基于前导序列的plc系统定时同步技术研究-赵黎.pdf

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1、基于前导序列的PLC系统定时同步技术研究木赵黎，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G3一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对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

2、载波通信；正交频分复用；定时同步；相关检测中图分类号：TN9136 文献标识码：A DOI：1016157iissn02587998172072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 FengResearch on the timing synchronization technology for PLC based on preamblesequenceJApplication of Electronic Technique，2018，44(2)

3、：84-87Research on the timing synchronization technology for PLCbased on preamble sequenceZhao Li，Jiao Xiaoh，Zhang Feng(School of Electronic Information Engineering，Xiall Technological University，Xian 710021，China)Abstract：Because people do not consider the requirement of communication in the constru

4、ction of power line，that resulting in thepoor channel environment and the orthogonality between the sub-carriers are damagedMeanwhile，the symbol offset will occur inthe receiving terminal，which will cause the inter symbol interference，SO it has very important significance to estimate and eompensate

5、the frequency offset and symbol offset for OFDM symbol effectivelyAccording to the special frame structure of G3-PLC，thispaper uses the double correlation detection method to compensate the frequency offset and symbol offset of the OFDM systemAtlast，the algorithm is confirmed by Monte Carlo approach

6、The results indicate that the synchronization algorithm used in this papercan be very good to compensate for the frequency offset and symbol offset of the system，and the algorithm is very simple and hasstrong adaptability to the channelKey words：PLC；orthogonal frequency division multiplexing；timing

7、synchronization；correlation detection0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。2】，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，从而影响了电力线载波通信的应用和发展13。G3一PLC标准是一种电力线载波通信规范，已经被IEEE、11rU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3-61。然而，OFDM系

8、统的高频谱利用率和传输可靠性都是以其子载波之问的正交性为基础的，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(WLAN)的突发式传输系统，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71，但由于自相关平台效应，使S&C算法定时同步

9、存在偏差。另一基金项目：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(2017075cG，RC038(XAGY001)；陕西省教育厅科技专项(2017JK0373)84 欢迎网上投稿WWWChinaAETcorn 电子技术应用2018年第44卷第2期万方数据囊簟瞪塑业塑堕坐业!种经典的算法是Minn算法Isl，虽然克服了S&C算法中 导序列中的一个SYNCP符号，为了使产生的SYNCP符号定时测度的平台效应，但是其训练序列结构与G3一 符号实数化，需对式(2)中的复数数据进行相应的频域PLC标准的前导符号结构不相同，因此需

10、要额外添加训 编码，首先将式(2)中的36个复数数据位插入到N2(其中练序列，使系统有效速率降低。 N=256)个子载波中的第23-58位，其余位数补零，如式(3)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l所示，前导符号由8个SYNCP符号和15个SYNCM符号组成，其中每个SYNCP符号和SYNCM符号

11、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1800相位差。8个1256所刀：f0 1_22eq)：B 23_58 (3)10 59竽再根据FFr原理，将式(3)形成的N2个子载波PU)按照式(4)映射到个子载波的前N2位，再将PU)的第2一N2位的共轭倒叙映射到个子载波的后N121位，第N12+1位置零：P 1矗N，15个l256 CP=0 矗=等+1图1 G3-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

12、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。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(i)=要2 1 0 15 14 12 10 7 3 15 11 6 1 11 5 14 7为 。15 7 15 6 13 2 8 13 2 6 10 13 0 2 3 5 6 7 7】(1)其中1i36表示有用载波序号。将式(1)中的各个相位

13、值在频域建立对应的复数数据为：i=,ffd(f)曰=e5 (2)式(2)中的复数数据经过IF丌变换就可以产生前电子技术应用2018年第44卷第2期P(一七+2)NF+2后(4)再对该个信息数据进行点IFFr变换，得到的SYNCP符号如下式，即为实数序列：SYNCP(n)=IFFT(CP(k)：号薯c咐争8 (5)其中，0nN一1。SYNCM码元是由P码元反相产生的，如式(6)所示：SYNCM(n)=-SYNCP(n) lnN (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)=(SYNCPl，SYNCP2，SYNCP8，SYNCMl，SYNCM2)(7)r其

