CN113660064B - 一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码方法，属于电力线通信领域。本发明电力线通信***包括发送端、信道与接收端。在发送端，原始通信数据被划分为多个长度相等的数据包，然后对多个数据包的相同位置数据进行汉明码编码，称为纵向交织汉明码；接下来对包括由汉明码奇偶校验位序列在内的多个数据包分别进行卷积码编码，称为横向卷积码；最终多个数据包依次通过电力线通信信道；在接收端，首先将接收数据以相同的方式划分为多个数据包，并分别以与发送端相对应的过程设计译码方案，恢复电力线通信***内的通信数据。当电力线通信***内存在较强的连续突发脉冲干扰时，本发明可以获得良好的误比特率性能。

Description

一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织 编码方法

技术领域

本发明提出一种基于多数据包的联合二维交织编码方法，旨在提升电力线通信***的可靠性。该编码方案能够有效对抗电力线通信信道内的随机差错和连续突发脉冲干扰，同时具有易于实现、译码算法复杂度很低的特点。

背景技术

电力线通信(Power Line Communication，PLC)是指利用电力线作为传输介质进行数据传输的特殊通信方式，具体表现为将承载信息的高频载波信号加载于电力线传输电流上，并通过用户终端接收机将该载波信号分离提取以达到通信的目的。电力线通信适用于具有供电电缆固定布局的工业场景，它无需重新布线，通过已有的电力线布局结构即可完成数据通信，在一定程度上节约成本，提高能源利用效率。然而，电力线通信***存在着信号损失大、易受噪声干扰、信道环境复杂等固有的特点，特别是可能存在连续突发脉冲干扰，在很大程度上影响着电力线通信***的可行性与可靠性。因此本发明提出一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码方案，以提升电力线通信***的误比特性能。

本发明适用于具有较强连续突发脉冲干扰的电力线通信场景。在发送端，原始通信数据被划分为多个长度相等的数据包，然后对多个数据包的相同位置数据进行汉明码编码，此步骤称为纵向交织汉明码；接下来对包括由汉明码奇偶校验位序列在内的多个数据包分别进行卷积码编码，此步骤称为横向卷积码；最终多个数据包依次通过电力线通信信道；在接收端，首先将接收数据以相同的方式划分为多个数据包，并分别以与发送端相对应的过程设计译码方案，恢复电力线通信***内的通信数据。当电力线通信***内存在较强的连续突发脉冲干扰时，本发明方案可以获得良好的误比特率性能。

发明内容

本发明基于电力线通信***传输模型，为了保证在强干扰环境下的通信可靠性，提出一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码(MPC)方案。

本发明的技术方案：

一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码方法，具体步骤如下：

首先建立电力线通信***基本模型，包括发送端、信道与接收端。其中发送端包括两部分，分别为MPC编码部分和发送端处理部分。在MPC编码部分，原始数据首先划分为多个长度相等的数据包，纵向交织汉明码部分将多个数据包相同位置的数据进行汉明码编码，接下来横向卷积码编码部分对各个数据包分别进行卷积码编码，最终将多个数据包合并为一串序列；发送端处理部分包括***导频、OFDM调制、数模转换模块。

接收端包括与发送端相对应的两部分，分别为接收端处理部分和MPC译码部分。接收端处理部分包括模数转换、信道估计、频域均衡、OFDM解调模块，在MPC译码部分中，经过接收端处理部分处理的接收序列按照与发送端相同的方式分割为多个数据包，并对各个数据包进行维特比译码；译码后的序列进行纵向的汉明码校验子译码，最终将经过译码处理的数据包恢复为接收序列，完成电力线***的通信过程。

在本发明方案的电力线通信***中，一个很关键的问题就是如何设计编码方案来对抗电力线通信信道内可能产生的随机差错和连续突发脉冲干扰，接下来我们给出具体的实现方法。编码部分具体如下：

设原始数据的长度为N_b，原始数据序列表示为

其中

1≤i≤N_b。将原始数据划分为N_pk＝2^q-1个数据包，q≥3,/>

各数据包的长度均为N_l，经过数据包划分后的多个数据包集合表示为：

其中，u为u₁到

共N_pk个数据包形成的集合，b_i为原始数据序列中的对应元素，1≤i≤N_pkN_l。注意到可能存在N_pkN_l＞N_b的情况，即划分数据包后数据长度大于原始数据序列。因此，特殊规定数据包/>

存在长度为N_a＝N_lN_pk-N_b补零数据，0≤N_a＜N_l，数据包/>

满足：

接下来，利用信息位长度为N_pk，校验位长度为N_p＝2^q-q-1，码长为N_H＝N_pk+N_p的汉明码，即(N_H,N_pk)汉明码，对N_pk个数据包相同位置的数据信息进行编码，此步骤称为纵向交织汉明码，设(N_H,N_pk)汉明码的生成矩阵为

