許知博，黃少偉，楊云濤

(1. 陜西省地方電力(集團)有限公司, 陜西 西安 710061；2. 清華大學 電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100084)

電力系統(tǒng)無線通信中的低復(fù)雜度Rake接收機

許知博1，黃少偉2，楊云濤1

(1. 陜西省地方電力(集團)有限公司, 陜西 西安 710061；2. 清華大學 電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100084)

針對電力系統(tǒng)中高速無線通信，提出了一種分級式Rake接收機架構(gòu)，有效節(jié)約了硬件資源，避免了布線擁塞?；谠撏扑]架構(gòu)，實現(xiàn)了一種8路并行8指Rake接收機。在SMIC.18 CMOS工藝下，該Rake接收機相對于傳統(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；電力系統(tǒng)；無線通信；布線擁塞

因鋪設(shè)簡單、運行成本低等特點，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸無線化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。作為第二代移動通信核心技術(shù)，通用分組無線服務(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]、無線傳感網(wǎng)絡(luò)[4]、超寬帶無線通信[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。然而，上述的研究主要集中在技術(shù)體制的評估，并沒有基于電力系統(tǒng)通信的具體特點對已有技術(shù)進行優(yōu)化。事實上，由于電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)需要長時間運行，降低接收機復(fù)雜度可有效延長電池供電檢測結(jié)點的運行時間。因此，本文旨在研究電力系統(tǒng)無線通信中低復(fù)雜度Rake接收機的設(shè)計。

由于可以捕獲更多能量并且不敏感于定時誤差，高速無線通信系統(tǒng)采用高分辨率的Rake接收機來獲得優(yōu)異的接收性能。然而，高分辨率的Rake接收機需要花費大量的移位寄存器、多路選擇器資源來實現(xiàn)多徑選擇。在長擴展延遲信道[6-7]中，高分辨率的Rake接收機需要數(shù)百個移位寄存器組來確保所有的多徑元素被收集。但是，在高吞吐率無線通信系統(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)會導致嚴重的布線擁塞，甚至導致布線不收斂[8-9]。因此，降低Rake接收機的布線復(fù)雜度，對于避免布線擁塞、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接收機是一種多徑分集合并接收技術(shù)，可以在時間上分辨出細微的多徑信號，并對這些分辨出來的多徑信號分別進行延時和相位校正，在某一時刻對齊、加權(quán)調(diào)整，進而消除碼間串擾，獲得信道分集增益[10]。Rake接收時，輸入信號與主徑和選定的次徑分別進行相關(guān)運算，并對相關(guān)值按照最大比合并，根據(jù)合并結(jié)果進行數(shù)據(jù)恢復(fù)[8]。

假定A表示信號幅度，擴頻調(diào)制的發(fā)送信號可以表示為

(1)

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

(2)

式中：αk為擴頻序列；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)和各徑到達時延；n(t)是單邊功率譜密度為N0的加性白高斯噪聲。Rake接收機的每一條支路由一個相關(guān)器組成，實現(xiàn)與不同延遲下的擴頻波形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時刻，對相關(guān)器的輸出采樣，擴頻序列移位正交下有

(5)

(6)

對于高速無線通信系統(tǒng)而言，采樣速率往往達到吉赫茲量級時，硬件電路單路處理模式往往無法滿足如此高的系統(tǒng)工作時鐘。M路并行處理模式的Rake接收機，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接收機指數(shù)為N，擴頻因子為J，最大路徑延遲為D個采樣時鐘，過采樣倍數(shù)為K，并行輸入采樣點路數(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接收機首先將采樣數(shù)據(jù)輸入至移位寄存器組中進行多徑延時對齊，因此移位寄存器的深度為D+M；接著，采用多路選擇器進行多徑選擇，以分離出各個Rake指上的接收波形，由于一個時鐘處理M個采樣點，所以每個支需要M個D選1多路選擇器，以選出M個波形；然后，在每個Rake指上進行擴頻相關(guān)，由于每時鐘處理M個采樣點，因此J×K/M個時鐘周期完成一次解擴；最后，將各個Rake指上解擴所得信號進行最大比合并，得到最終Rake輸出。以N指傳統(tǒng)Rake接收機為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)N指Rake接收機結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)Rake接收機的設(shè)計思路簡單，但其需要的寄存器資源、多路選擇器資源以及連線資源過大。由于數(shù)據(jù)都來自相同的寄存器緩存，這將導致布線擁塞、路徑延遲激增，進而降低系統(tǒng)工作時鐘[8-9]。