14、中，1m2432；SYNCM2(n)=SYNCMl(n)，1n牛。二在接收端，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12，即：X(n)=Preamble(m) 1 217m2 432 (8)定义发送端前导符号序列为Z(m)，则：Z(m)=Preamble(m) 1m2 432 (9)定义接收端经过信道干扰的产生失步的信息帧为r(m)，截取接收到的信息帧的前2 432位。根据相关检测原理，分别将Z(m)与X(n)和V(m)与引凡)进行滑动互相关运算，即：2432R曩(m)=乞Z(n)X(nm) (10)85万方数据囊圈鲎竺型!

15、堕R 警 1 r、z鸲M州I：ff_i炎rx(m)=二Y(n)X(n-m) (11) 2。 一定义Rzr(m)取最大值时的m为，足研(m)取最大值时的m为止，定义两个峰值所对应的位置差D为失步量，即：D=JI-J2 (12)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=04 MHz，SNR=一2 dB，符号偏差为399个载波符号周期，FCH符号数

16、为删=13，数据位采用DQPSK调制方式，FCH位采用DBPSK调制方式。图2(a)为Rzr(m)相关曲线，由图可以得出=3 456；图2(b)为RH(m)相关曲线，其中J2=3 058，得D=一五=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21趔州 0罂_1。毛1510趔 5啾0罂5-1Z(m)与x(n)之间的互相关卜十一卜卜t十十十+十一1000 2000 3000 4000 5000载波符号数(a)Ra(m)相关曲线Y(m)与X(n)之间的互相关图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，

17、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R尉(m)相关曲线，由图可以得出=3 456；图3(b)为RH(m)相关曲线，其中J2=3 257，得D=一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WWWChinaAETcom11趔州0罂。毛10一5趔0斗K罂5，-11000 2000 300

18、0 4000载波符号数(a)如(m)相关曲线Y(m)与X(n)之间的互相关1000 2000 3000 4000载波符号数(b)R，。(m)相关曲线图3 SNR=一10 dB时相关检测结果图2x104删1蓑o，|lJ状O，娑121絮。罂一1毛10理5水罂O采样点数(a)实测信道图噪声自相关函数0 5 1 1 5相关时延点数(b)信道自相关Z(m)与X(n)之间的互相关卜1+卜一+卜卜卜斗卜叶士1000(Y(m) 1000 2000 3000 4000 5000载波符号数(d)Rw(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期幻。线满焉姗舢关浦慧篆慧万方数据童隧

19、隧!塑型唑业坐堕!对称性，如图4(b)所示，因此其自相关程度近似为零， Symposium on Power Line CommunicationsIts Applica一信号通过该信道后其相关性不会受到太大影响；图4(e)tionsBroil，2010：313318为如(m)相关曲线，由图可以得出=3 456；图4(d)为 【4】HOCH MComparison of PLC_G3 and PRIMECIIEEER蹦(m)相关曲线，其中A=3 257，得D=一五=199，与符号 International Symposium on怕wer Line Communicatlon and偏差值2

20、00同样只差一个载波符号周期，在接收端通过 Its ApplicationUdine，2011：165169补偿即可判断出正确的FCH位及DATA位的起始位置。 51 SOUISSI S，DHIA A B，TLILI F，et alOFDM modem4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，因此在传输信号过程中会受到噪声、多径干扰和频率选择性衰落等影响，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G3PLC信号帧结构，并根据G3一PLC电力