则汉明码字v_(i)表示为

其中

为纵向交织汉明码码字v_(i)上的奇偶校验位，1≤i≤N_l,1≤j≤N_p。经过纵向交织汉明码后，数据形式为：

其中v_i，1≤i≤N_p为数据经过纵向交织汉明码后的一个数据包，

此时数据包数量由N_pk变为N_p。

接下来，采用(N_cc,N_p,m)卷积码对式(6)中的各个数据包进行编码，此步骤称为横向卷积码编码。(N_cc,N_p,m)卷积码是指码长为N_cc，信息位长度为N_p，含有m个移位寄存器的卷积码，数据经过横向卷积码编码后的形式为：

其中

w_i,j为(5)中数据通过横向卷积码生成的二进制比特数据，1≤i≤N_p,1≤j≤N_cc，横向卷积码编码后数据w与编码前数据v的关系与卷积码的硬件结构直接相关；

在上述过程中，数据包划分产生N_a个补零位，其效率为R_p＝N_b/N_pkN_l纵向交织汉明码的编码效率为R_H＝N_pk/(N_pk+N_p)，横向卷积码的编码效率为R_cc＝N_p/N_cc，则MPC编码方案的编码效率为：

最终经过数据包合并操作，发送序列形式为

图2为上述过程的示意图。后续再经过***导频、OFDM调制、数模转换模块形成调制信号s，最终通过电力线通信信道到达接收端。

发送端的发送信号s经过电力线通信信道，受到多径效应、连续突发脉冲干扰、高斯白噪声的影响，信号到达接收端形式为r，如下式所示

r＝h*s+n+n_p (7)

其中h表示电力线通信信道的时域冲激响应，*表示卷积运算，n为高斯白噪声，n_p为等效BEC信道的连续突发脉冲干扰。

考虑通信***的真实传播过程，评价脉冲干扰信号的强弱有以下两个方面：干扰信号的持续时间、干扰信号的出现频率。

针对干扰信号的持续时间，设置参数β的物理意义为干扰信号影响的通信符号个数，在仿真中给定β的数值对应描述干扰信号的持续时间：β越大，则干扰信号持续时间越久；反之同理。

针对干扰信号的出现频率，根据排队论的知识，设通信***中干扰信号的出现概率是服从均匀分布的，则对应到单次通信过程中干扰信号出现的频次是服从泊松分布的，参数λ表示该泊松分布的均值，其物理意义为干扰信号在单次通信过程中出现的频次的平均值，满足

其中T为单次通信过程中脉冲干扰信号出现的频次。由以上两个参数，即可模拟脉冲干扰信号对通信***的影响，完成脉冲干扰信号的建模过程。

一般而言，电力线通信信道内的突发脉冲干扰由电力线***的负载接入变化等因素相关，具有强度大、持续时间短的特点，此处设突发脉冲干扰的强度远大于通信信号功率，在接收端是可分辨的。

在接收端，接收信号r首先通过模数转换、信道估计、频域均衡、OFDM解调模块得到MPC译码模块待处理的信号

与发送端MPC编码模块得到的输出信号形式相同。依次经过与发送端对应的数据包拆分、卷积码的维特比译码、汉明码的校验子译码及数据包合并，可得到最终接收端的接收数据/>

本发明的有益效果：本发明主要内容为设计基于多数据包的联合二维交织编码方案，其适用场景为存在连续突发干扰的电力线通信***。

附图说明

图1***基本模型；

图2MPC编码数据形式示意图；

图3AWGN信道下的MPC编码误比特率性能曲线；

图4电力线多径信道下的MPC编码误比特率性能曲线；

图5电力线通信***结构图；

图6(2,1,2)卷积码结构图；

图7(2,1,2)卷积码状态转移图。

具体实施方式

以下根据实施例与附图对本申请的技术方案进行进一步说明。

为了衡量本发明设计的编码方案的可靠性，我们将在以下两种信道模型中考察方案的误比特性能。

模型1：AWGN信道+连续突发脉冲干扰

在此模型中，假设时域信道冲激响应h≡1，则接收信号形式为

r＝s+n+n_p (9)

接收信号主要受到高斯白噪声和连续突发脉冲的干扰。

本发明设计的MPC编码仿真结果如图3所示，各编码方式均采用BPSK调制与相干解调方法。其中单次脉冲干扰持续符号数为β＝6，且β服从均值为λ＝0.5的泊松分布。由图3可见，在信噪比低于5dB的条件下，高斯白噪声干扰较大，此时随机错误较多，译码器容易利用错误的信息进行纠错，从而越纠越错，造成MPC编码性能差于仅适用卷积码编码和未添加编码的情况；因此，码率最低的MPC编码性能最差，利用卷积码的性能居中，而不编码时反而性能最好。