2 分級式Rake接收機

本文提出了一種分級式Rake接收機結(jié)構(gòu)，將多徑對齊、多徑分離及解擴均拆分成兩級進行。一方面，由于整個系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，因此擴頻波形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；另一方面，多徑對齊與多徑分離根據(jù)每個時鐘處理并行輸入的采樣點數(shù)分成了分數(shù)倍和整數(shù)倍兩級，詳細結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分級式N指Rake接收機結(jié)構(gòu)

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

第一級多徑對齊分離，進行小數(shù)倍離散路徑延遲(相對于Rake接收機系統(tǒng)時鐘)的對齊與分離。由于每時鐘有并行M路輸入，因此小數(shù)倍延遲有M個不同的離散延遲，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Rake指每個時鐘周期只需要抽取出M/K個數(shù)據(jù)進行解擴，因此，所需最大寄存器深度僅為2M-K個，多路選擇器也僅需M/K個M選1。

第二級多徑對齊分離，進行整數(shù)倍離散路徑延遲(相對于Rake接收機系統(tǒng)時鐘)的對齊與分離，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應(yīng)的擴頻序列，所需的最大寄存器深度為M/K×2G，每指僅需M/K個2G選1的多路選擇器。

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

不同于傳統(tǒng)Rake接收機設(shè)計方案，分級式Rake接收機將多徑分離和多徑對齊分成了整數(shù)倍多徑分離、多徑對齊和小數(shù)倍多徑分離、多徑對齊兩部分來實現(xiàn)；同時，擴頻波形相關(guān)處理拆分成波形匹配與序列相關(guān)兩級。因此，該推薦結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)Rake接收機相比，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)綜合時出現(xiàn)的布線擁塞、路徑延遲激增的問題，提高系統(tǒng)的工作時鐘。

3 實現(xiàn)與分析

針對高吞吐率無線通信系統(tǒng)，本文設(shè)計了一種8指分級式Rake接收機，過采樣倍數(shù)為4、擴頻因子為8、并行輸入路數(shù)為8路以及最大路徑延遲為127個采樣時鐘。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)時鐘頻率、8路并行的方式輸入，輸出符號速率為31.25 Msample/s。

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

圖3 推薦分級式8指Rake接收機結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和推薦分級式Rake接收機的誤碼率性能進行ModelSim RTL級仿真驗證。信道選用超寬帶CM2信道[5,7]，并且一個突發(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，推薦的分級式Rake接收機可以獲得和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同的誤碼率性能，驗證了推薦結(jié)構(gòu)的有效性。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分級式Rake接收的復(fù)雜度評估，如表1所示。考慮到有I、Q兩路信號，傳統(tǒng)Rake結(jié)構(gòu)需要寄存器(135+32×8)×2=782個，而分級式Rake結(jié)構(gòu)需要寄存器(11+12+32×8+8×8)×2=686個；傳統(tǒng)Rake結(jié)構(gòu)需要128選1多路選擇器8×8×2=128個，對應(yīng)128×(128-1)=16 256個2選1多路選擇器，而分級式Rake結(jié)構(gòu)需要8選1多路選擇器2×8×2=32個和16選1多路選擇器為2×8×2=32個，對應(yīng)32×(8-1+16-1)=704個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，而分級式Rake結(jié)構(gòu)需要乘法器為2×8×4+16=80個。分析結(jié)果表明，推薦分級式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)雜度對比

最后，基于SMIC 180 nm CMOS工藝，供電電壓為1.2 V，系統(tǒng)時鐘約束125 MHz，本文完成了該分級式Rake接收機ASIC實現(xiàn)。DC compiler門級綜合工具給出了芯片的芯片面積及布線網(wǎng)絡(luò)綜合報告。與傳統(tǒng)Rake接收機進行比較，結(jié)果如表2所示。該推薦的分級式Rake接收機可以節(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，對于傳統(tǒng)Rake接收機面臨的嚴重的布線擁塞問題被有效解決。

表2 芯片面積和布線網(wǎng)絡(luò)的比較

4 小結(jié)

針對電力系統(tǒng)中的高速無線通信，本文提出了一種高速低復(fù)雜度分級式Rake接收機架構(gòu)，將多徑分離和多徑對齊分成了整數(shù)倍多徑分離、多徑對齊和小數(shù)倍多徑分離、多徑對齊兩部分來實現(xiàn)，并將擴頻波形相關(guān)處理拆分成波形匹配與序列相關(guān)兩級。與傳統(tǒng)Rake接收機相比，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工藝下的實現(xiàn)結(jié)果表明，該Rake接收機相對于傳統(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，該推薦的分級式Rake接收機架構(gòu)在高吞吐率擴頻接收機領(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

國家自然科學基金項目(51277104)

TN914.4

A

10.16280/j.videoe.2015.01.018

2014-06-10

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