符号和导频符号组成的OFDM符号的数据帧；

所述数据帧的每个OFDM符号都具有导频符号；经过一定符号周期后，在后OFDM符号的导频符号所处的子载波位置与在前OFDM符号的一致；

所述符号周期是N_f，在数据帧的第i个OFDM符号中，导频符号所处的子载波位置为j，

j＝N_start-1+(i％N_f)+(k-1)N_f

其中，i＝1,2,...,N_s，k是系数，N_s表示传输的数据帧所包含的OFDM符号的个数，N_start表示每个OFDM符号的有效子载波的起始子载波序号，N_end表示每个OFDM符号的有效子载波的终止子载波序号，有效子载波包含导频子载波和数据子载波；其中运算符号表示不大于该运算符号内的数值的最大整数，％表示取余；相邻导频符号之间存在N_f个数据符号，且τ_max为最大时延扩展，ΔF为相邻子载波之间的频率间隔。

6.如权利要求5所述的电力线OFDM导频生成装置，其特征是：所述导频符号序列按照如下算法生成：其中*表示复数共轭，c(K)的周期为N，c(K)表示导频符号序列第K个导频符号，τ是任意数。

7.如权利要求6所述的电力线OFDM导频生成装置，其特征是：

c(K)＝exp[jrπK²/N]，其中，r与N互质，r为整数。

8.如权利要求6所述的电力线OFDM导频生成装置，其特征是，所述符号映射装置包括：

导频***装置，用于将所述导频符号***串行的所述数据符号之间，形成串行的数据/导频符号流；

串并转换装置，用于将所述数据/导频符号流转换成并行的数据/导频符号组；

以及子载波映射装置，用于将所述数据/导频符号组映射至子载波上，形成OFDM符号。