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基于前导序列的PLC系统定时同步技术研究 - 图文

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  • 2025/6/15 12:08:44

墓豳 . 堕璺! 皇 !! 基于前导序列的PLC系统定时同步技术研究 赵黎,焦晓露,张峰 (西安工业大学电子信息工程学院,陕西西安710021) 摘要:电力线建设初期并没有考虑通信的要求,其信道环境恶劣,子载波间的正交性就会遭到破坏,同时在接收 端会出现符号定时偏差,引起符号间干扰,因此对OFDM符号的频率偏差和符号偏差进行有效的估计和补偿具有 非常重要的意义。根据G3-PLC特有的帧结构,利用其前导序列之间的相关性,采用两重相关检测方法时系统频偏 及符号偏差进行了有效的补偿,最后通过Monte Carlo方法对其进行了仿真验证。结果显示,所采用的同步算法可以 很好地对系统失步进行补偿,并且算法实现简单,信道适应性强。 关键词:电力线载波通信;正交频分复用;定时同步;相关检测 中图分类号:TN913.6 文献标识码:A DOl:10.16157/i.issn.0258—7998.172072 中文引用格式:赵黎,焦晓露,张峰.基于前导序列的PLC系统定时同步技术研究【J].电子技术应用,2018,44(2):84—87. 英文引用格式:Zhao Li,Jiao Xiaolu,Zhang Feng.Research on the timing synchronization technology for PLC based on preamble sequence[J].Application of Electronic Technique,2018,44(2):84—87. Research on the timing synchronization technology for PLC based on preamble sequence Zhao Li,Jiao Xiaolu,Zhang Feng (School of Electronic Information Engineering,Xi an Technological University,Xi an 710021,China) Abstract:Because people do not consider the requirement of communication in the construction of power line,that resulting in the poor channel environment and the orthogonality between the sub-carriers are damaged.Meanwhile,the symbol offset will occur in the receiving terminal,which will cause the inter symbol interference,SO it has very important significance to estimate and compen— sate the frequency offset and symbol offset for OFDM symbol effectively.According to the special frame stucture of G3-PLC,trhis paper uses the double correlation detection method to compensate the frequency offset and symbol offset of the OFDM system.At last,the algorithm is confirmed by Monte Carlo approach.The results indicate that the synchronization algorithm used in this paper can be very good to compensate for the frequency offset and symbol offset of the system,and the algorithm is very simple and has strong adaptability to the channe1. Key words:PLC;orthogonal frequency division multiplexing;timing synchronization;correlation detection 0引言 随着智能电网和电力系统的飞速发展,电力线载波 通信(Power Line Communication,PLC)技术备受关注_l_ , 是以其子载波之间的正交性为基础的,因此准确的符号 定时同步技术是OFDM系统实现的关键。OFDM系统中 的同步技术主要分两类:(1)利用循环前缀的方法;(2)利 然而电力线信道环境恶劣,传统单载波通信技术无法很 好地抵御信道干扰,导致系统可靠性低,从而影响了电 用训练序列的方法。当信道为严重的多径衰落信道时, 第一类方法会使部分循环前缀区间受到ISI破坏,使定 时估计性能恶化,因此不适用于电力线载波通信系统 中。第二类方法主要用于如无线局域网(WIJAN)的突发 力线载波通信的应用和发展[31。