電力線載波通信的信道估計和均衡定點化仿真分析

郝 巖，周春良

(1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網(wǎng)公司重點實驗室電力芯片設(shè)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(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

0 引言

PLC技術(shù)是指利用電力線作為通信信道進行傳輸信息數(shù)據(jù)的一種通信技術(shù)。其最大的應(yīng)用場景是電網(wǎng)用戶用電信息采集。但是由于電力線起初設(shè)計并不是用于傳輸信息數(shù)據(jù)，電力線網(wǎng)絡(luò)中的負載多種多樣，因此電力線信道環(huán)境非常復(fù)雜，噪聲多種多樣，也經(jīng)常受到多徑衰落的影響?；谡活l分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)載波通信技術(shù)能有效對抗多徑和頻率選擇性衰落特性，因此國家電網(wǎng)定制了一套基于正交頻分復(fù)用(OFDM)載波通信系統(tǒng)的用電信息采集規(guī)范[1]。為了對抗電力線信道的多徑和頻率選擇衰落特性，降低噪聲對接收信號的影響，通常需要進行信道估計和均衡來對信道響應(yīng)進行分析。基于OFDM通信系統(tǒng)的信道估計均衡算法多采用LS算法和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)算法。

而對于信道估計和均衡算法在芯片上實現(xiàn)，通常需要經(jīng)過定點化。在芯片定點化實現(xiàn)時必然要考慮有限字長效應(yīng)，因為需要面臨性能和面積的trade off(權(quán)衡)問題。所以在滿足系統(tǒng)性能要求下分析參數(shù)的定點化范圍，對于專用集成電路(ASIC)芯片設(shè)計有很大指導(dǎo)意義。

本文基于國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范，通過對電力線通信原理和信道估計和均衡算法分析，研究了LS信道估計定點化實現(xiàn)時參數(shù)不同定點字長對系統(tǒng)性能的影響。綜合考慮系統(tǒng)性能和面積的trade off,選取芯片實現(xiàn)的最優(yōu)定點化字長。

1 電力線通信原理

國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范基于OFDM載波通信，采用先進的信道編碼交織方案，能夠有效對抗多徑和頻率選擇性衰落，突發(fā)窄帶干擾噪聲，提高信道的魯棒性[2]。

圖1是物理層發(fā)送和接收的整體結(jié)構(gòu)框圖。電力線物理層數(shù)據(jù)分為幀控制和載荷數(shù)據(jù)。物理層數(shù)據(jù)經(jīng)過物理層編碼、調(diào)制和IFFT(逆傅里葉變換)生成時域的OFDM載波信號。OFDM載波信號通過電力線信道傳輸?shù)浇邮斩?，接收端再?jīng)過FFT(傅里葉變換)、解調(diào)和譯碼將幀控制信號和載荷數(shù)據(jù)還原。為保證用電采集信息的可靠還原，如圖1中虛線框圖所示，在國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范的接收鏈路增加了信道估計和均衡算法。對有多徑、頻率選擇性干擾和脈沖噪聲的電力線信道進行信道響應(yīng)分析[2]。

圖1 物理層結(jié)構(gòu)原理框圖

相對于LTE時變性較快的無線信道，電力線信道屬于慢時變性信道，因此在控制幀和數(shù)據(jù)幀中并沒有導(dǎo)頻存在，而是在控制幀之前有一組前導(dǎo)符號。信道估計主要通過前導(dǎo)符號來獲得電力線的信道響應(yīng)。前導(dǎo)符號由SYNCP和SYNCM組成，SYNCP和SYNCM是兩個相關(guān)性能很好的周期性序列。前導(dǎo)符號的幀格式如圖2所示，其中SYNCP為10.5個OFDM符號，用來做自動增益控制(AGC)、同步、頻偏估計等；SYNCM為2.5個OFDM符號，用來做信道估計。SYNCP由公式(1)描述：

(1)

其中N=1 024；X(k)取復(fù)信號，

SYNCM=-SYNCP，前導(dǎo)的幀格式如圖2所示。

圖2 前導(dǎo)符號的幀格式

2 信道估計和均衡算法

基于OFDM的電力線通信系統(tǒng)信道模型如下圖3所示。

圖3 電力線通信信道模型

圖3中，X為電力線上輸入的頻域OFDM載波信號，W為信道的加性噪聲，Y為接收端接收到的頻域OFDM載波信號。文獻[3]對電力線信道和噪聲做了詳細的分析和建模，這些噪聲被歸納為兩種主要類型，分別是背景噪聲和脈沖噪聲，這里統(tǒng)一加到W內(nèi)。

2.1 LS信道估計算法

假設(shè)OFDM系統(tǒng)模型用公式(2)表示：

YP=XPH+WP

(2)

其中H為信道響應(yīng)，XP為已知的導(dǎo)頻信號，YP為接收到的導(dǎo)頻信號，WP為信道疊加的噪聲。LS信道估計就是對H進行信道估計，使最小平方函數(shù)J最小[4]。函數(shù)J如下所示：