在信噪比高于5dB的条件下，卷积码可以利用冗余信息进行纠错，故采用卷积码性能优于未编码***。但卷积码的纠错能力上限较低，当出现较长的连续突发错误时，卷积码无法正确纠错，所以存在较高的误比特平层。而MPC编码在每个数据包内独立的卷积码编码外，还在数据包之间进行汉明码编码，让距离较远的比特也可以相互纠错，从而避免了连续的误码，性能最佳。但MPC编码也存在纠错能力的上限，所以当信噪比足够大时，突发脉冲干扰的影响无法进一步消除，此时同样会出现误比特平层。整体而言，在信噪比高于5dB的条件下使用MPC编码性能显著优于其他情况。

模型2：经典时域多径信道+连续突发脉冲干扰

根据文献[A.M.Tonello,F.Versolatto,B.Bejar and S.Zazo,"A FittingAlgorithm for Random Modeling the PLC Channel,"in IEEE Transactions on PowerDelivery,vol.27,no.3,pp.1477-1484,July 2012,doi:10.1109/TPWRD.2012.2196714.]，设时域信道冲激响应h的傅里叶变换形式，即频域信道响应特性为

其中f为载波信号的频率，N_p为多径信道的路径数量，A为衰落系数，g_i和c_i为取值处于[-1,1]范围内的均匀分布随机变量，l_i为多径信道内第i条路径的路径长度，参数a₀、a₁、K₁和K₂均与电力线自身结构相关，v为通信信号在电力线内传输的速度。

本发明设计的MPC编码在表1给出的电力线多径信道模型下的仿真结果如图4所示，采用OFDM与信道估计与均衡技术，调制方式采用BPSK调制与相干解调方法，且单次脉冲干扰持续符号数为β＝6，且β服从均值为λ＝0.5的泊松分布。由图4可见，在信噪比低于约12dB的条件下，高斯白噪声干扰的影响较大，造成接收信号出现大量随机错误，译码器利用含有大量错误的接收信号进行译码，反而产生更多的译码错误。因此，不编码时***性能最佳，而进行了两次编码的MPC***性能最差。

表1电力线多径信道模型仿真参数表

在信噪比高于12dB的条件下，卷积码可以利用编码添加的冗余信息进行纠错，故采用卷积码性能优于未编码***。但卷积码纠错能力有限，只能将一部分的错误纠正过来，而仍有大量的连续错误无法被卷积码译码器恢复。多数据包联合编码技术在数据包之间的比特添加约束关系，使得接收机可以对跨数据包的接收错误信号进行恢复，避免了连续突发脉冲干扰的影响。因此，多数据包联合编码技术性能最佳。

图4表明，本发明设计的基于多数据包的联合二维交织编码方案能够有效地应用于电力线通信***，提供较高的可靠性增益。

假设：

(1)应用场景为电力线通信***；

(2)纵向交织汉明码采用(7,4)汉明码及其对应的校验子硬判决译码方法；

(3)横向卷积码采用(2,1,2)卷积码及其对应的维特比软判决译码方法；

(4)通信***导频选用ZC序列，信道均衡选用迫零准则。

图5为完整的电力线通信***结构图，主要由本发明设计的MPC编码、OFDM、信道估计等模块组成。

在发送端，纵向交织(7,4)汉明码可选用如式(12)所示的生成矩阵。

横向卷积码可采用图6所示结构。

其中D₁和D₂为两个移位寄存器，(2,1,2)卷积码的状态转移图如图7所示。其中S0～S3为两个移位寄存器代表的4种不同状态，箭头上方的数字表示1位输入比特和2位输出比特之间的对应关系。

电力线通信***导频序列选用ZF序列，即

其中q为任意正整数，N_ZC为导频序列的长度，u为与N_ZC互质的正整数。

Claims (1)

1.一种适用于电力线通信***的基于多数据包的联合二维交织编码方法，其特征在于，具体步骤如下：

建立电力线通信***基本模型，包括发送端、信道与接收端；其中发送端包括两部分，分别为MPC编码部分和发送端处理部分；在MPC编码部分，原始数据首先划分为多个长度相等的数据包，纵向交织汉明码部分将多个数据包相同位置的数据进行汉明码编码，接下来横向卷积码编码部分对各个数据包分别进行卷积码编码，最终将多个数据包合并为一串序列；发送端处理部分包括***导频、OFDM调制、数模转换模块；