G3一PLC标准是一种电 力线载波通信规范,已经被IEEE、ITU和IEC/CENELEC 等主要机构所采纳,可以有效地对输电网络、照明及智 式传输系统,估计精度较高,在多径衰落信道下鲁棒性 能较好,最具代表性的算法为Stanford大学的Schmidl和 COx D C于1997年提出的Schmidl&Cox算法 ,但由于 自相关平台效应,使S&C算法定时同步存在偏差。另一 能电网应用进行管理、控制与监测[41,因此G3一PLC标准 已成为面向智能电网通信技术的全球开放性协议【5 】。 然而,OFDM系统的高频谱利用率和传输可靠性都 基金项目:国家自然科学基金项目(61671362);陕西省科技厅一般项目一工业领域(2017GY一081);西安市科技计 划项目(2叭7O75cG/RcO38(XAGYO01));陕西省教育厅科技专项(2017JK0373) 84 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 《电子技术应用》2018年第44卷第2期 谴 comm c n and Ne 导序列中的一个SYNCP符号,为了使产生的SYNCP 符号实数化,需对式(2)中的复数数据进行相应的频域 编码,首先将式(2)中的36个复数数据位插入到N/2(其中 N=256)个子载波中的第23~58位,其余位数补零,如式(3) 所示: 种经典的算法是Minn算法[81,虽然克服了S&C算法中 符号定时测度的平台效应,但是其训练序列结构与G3一 PLC标准的前导符号结构不相同,因此需要额外添加训 练序列,使系统有效速率降低。 因此,本文针对G3一PLC特有的前导符号结构,结合 S&C算法的思想,提出了一种采用双重相关算法实现定 时同步补偿的方法,并通过仿真对算法性能进行了验证。 1 G3一PLC信号帧结构 一P(,)= 个完整G3一PLC的帧结构具体包括前导序列 (Preamble)、帧控制头序列(Frame Control Header,FCH)以 及数据位(DATA)。如图1所示,前导符号由8个SYNCP 再根据F兀’原理,将式(3)形成的N/2个子载波P(『) 按照式(4)映射到Ⅳ个子载波的前N/2位,再将P(『)的 第2-N/2位的共轭倒叙映射到Ⅳ个子载波的后N/2—1 位,第N/2+1位置零: P 符号和1.5个SYNCM符号组成,其中每个SYNCP符号 和SYNCM符号都包含256个采样点,同时,接收端为了 方便进行相位检测,SYNCM符号相对于SYNCP符号有 180。相位差。 8个1×256 1≤后≤盟2 1.5个1×256 CP( )= 0 Jj}=等+1 N+2≤|i}≤Ⅳ P (N-k+2) (4) 再对该Ⅳ个信息数据进行N点 IFFT变换,得到的SYNCP符号如下式, 0廖 O 即为实数序列: SYNCP(n)=IFFT(CP(k)) N = c咐e 争h (5) 、lr\lr r 2 图Ⅳ一1 G3一PLC信号帧结构 FCH帧控制头在前导符号之后,其包含了保证发送 其中,0≤n≤N一1。 SYNCM码元是由P码元反相产生 的,如式(6)所示: 数据帧正确解调的必要信息。每一组数据帧中包含13 个FCH符号,FCH之后是DATA数据信息,FCH本质上 和数据位信息是一样的,因此其中也包含了循环前缀, 但由于其重要性,导致其调制方式不可调,只可采用最 安全的DBPSK调制映射方式,各个FCH数据段和DATA 数据段在加窗之后需要进行相邻符号首尾重叠处理,重 叠长度为8位。经过叠加之后,就形成了最后的数据帧。 SYNCM(n)=一SYNCP(n) 1≤n≤N (6) 根据G3一PLC信号帧结构,发送端前导符号的数学 表达式为: Preamble(m)= (SYNCP1,SYNCP2,…,SYNCP8,SYNCM1,SYNCM2) (7) 其中,l≤m≤2 432;SYNCM2(n)=SYNCM1(n),1≤n≤ iv。 厶 2双重相关检测同步原理 SYNCP符号中有用的采样点码元由36个子载波的 相位调制产生,其对应的36个相位信息如式(1)所示: 口( )= -【2 1 0 15 14 12 10 7 3 15 l1 6 1 11 5 14 7 o 在接收端,根据信道环境,在本地倒序选取一定长 度的前导符号序列,假设接收端本地前导符号序列长度 为发送端前导符号序列长度的1/2,即: X(n)=Preamble(m) 1 217≤m≤2 432 定义发送端前导符号序列为Z(m),则: Z(m)=Preamble(m) 1≤m≤2 432 Y(m),截取接收到的信息帧的前2 432位。 (1) (8) (9) 15 7 15 6 13 2 8 13 2 6 10 13 0 2 3 5 6 7 7】 定义接收端经过信道干扰的产生失步的信息帧为 根据相关检测原理,分别将Z(m)与X(n)和Y(m)与 x(n)进行滑动互相关运算,即: 2432 其中1≤i≤36表示有用载波序号。 将式(1)中的各个相位值在频域建立对应的复数数 据为: 罟a(f) B--e。 f21 R (m)= Z(n)X(n-m) (10) 式(2)中的复数数据经过IFFr变换就可以产生前 《电子技术应用》2018年第44卷第2期 iiilIIi《Ili《IliilI《ii8巨c。mmun;ca ;on and Ne w。 k Ryx(m)=∑y(n) (n-m) n=1 定义Rz ̄(m)取最大值时的m为.,I,Rrx(m)取最大值 时的m为 ,定义两个峰值所对应的位置差D为失步 量,即: D=J1一 f121 接收端通过对失步量进行补偿即可精确地确定出 每一帧信息中FCH位及DATA位的起始时刻。 