(3)

(4)

令公式(4)等于零可求得估計的信道響應(yīng)為：

(5)

2.2 MMSE信道估計

MMSE信道估計是使均方誤差最小[4]的方法，由公式(2)得前導(dǎo)符號的均方誤差公式為：

(6)

可以推導(dǎo)出MMSE信道估計的公式[2-3]為：

(7)

(8)

(9)

其中：

可以看出MMSE信道估計需要信道和噪聲統(tǒng)計特性，然后才能計算，并且需要進行多次矩陣求逆計算。隨著FFT點數(shù)的增加，計算復(fù)雜度急劇增加。這對于專用集成電路(ASIC)芯片接收端實現(xiàn)復(fù)雜度和功耗要求都很高[5]。在PLC通信芯片中實現(xiàn)比較困難并且成本和功耗都很高，不適用。因此選擇了計算量小、結(jié)構(gòu)簡單的LS信道估計。

2.3 信道均衡

由于電力線信道屬于慢時變性信道，因此可以認為控制幀和數(shù)據(jù)幀信道響應(yīng)與前導(dǎo)的一致。通過導(dǎo)頻的信道估計就可以計算出均衡后的控制幀和數(shù)據(jù)幀信號。

(10)

3 定點化中的位寬優(yōu)化問題

在信道估計和均衡算法中需要多次乘加和除法運算，對數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍和精度要求非常高，所以MATLAB算法模型大多都以浮點數(shù)為基礎(chǔ)。但是浮點數(shù)的表示復(fù)雜，大量的浮點乘法在ASIC芯片上的實現(xiàn)難度比較大，不僅占用的資源面積大，而且運行速度慢，不能滿足實時計算的要求。因此在硬件ASIC芯片實現(xiàn)中通常采用定點數(shù)據(jù)來表示，將浮點算法轉(zhuǎn)換為定點算法被稱為浮點算法的定點化[7]技術(shù)。

定點數(shù)在硬件芯片上實現(xiàn)占用的面積少、性能高、功耗低,故定點運算是工程開發(fā)上硬件實現(xiàn)最常用的一種方式[8]。但是,由于定點數(shù)小數(shù)點的位置固定，表示的動態(tài)范圍遠遠小于浮點數(shù),導(dǎo)致運算精度變低，不能保證性能。而且在信道估計和均衡算法中遇到多次的乘加運算會導(dǎo)致結(jié)果溢出，使估計結(jié)果出錯。因此有必要對于信道估計算法的定點化進行位寬優(yōu)化分析[9]，包括范圍分析和精度分析：范圍分析主要用于確定數(shù)據(jù)的整數(shù)位寬范圍，防止定點數(shù)據(jù)發(fā)生向上溢出；精度分析主要用于尋找最合理的小數(shù)位寬，以滿足系統(tǒng)性能的前提下確定數(shù)據(jù)最小字長，從而實現(xiàn)芯片資源面積利用率的最大化。

4 仿真性能分析和比較結(jié)果

根據(jù)2中的分析，本文采用LS信道估計算法。信道模型采用典型的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道，基于國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范，分集拷貝模式選擇推薦的TM0：物理塊字節(jié)數(shù)520；分集次數(shù)4；QPSK調(diào)制；碼率1/2；傳輸100幀；每幀1個物理數(shù)據(jù)塊。然后分別對浮點算法以及定點字長為8、10、12、14 bit進行了仿真對比統(tǒng)計。對比分析了在4種定點化字長和浮點算法下的信噪比和誤比特率，得到了性能曲線，如圖4所示。

圖4 信道估計性能分析曲線

可以看到，定點字長在12和14 bit信道估計模塊的信噪比和誤比特率曲線已經(jīng)非常接近浮點模型。基于硬件芯片實現(xiàn)資源考慮12 bit完全能夠保證計算的正確和精度，因此在定點化實現(xiàn)的硬件信道估計和均衡模塊的定點字長定位12 bit。

5 結(jié)論

通過對信道估計和均衡算法進行定點化分析，使ASIC芯片能夠達到硬件性能和面積的trade off，既能保證正確和精度，同時又使硬件的資源消耗小，提高運行速度，降低功耗。通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理精度做計算分析與驗證，掌握正常運行時各個計算節(jié)點所要求的最大精度和動態(tài)范圍，就能夠使整個系統(tǒng)達到最佳設(shè)計效果，這對于PLC芯片設(shè)計驗證提供了算法理論支持，為芯片設(shè)計方法提供了很大幫助。目前基于國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范的PLC通信芯片已經(jīng)基本通過了原型驗證并投入了試點應(yīng)用，結(jié)果表明，較窄帶載波芯片在抄表成功率和并發(fā)抄表能力等方面有明顯優(yōu)勢，這對于國家電網(wǎng)公司在智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)方面有著重要的參考意義。