21、线通信协议特有的帧格式，利用前导序列之间的相关性，提出采用两重相关的检测方法对系统的失步进行了有效的补偿，并且最后通过Monte Carlo方法对系统进行了仿真验证。结果表明，本文提出的系统同步补偿算法对不同信道环境适应性好，可以准确地检测到FCH位及DATA位的起始位置，使接收端能够正确地解调信息，算法实现简单，可靠性高。参考文献【1】辛耀中，石俊杰，周京阳，等智能电网调度控制系统现状与技术展望【J电力系统自动化，2015，39(1)：28【2】王继业，马士聪，仝杰，等中日韩电网关键技术发展及趋势分析J】电网技术，2016，40(2)：491499【3】RAZAZIAN K，UMARI M，

22、KAMALIZAD A，et a1G3一PLCcommunicationC】International Conference on DesignTechnology of Integrated Systems in Nanoscale Era，Hammamet，tunisia，2010：1-4【6】李春阳，黑勇，乔树山OFDM电力线载波通信系统的定时同步和模式识别【J】电力系统自动化，2012，36(8)：5860【7SCHMIDL T M，COX D CRobust frequency and timingsynchronization for OFDMJ】IEEE Transactions

23、 onCommunications，1997，45(12)：16131621【8】MINN H，ZENG M，BHARGAVA V KOn timing offsetestimation for OFDM systemsJ】IEEE Communicationslettem，2000，4(7)：242244(收稿日期：2017-05-08)作者简介：赵黎(1981一)，女，博士，副教授，主要研究方向：智能电网、电力线载波通信。焦晓露(1992一)，女，硕士研究生，主要研究方向：G3一PLC通信协议。specification for powerline communication：overvi

24、ew，system 张峰(1979一)，男，副教授，主要研究方向：信号与信息simulation and field trial resultsCIEEE International 处理。斗-+-+一卜+-+-+-+一+一+一+-+一+-+一+-+一+-+一+-+一+-+一+-+-+-+-+-+一+-+-+-+一+一+卜+。+-+。P(上接第79页)RANl榴3，R1157424，Anaheim，US，2016【15】Technical Specification Group Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio A

25、ccess(EUTRA)；Medium Access Control(MAC)protocol specification；Release 13fSl3GPP TS 36321 V1330，2016【16】Technical Specification Group Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EU乙A)；Physical channels and modulation；Release 13S3GPP，Is 36211 V13302016【17】Technical Specification Gr

26、oup Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio hccess(E-UTRA)；Radio Resource Control(RRC)；Protocol specification；Release 13S13GPP TS 36331 V1330，2016(收稿日期：2017-05-22)作者简介：陈发堂(1965一)，男，研究员，主要研究方向：移动通信系统。周述淇(1991一)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：L1陋一A Pro高层协议栈，Email：234279535qqcom。郑辉(1991一)，男，硕士研究生

27、，主要研究方向：LTE-APro高层协议栈。-4-+一+-+一+一+-+-+一+-+一+-+-+-+一+一+一+-+-+一+-卜-+-+一卜+-+-+-+-+-+一+-+。+一-+。+一-+-+一+-+。一+。+一卜(上接第83页) 算法J】自动化学报，2013，39(7)：11171125trains and popularity in TwitterJPlos One，2015，10(7)：31410】AGGARWAL C C，XIE Y，YU P SA framework fordynamic link prediction in heterogeneous networksJStati

28、stical Analysis&Data Mining the Asa Data ScienceJournal，2014，7(1)：14-33【11】许鹏远，党延忠基于聚类系数的推荐算法【J】计算机应用研究，2016，33(3)：654-65612】张新猛，蒋盛益基于核心图增量聚类的复杂网络划分电子技术应用2018年第44卷第2期13】林友芳，王天宇，唐锐，等一种有效的社会网络社区发现模型和算法【J】计算机研究与发展，2012，49(2)：337345(收稿日期：2017-10-09)作者简介：崔俊明(1965一)，男，硕士，高级讲师，主要研究方向：计算机算法设计与教学。李勇(1974一)，男，硕士，高级讲师，主要研究方向：计算机技术应用与教学。87万方数据