3系统性能验证 为了验证本文基于前导的G3一PLC同步算法性能, 采用Monte Carlo方法对系统进行仿真验证,结果如图2 所示,其中仿真参数设置为:子载波数目N=256,保护间 隔的长度为CP=30,采样频域Fs=0.4 MHz,SNR=一2 dB, 符号偏差为399个载波符号周期,FCH符号数为Ⅳ刚=13, 数据位采用DQPSK调制方式,FCH位采用DBPSK调制 方式。图2(a)为R (m)相关曲线,由图可以得出 =3 456; 图2(b)为Rrx(m)相关曲线,其中 =3 058,得D=J1一J2= 398,与符号偏差值399差一个载波符号周期,在接收端 通过补偿即可判断出正确的FCH位及DATA位的起始 位置 m 5 O 2 z ) ) 耳相善 1 趔  l} { ; I 0 一—卜—十t十十十’ 卜卜 1_ ; +十一 弓) 1000 2000 3000 4000 5000 载波符号数 (a)R ( 相关曲线 y(m)与X(n)之间的互相关 15 10 趔 5 i L 一【 j j1. }O{  . 上 . 一L . 一 ’ ’ T’ ’ f 一 罂.5 -100 载波符号数 (b)Rrx(m)相关曲线 图2 SNR=一2 dB时相关检测结果图 其他参数SNR:一10 dB保持不变,恶化信道环境设 置,符号偏差为200个载波符号周期。图3(a)为Rzr )相 关曲线,由图可以得出.,l:3 456;图3(b)为 蹦(m)相关曲 线,其中J2=3 257,得D=.,l—J2=199,与符号偏差值200同 样只差一个载波符号周期,在接收端通过补偿即可判断 出正确的FCH位及DATA位的起始位置。 为了进一步验证该算法对信道环境的适应性,其他 参数保持不变,符号偏差为200载波符号周期,采用电力 线载波实测信道参数环境,如图4(a)所示为实测信道时 域图,由于电力线载波实际信道自相关曲线具有周期 86 欢迎网上投稿www.ChinaAET.corn 2,~ Z(m)与 (n) 间的耳相关 {粤 { j  }{ O 一}一一十什十卅+—十一’ .1 ’≈ 一 0d0~ 200 3000 4ooo 载波符号数 (a)显 (m)相关曲线 Y(m)与X(n)之间的互相关 ’ 00 20 00 3ob0 4000 载波符号数 (b)Rw(m)相关曲线 图3 SNR=一10 dB时相关检测结果图 2 一 一 …一 一 > \ 趔 . 4 6 8 ’O 采样点数 ’。 (a)实测信道图 趔 ◆●·t·· 芎 一… 1 i15 2 相关时延点数 x10e (b)信道自相关 2 … Z(m)与X(n)之间的互相关 。 -+r一十一一十H}+ 十+一寸一 ·’ 1o=6o 2600 3000 460O 5000 载波符号数 (c)R (m)相关曲线 10 Y(m)与 (n)之间的互相关  l。 一—卜斗— 0—+ i. H+ 1 『I } ——+一…  j160O 2ooo 30'00 4o00 5000 载波符号数 (d)R (m)相关曲线 图4实测信道环境相关检测结果图 《电子技术应用》2018年第44卷第2期 iii《囊l蓊《》li《Ilill《i commun;c ;0n and Ne wo k 对称性,如图4fb)所示,因此其自相关程度近似为零, Symposium on Power Line Communications&Its Applica— 信号通过该信道后其相关性不会受到太大影响;图4(C) tions.Brazil,2010:313—318. 为Rzx(m)相关曲线,由图可以得出I71:3 456;图4(d)为 [4】HOCH M.Comparison of PLC~G3 and PRIME[C】.IEEE 脚(m)相关曲线,其中A=3 257,得D: 一 =199,与符号 International Symposium on Power Line Communication and 偏差值200同样只差一个载波符号周期,在接收端通过 Its Application.Udine.2011:165—169. 补偿即可判断出正确的FCH位及DATA位的起始位置。 [5]SOUISSI S,DHIA A B,TLILI F,et a1.OFDM modem 4结论 design and implementation for narrowband Powerline 由于低压电力线建设初期并没有考虑通信的要求,因 communication[C].International Conference on Design& 此在传输信号过程中会受到噪声、多径干扰和频率选择性 Technology of Integrated Systems in Nanoscale Era, Hammamet,tunisia,2010:1-4. 衰落等影响,造成定时同步不准确,在接收端产生漏检和 误判。本文首先解析了G3一PLC电力线载波通信原理及 [6】李春阳,黑勇,乔树山.OFDM电力线载波通信系统的定 G3一PLC信号帧结构,并根据G3一PIJC电力线通信协议特 时同步和模式识别【J].电力系统自动化,2012,36(8): 58-60. 有的帧格式,利用前导序列之间的相关性,提出采用两重 【7]SCHMIDL T M,COX D C.Robust frequency and timing 相关的检测方法对系统的失步进行了有效的补偿,并且最 synchronization for OFDM【J】.IEEE Transactions on 后通过Monte Carlo方法对系统进行了仿真验证。结果表 Communications,1997,45(12):1613—1621. 