許知博，黃少偉，楊云濤

(1. 陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司, 陜西 西安 710061；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

電力系統(tǒng)無(wú)線通信中的低復(fù)雜度Rake接收機(jī)

許知博1，黃少偉2，楊云濤1

(1. 陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司, 陜西 西安 710061；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

針對(duì)電力系統(tǒng)中高速無(wú)線通信，提出了一種分級(jí)式Rake接收機(jī)架構(gòu)，有效節(jié)約了硬件資源，避免了布線擁塞。基于該推薦架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種8路并行8指Rake接收機(jī)。在SMIC.18 CMOS工藝下，該Rake接收機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)方案獲得了13.1%芯片面積和37.2%布線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)約。

Rake接收機(jī)；電力系統(tǒng)；無(wú)線通信；布線擁塞

因鋪設(shè)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。作為第二代移動(dòng)通信核心技術(shù)，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(GPRS)首先被應(yīng)用到了電力系統(tǒng)通信[2]。但是，由于受到數(shù)據(jù)吞吐率的限制，已不能滿足電力系統(tǒng)測(cè)量、監(jiān)管等大數(shù)據(jù)的傳輸需求。目前，全球微波互聯(lián)接入技術(shù)(WiMAX)[3]、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[4]、超寬帶無(wú)線通信[5]等新型高速通信技術(shù)正被推廣到電力系統(tǒng)通信中來(lái)。然而，上述的研究主要集中在技術(shù)體制的評(píng)估，并沒(méi)有基于電力系統(tǒng)通信的具體特點(diǎn)對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。事實(shí)上，由于電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，降低接收機(jī)復(fù)雜度可有效延長(zhǎng)電池供電檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間。因此，本文旨在研究電力系統(tǒng)無(wú)線通信中低復(fù)雜度Rake接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

由于可以捕獲更多能量并且不敏感于定時(shí)誤差，高速無(wú)線通信系統(tǒng)采用高分辨率的Rake接收機(jī)來(lái)獲得優(yōu)異的接收性能。然而，高分辨率的Rake接收機(jī)需要花費(fèi)大量的移位寄存器、多路選擇器資源來(lái)實(shí)現(xiàn)多徑選擇。在長(zhǎng)擴(kuò)展延遲信道[6-7]中，高分辨率的Rake接收機(jī)需要數(shù)百個(gè)移位寄存器組來(lái)確保所有的多徑元素被收集。但是，在高吞吐率無(wú)線通信系統(tǒng)中，移位寄存器和多路選擇器之間復(fù)雜的布線網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的布線擁塞，甚至導(dǎo)致布線不收斂[8-9]。因此，降低Rake接收機(jī)的布線復(fù)雜度，對(duì)于避免布線擁塞、節(jié)約硬件資源和降低功耗有著顯著意義。

1 Rake接收原理

Rake接收機(jī)是一種多徑分集合并接收技術(shù)，可以在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)，并對(duì)這些分辨出來(lái)的多徑信號(hào)分別進(jìn)行延時(shí)和相位校正，在某一時(shí)刻對(duì)齊、加權(quán)調(diào)整，進(jìn)而消除碼間串?dāng)_，獲得信道分集增益[10]。Rake接收時(shí)，輸入信號(hào)與主徑和選定的次徑分別進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并對(duì)相關(guān)值按照最大比合并，根據(jù)合并結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)[8]。

假定A表示信號(hào)幅度，擴(kuò)頻調(diào)制的發(fā)送信號(hào)可以表示為

(1)

式中：s(t)表示用戶信息符號(hào)序列xi擴(kuò)頻后的發(fā)射信號(hào)；Tf是脈沖重復(fù)周期；w(t)是由Ns個(gè)脈沖構(gòu)成長(zhǎng)度為Ts=NsTf的擴(kuò)頻波形，可表示為

(2)

式中：αk為擴(kuò)頻序列；δ(t)表示單位脈沖響應(yīng)。在接收端，受到多徑響應(yīng)和噪聲的影響，接收信號(hào)表示為

(3)