接收端包括与发送端相对应的两部分，分别为接收端处理部分和MPC译码部分；接收端处理部分包括模数转换、信道估计、频域均衡、OFDM解调模块，在MPC译码部分中，经过接收端处理部分处理的接收序列按照与发送端相同的方式分割为多个数据包，并对各个数据包进行维特比译码；译码后的序列进行纵向的汉明码校验子译码，最终将经过译码处理的数据包恢复为接收序列，完成电力线***的通信过程；

编码部分具体如下：

设原始数据的长度为N_b，原始数据序列表示为

其中/>

1≤i≤N_b；将原始数据划分为N_pk＝2^q-1个数据包，q≥3,/>

各数据包的长度均为N_l，经过数据包划分后的多个数据包集合表示为：

其中，u为u₁到

共N_pk个数据包形成的集合，b_i为原始数据序列中的对应元素，1≤i≤N_pkN_l；注意到可能存在N_pkN_l＞N_b的情况，即划分数据包后数据长度大于原始数据序列；因此，特殊规定数据包/>

存在长度为N_a＝N_lN_pk-N_b补零数据，0≤N_a＜N_l，数据包/>

满足：

接下来，利用信息位长度为N_pk，校验位长度为N_p＝2^q-q-1，码长为N_H＝N_pk+N_p的汉明码，即(N_H,N_pk)汉明码，对N_pk个数据包相同位置的数据信息进行编码，此步骤称为纵向交织汉明码，设(N_H,N_pk)汉明码的生成矩阵为

则汉明码字v_(i)表示为

其中

为纵向交织汉明码码字v_(i)上的奇偶校验位，1≤i≤N_l,1≤j≤N_p；经过纵向交织汉明码后，数据形式为：

其中v_i，1≤i≤N_p为数据经过纵向交织汉明码后的一个数据包，

此时数据包数量由N_pk变为N_p；

接下来，采用(N_cc,N_p,m)卷积码对式(4)中的各个数据包进行编码，此步骤称为横向卷积码编码；(N_cc,N_p,m)卷积码是指码长为N_cc，信息位长度为N_p，含有m个移位寄存器的卷积码，数据经过横向卷积码编码后的形式为：

其中

w_i,j为(5)中数据通过横向卷积码生成的二进制比特数据，1≤i≤N_p,1≤j≤N_cc，横向卷积码编码后数据w与编码前数据v的关系与卷积码的硬件结构直接相关；

在上述过程中，数据包划分产生N_a个补零位，其效率为R_p＝N_b/N_pkN_l，纵向交织汉明码的编码效率为R_H＝N_pk/(N_pk+N_p)，横向卷积码的编码效率为R_cc＝N_p/N_cc，则MPC编码方案的编码效率为：

最终经过数据包合并操作，发送序列形式为

后续再经过***导频、OFDM调制、数模转换模块形成调制信号s，最终通过电力线通信信道到达接收端；

发送端的发送信号s经过电力线通信信道，受到多径效应、连续突发脉冲干扰、高斯白噪声的影响，信号到达接收端形式为r，如下式所示

r＝h*s+n+n_p (7)

其中h表示电力线通信信道的时域冲激响应，*表示卷积运算，n为高斯白噪声，n_p为等效BEC信道的连续突发脉冲干扰；

考虑通信***的真实传播过程，评价脉冲干扰信号的强弱有以下两个方面：干扰信号的持续时间、干扰信号的出现频率；

针对干扰信号的持续时间，设置参数β的物理意义为干扰信号影响的通信符号个数，在仿真中给定β的数值对应描述干扰信号的持续时间：β越大，则干扰信号持续时间越久；反之同理；

针对干扰信号的出现频率，根据排队论的知识，设通信***中干扰信号的出现概率是服从均匀分布的，则对应到单次通信过程中干扰信号出现的频次是服从泊松分布的，参数λ表示该泊松分布的均值，其物理意义为干扰信号在单次通信过程中出现的频次的平均值，满足

其中T为单次通信过程中脉冲干扰信号出现的频次；由以上两个参数，即可模拟脉冲干扰信号对通信***的影响，完成脉冲干扰信号的建模过程；

电力线通信信道内的突发脉冲干扰由电力线***的负载接入变化因素相关，具有强度大、持续时间短的特点，此处设突发脉冲干扰的强度远大于通信信号功率，在接收端是可分辨的；

在接收端，接收信号r首先通过模数转换、信道估计、频域均衡、OFDM解调模块得到MPC译码模块待处理的信号

与发送端MPC编码模块得到的输出信号形式相同；依次经过与发送端对应的数据包拆分、卷积码的维特比译码、汉明码的校验子译码及数据包合并，可得到最终接收端的接收数据/>

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