明,本文提出的系统同步补偿算法对不同信道环境适应性 [8】MINN H,ZENG M,BHARGAVA V K.On timing offset 好,可以准确地检测到FCH位及DATA位的起始位置,使 estimation for OFDM systems[J].IEEE Communications 接收端能够正确地解调信息,算法实现简单,可靠性高。 lettem,20oo,4(7):242—244. 参考文献 (收稿日期:2017-05-08) 【1】辛耀中,石俊杰,周京阳,等.智能电网调度控制系统现 作者简介: 状与技术展望[J】.电力系统自动化,2015,39(1):2—8. 赵黎(1981一),女,博士,副教授,主要研究方向:智能 [2】王继业,马士聪,仝杰,等.中日韩电网关键技术发展及 电网、电力线载波通信。 趋势分析【J】.电网技术,2016,40(2):491—499. 焦晓露(1992一),女,硕士研究生,主要研究方向:G3一 【3】RAZAZIAN K,UMARI M,KAMALIZAD A,et a1.G3一PLC PLC通信协议。 speciifcation for power/ine communication:overview,system 张峰(1979一),男,副教授,主要研究方向:信号与信息 simulation and field tiral results[C】.IEEE International 处理。 (上接第79页) Evolved Universal Terrestiral Radio Access(E—UTRA); RAN1#83,R1—157424,Anaheim,US.2016. Radio Resource Control(RRC);Protocol speciifcation; [15】Technical Speciifcation Group Radio Access Network; Release 13[S].3GPP'IS 36。331 V13.3.0,2016. Evolved Universal Terrestrial Radio Access fE—UTRA1; (收稿Et期:2017-05-22) Medium Access Control(MAC)protocol speciifcation; 作者简介: Release 13fS】.3GPP TS 36.321 V13.3.0,2016. 陈发堂(1965一),男,研究员,主要研究方向:移动通信 【16】Technical Speciifcation Group Radio Access Network; 系统。 Evolved Universal Terrestrial Radio Aceess(E—UTRA); 周述淇(1991一),通信作者,男,硕士研究生,主要研究 Physical channels and modulation;Release 13【S】.3GPP 方向:LTE—A Pro高层协议栈,E—mail:234279535@qq.com。 TS 36.2l1 V13.3.0.2016. 郑辉(1991一),男,硕士研究生,主要研究方向:LTE—A 【17]Technical Speciifcation Group Radio Access Network: Pro高层协议栈。 (上接第83页) 算法【J】.自动化学报,2013,39(7):1ll7—1125. trains and popularity in Twitter[J】.Plos One,2015,10(7): 【13】林友芳,王天宇,唐锐,等.一种有效的社会网络社区发 3—14. 现模型和算法(J】.计算机研究与发展,2012,49(2): 【1O】AGGARWAL C C,XIE Y,YU P S.A ̄amework for 337—345. dynamic link prediction in heterogeneous networks[J]. (收稿日期:2017—10—09) Statistical Analysis&Data Mining the Asa Data Science 作者简介: Journal,2014,7(1):14—33. 崔俊明(1965一),男,硕士,高级讲师,主要研究方向: [11】许鹏远,党延忠.基于聚类系数的推荐算法[J】.计算机 计算机算法设计与教学。 应用研究,2016,33(3):654—656. 李勇(1974一),男,硕士,高级讲师,主要研究方向:计 【12】张新猛,蒋盛益.基于核心图增量聚类的复杂网络划分 算机技术应用与教学。 《电子技术应用》2018年第44卷第2期 87 

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墓豳 . 堕璺! 皇 !! 基于前导序列的PLC系统定时同步技术研究 赵黎,焦晓露,张峰 (西安工业大学电子信息工程学院,陕西西安710021) 摘要:电力线建设初期并没有考虑通信的要求,其信道环境恶劣,子载波间的正交性就会遭到破坏,同时在接收 端会出现符号定时偏差,引起符号间干扰,因此对OFDM符号的频率偏差和符号偏差进行有效的估计和补偿具有 非常重要的意义。根据G3-PLC特有的帧结构,利用其前导序列之间的相关性,采用两重相关检测方法时系统频偏 及符号偏差进行了有效的补偿,最后通过Monte Carlo方法对其进行了仿真验证。结果显示,所采用的同步算法可以 很好地对系统失步进行补偿,并且算法实现简单,信道适应性强。 关键词:电力线载波通信;正交频分复用;定时同步;相关检测 中图分类号:TN913.6 文献标识码:A DOl:10.16157/i.issn.0258—7998.17

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