式中：L是信道中多徑分量的數(shù)目；hl和τl表示第l條徑的增益系數(shù)和各徑到達(dá)時(shí)延；n(t)是單邊功率譜密度為N0的加性白高斯噪聲。Rake接收機(jī)的每一條支路由一個(gè)相關(guān)器組成，實(shí)現(xiàn)與不同延遲下的擴(kuò)頻波形w(t)的相關(guān)。在路徑延遲為Tm下，第m指相關(guān)后的結(jié)果表示為

(4)

在jTs時(shí)刻，對(duì)相關(guān)器的輸出采樣，擴(kuò)頻序列移位正交下有

(5)

(6)

對(duì)于高速無(wú)線通信系統(tǒng)而言，采樣速率往往達(dá)到吉赫茲量級(jí)時(shí)，硬件電路單路處理模式往往無(wú)法滿足如此高的系統(tǒng)工作時(shí)鐘。M路并行處理模式的Rake接收機(jī)，可以有效地并行處理各徑上的數(shù)據(jù)，在不提高系統(tǒng)工作時(shí)鐘的前提下，獲得M倍于單路處理模式的數(shù)據(jù)吞吐量[9]。

假定Rake接收機(jī)指數(shù)為N，擴(kuò)頻因子為J，最大路徑延遲為D個(gè)采樣時(shí)鐘，過(guò)采樣倍數(shù)為K，并行輸入采樣點(diǎn)路數(shù)為M，且M是K的整數(shù)倍，第m指的離散路徑延遲為T(m)。傳統(tǒng)Rake接收機(jī)首先將采樣數(shù)據(jù)輸入至移位寄存器組中進(jìn)行多徑延時(shí)對(duì)齊，因此移位寄存器的深度為D+M；接著，采用多路選擇器進(jìn)行多徑選擇，以分離出各個(gè)Rake指上的接收波形，由于一個(gè)時(shí)鐘處理M個(gè)采樣點(diǎn)，所以每個(gè)支需要M個(gè)D選1多路選擇器，以選出M個(gè)波形；然后，在每個(gè)Rake指上進(jìn)行擴(kuò)頻相關(guān)，由于每時(shí)鐘處理M個(gè)采樣點(diǎn)，因此J×K/M個(gè)時(shí)鐘周期完成一次解擴(kuò)；最后，將各個(gè)Rake指上解擴(kuò)所得信號(hào)進(jìn)行最大比合并，得到最終Rake輸出。以N指?jìng)鹘y(tǒng)Rake接收機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)N指Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)Rake接收機(jī)的設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，但其需要的寄存器資源、多路選擇器資源以及連線資源過(guò)大。由于數(shù)據(jù)都來(lái)自相同的寄存器緩存，這將導(dǎo)致布線擁塞、路徑延遲激增，進(jìn)而降低系統(tǒng)工作時(shí)鐘[8-9]。

2 分級(jí)式Rake接收機(jī)

本文提出了一種分級(jí)式Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)，將多徑對(duì)齊、多徑分離及解擴(kuò)均拆分成兩級(jí)進(jìn)行。一方面，由于整個(gè)系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，因此擴(kuò)頻波形w(t)相關(guān)處理可以拆分成與δ(t)的波形匹配和與αk的序列相關(guān)兩級(jí)；另一方面，多徑對(duì)齊與多徑分離根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘處理并行輸入的采樣點(diǎn)數(shù)分成了分?jǐn)?shù)倍和整數(shù)倍兩級(jí)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分級(jí)式N指Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)

首先，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基于FIR模式的波形匹配，這樣可以有效節(jié)約各個(gè)相關(guān)器都做波形匹配消耗的邏輯資源。

第一級(jí)多徑對(duì)齊分離，進(jìn)行小數(shù)倍離散路徑延遲(相對(duì)于Rake接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘)的對(duì)齊與分離。由于每時(shí)鐘有并行M路輸入，因此小數(shù)倍延遲有M個(gè)不同的離散延遲，由離散路徑延遲T(m)的低L位(L=「lbM?)表示。波形匹配之后，每個(gè)Rake指每個(gè)時(shí)鐘周期只需要抽取出M/K個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)，因此，所需最大寄存器深度僅為2M-K個(gè)，多路選擇器也僅需M/K個(gè)M選1。

第二級(jí)多徑對(duì)齊分離，進(jìn)行整數(shù)倍離散路徑延遲(相對(duì)于Rake接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘)的對(duì)齊與分離，由于整數(shù)倍離散路徑延遲由T(m)的高G位(即減去L的剩余位數(shù)，G=「lb(D/M)?)表示，與上一步類似處理最終選取出各指對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列，所需的最大寄存器深度為M/K×2G，每指僅需M/K個(gè)2G選1的多路選擇器。

最后，將各個(gè)Rake指序列相關(guān)所得的信號(hào)進(jìn)行最大比合并，各指信號(hào)與相應(yīng)的擴(kuò)頻序列完成乘加運(yùn)算。各徑得到的數(shù)值，與信道估計(jì)獲得的各徑信道沖激響應(yīng)幅值相乘，最終通過(guò)累加器完成N徑數(shù)據(jù)的累積運(yùn)算，最終得到Rake接收機(jī)輸出。

不同于傳統(tǒng)Rake接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，分級(jí)式Rake接收機(jī)將多徑分離和多徑對(duì)齊分成了整數(shù)倍多徑分離、多徑對(duì)齊和小數(shù)倍多徑分離、多徑對(duì)齊兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，擴(kuò)頻波形相關(guān)處理拆分成波形匹配與序列相關(guān)兩級(jí)。因此，該推薦結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)Rake接收機(jī)相比，可以大幅度地減少寄存器和多路選擇器資源的使用，較好地減小系統(tǒng)綜合時(shí)出現(xiàn)的布線擁塞、路徑延遲激增的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的工作時(shí)鐘。

3 實(shí)現(xiàn)與分析

針對(duì)高吞吐率無(wú)線通信系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種8指分級(jí)式Rake接收機(jī)，過(guò)采樣倍數(shù)為4、擴(kuò)頻因子為8、并行輸入路數(shù)為8路以及最大路徑延遲為127個(gè)采樣時(shí)鐘。Rake的輸入數(shù)據(jù)采樣率為1 Gsample/s(采樣值/s)，以125 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、8路并行的方式輸入，輸出符號(hào)速率為31.25 Msample/s。

基于Verilog HDL語(yǔ)言，本文完成分級(jí)式Rake接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖3所示。首先，對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基于FIR模式的波形匹配，需要8路并行4階匹配濾波器。之后，多徑對(duì)齊與多徑分離根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘處理的采樣點(diǎn)數(shù)(8個(gè)點(diǎn))分成了兩級(jí)。第一級(jí)進(jìn)行小數(shù)倍離散路徑延遲(相對(duì)于125 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘)的對(duì)齊與分離。由于每時(shí)鐘有并行8路輸入，因此小數(shù)倍延遲有8個(gè)不同的離散延遲，由離散路徑延遲T(m)低3位表示。每個(gè)時(shí)鐘周期Rake每指需要抽取2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)，因此，所需的寄存器深度僅為12，多路選擇器也僅需2個(gè)8選1。第二級(jí)進(jìn)行整數(shù)倍離散路徑延遲(相對(duì)于125 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘)的對(duì)齊與分離，由離散路徑延遲T(m)高4位表示。然后，解擴(kuò)系列相關(guān)階數(shù)為2，每4個(gè)時(shí)鐘周期完成一次序列相關(guān)。最后將各個(gè)Rake指上相關(guān)所得的信號(hào)進(jìn)行最大比合并，得到最終輸出。

圖3 推薦分級(jí)式8指Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和推薦分級(jí)式Rake接收機(jī)的誤碼率性能進(jìn)行ModelSim RTL級(jí)仿真驗(yàn)證。信道選用超寬帶CM2信道[5,7]，并且一個(gè)突發(fā)包中信道響應(yīng)保持不變。在BPSK、QPSK調(diào)制下，誤碼率仿真結(jié)果如圖4所示。仿真曲線表明，推薦的分級(jí)式Rake接收機(jī)可以獲得和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同的誤碼率性能，驗(yàn)證了推薦結(jié)構(gòu)的有效性。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分級(jí)式Rake接收的復(fù)雜度評(píng)估，如表1所示?？紤]到有I、Q兩路信號(hào)，傳統(tǒng)Rake結(jié)構(gòu)需要寄存器(135+32×8)×2=782個(gè)，而分級(jí)式Rake結(jié)構(gòu)需要寄存器(11+12+32×8+8×8)×2=686個(gè)；傳統(tǒng)Rake結(jié)構(gòu)需要128選1多路選擇器8×8×2=128個(gè)，對(duì)應(yīng)128×(128-1)=16 256個(gè)2選1多路選擇器，而分級(jí)式Rake結(jié)構(gòu)需要8選1多路選擇器2×8×2=32個(gè)和16選1多路選擇器為2×8×2=32個(gè)，對(duì)應(yīng)32×(8-1+16-1)=704個(gè)2選1多路選擇器；最后傳統(tǒng)Rake結(jié)構(gòu)需要乘法器2×8×8+16=144個(gè)，而分級(jí)式Rake結(jié)構(gòu)需要乘法器為2×8×4+16=80個(gè)。分析結(jié)果表明，推薦分級(jí)式Rake的寄存器略低于傳統(tǒng)Rake，但是多路選擇器、乘法器資源則大大降低。

圖4 誤碼率性能比較

表1 資源復(fù)雜度對(duì)比

最后，基于SMIC 180 nm CMOS工藝，供電電壓為1.2 V，系統(tǒng)時(shí)鐘約束125 MHz，本文完成了該分級(jí)式Rake接收機(jī)ASIC實(shí)現(xiàn)。DC compiler門級(jí)綜合工具給出了芯片的芯片面積及布線網(wǎng)絡(luò)綜合報(bào)告。與傳統(tǒng)Rake接收機(jī)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。該推薦的分級(jí)式Rake接收機(jī)可以節(jié)約13.1%的芯片面積。更為重要的是，該推薦結(jié)構(gòu)的布線網(wǎng)絡(luò)數(shù)下降了37.2%。在布線階段，對(duì)于傳統(tǒng)Rake接收機(jī)面臨的嚴(yán)重的布線擁塞問(wèn)題被有效解決。

表2 芯片面積和布線網(wǎng)絡(luò)的比較

4 小結(jié)

針對(duì)電力系統(tǒng)中的高速無(wú)線通信，本文提出了一種高速低復(fù)雜度分級(jí)式Rake接收機(jī)架構(gòu)，將多徑分離和多徑對(duì)齊分成了整數(shù)倍多徑分離、多徑對(duì)齊和小數(shù)倍多徑分離、多徑對(duì)齊兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將擴(kuò)頻波形相關(guān)處理拆分成波形匹配與序列相關(guān)兩級(jí)。與傳統(tǒng)Rake接收機(jī)相比，該推薦結(jié)構(gòu)大幅度地減少了寄存器和多路選擇器的使用，避免布線擁塞和路徑延遲激增。其在SMIC.18 CMOS工藝下的實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該Rake接收機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)方案獲得了13.1%芯片面積和37.2%布線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)約。因此，該推薦的分級(jí)式Rake接收機(jī)架構(gòu)在高吞吐率擴(kuò)頻接收機(jī)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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許知博(1986— )，碩士，助理工程師，從事電力通信與信息系統(tǒng)技術(shù)研究工作；

黃少偉(1985— )，博士，助理研究員，主研電力系統(tǒng)并行仿真與分布式計(jì)算、微電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)；

楊云濤(1983— )，博士，工程師，主要從事配電網(wǎng)通信與信息系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

責(zé)任編輯：薛 京

Low-complexity Rake Receiver for Wireless Communications in Electronic Power Systems

XU Zhibo1, HUANG Shaowei2, YANG Yuntao1

(1.ShaanxiRegionalElectricPowerGroupCo.,Ltd.,Xi’an710061,China; 2.StateKeyLabofPowerSystems,DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

In this paper, a novel multi-layer Rake receiver architecture is proposed for high data rate wireless communications in the electronic power system, which efficiently saves hardware resource and avoids routing congestion. According to the proposed architecture, a parallel-8 figure-8 multi-layer Rake receiver is designed. In SMIC.18 CMOS technology, the Rake receiver achieves a reduction of 13.1% cell area and 37.2% routed nets, compared with the traditional scheme.

Rake receiver; electronic power systems; wireless communications; routing congestion

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277104)

TN914.4

A

10.16280/j.videoe.2015.01.018

2014-06-10

【本文獻(xiàn)信息】許知博，黃少偉，楊云濤.電力系統(tǒng)無(wú)線通信中的低復(fù)雜度Rake接收機(jī)[J].電視技術(shù),2015，39(1).