電力系統無線通信中的低復雜度Rake接收機

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 電機系電力系統國家重點實驗室, 北京 100084)

電力系統無線通信中的低復雜度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 電機系電力系統國家重點實驗室, 北京 100084)

針對電力系統中高速無線通信，提出了一種分級式Rake接收機架構，有效節約了硬件資源，避免了布線擁塞。基于該推薦架構，實現了一種8路并行8指Rake接收機。在SMIC.18 CMOS工藝下，該Rake接收機相對于傳統方案獲得了13.1%芯片面積和37.2%布線網絡的節約。

Rake接收機；電力系統；無線通信；布線擁塞

因鋪設簡單、運行成本低等特點，監測數據傳輸無線化已成為電力系統發展的必然趨勢[1]。作為第二代移動通信核心技術，通用分組無線服務技術(GPRS)首先被應用到了電力系統通信[2]。但是，由于受到數據吞吐率的限制，已不能滿足電力系統測量、監管等大數據的傳輸需求。目前，全球微波互聯接入技術(WiMAX)[3]、無線傳感網絡[4]、超寬帶無線通信[5]等新型高速通信技術正被推廣到電力系統通信中來。然而，上述的研究主要集中在技術體制的評估，并沒有基于電力系統通信的具體特點對已有技術進行優化。事實上，由于電力系統通信網絡需要長時間運行，降低接收機復雜度可有效延長電池供電檢測結點的運行時間。因此，本文旨在研究電力系統無線通信中低復雜度Rake接收機的設計。

由于可以捕獲更多能量并且不敏感于定時誤差，高速無線通信系統采用高分辨率的Rake接收機來獲得優異的接收性能。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中，移位寄存器和多路選擇器之間復雜的布線網絡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接收機的布線復雜度，對于避免布線擁塞、節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，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、加權調整，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運算，并對相關值按照最大比合并，根據合并結果進行數據恢復[8]。

假定A表示信號幅度，擴頻調制的發送信號可以表示為

(1)

式中：s(t)表示用戶信息符號序列xi擴頻后的發射信號；Tf是脈沖重復周期；w(t)是由Ns個脈沖構成長度為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。在接收端，受到多徑響應和噪聲的影響，接收信號表示為

(3)

式中：L是信道中多徑分量的數目；hl和τl表示第l條徑的增益系數和各徑到達時延；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器組成，實現與不同延遲下的擴頻波形w(t)的相關。在路徑延遲為Tm下，第m指相關后的結果表示為

(4)

在jTs時刻，對相關器的輸出采樣，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據，在不提高系統工作時鐘的前提下，獲得M倍于單路處理模式的數據吞吐量[9]。

假定Rake接收機指數為N，擴頻因子為J，最大路徑延遲為D個采樣時鐘，過采樣倍數為K，并行輸入采樣點路數為M，且M是K的整數倍，第m指的離散路徑延遲為T(m)。傳統Rake接收機首先將采樣數據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，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Rake接收機為例，其結構如圖1所示。

圖1 傳統N指Rake接收機結構

傳統Rake接收機的設計思路簡單，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。由于數據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接收機結構，將多徑對齊、多徑分離及解擴均拆分成兩級進行。一方面，由于整個系統是線性系統，因此擴頻波形w(t)相關處理可以拆分成與δ(t)的波形匹配和與αk的序列相關兩級；另一方面，多徑對齊與多徑分離根據每個時鐘處理并行輸入的采樣點數分成了分數倍和整數倍兩級，詳細結構圖如圖2所示。

圖2 分級式N指Rake接收機結構

首先，對采樣數據進行基于FIR模式的波形匹配，這樣可以有效節約各個相關器都做波形匹配消耗的邏輯資源。

第一級多徑對齊分離，進行小數倍離散路徑延遲(相對于Rake接收機系統時鐘)的對齊與分離。由于每時鐘有并行M路輸入，因此小數倍延遲有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個數據進行解擴，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，進行整數倍離散路徑延遲(相對于Rake接收機系統時鐘)的對齊與分離，由于整數倍離散路徑延遲由T(m)的高G位(即減去L的剩余位數，G=「lb(D/M)?)表示，與上一步類似處理最終選取出各指對應的擴頻序列，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指序列相關所得的信號進行最大比合并，各指信號與相應的擴頻序列完成乘加運算。各徑得到的數值，與信道估計獲得的各徑信道沖激響應幅值相乘，最終通過累加器完成N徑數據的累積運算，最終得到Rake接收機輸出。

不同于傳統Rake接收機設計方案，分級式Rake接收機將多徑分離和多徑對齊分成了整數倍多徑分離、多徑對齊和小數倍多徑分離、多徑對齊兩部分來實現；同時，擴頻波形相關處理拆分成波形匹配與序列相關兩級。因此，該推薦結構與傳統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，較好地減小系統綜合時出現的布線擁塞、路徑延遲激增的問題，提高系統的工作時鐘。

3 實現與分析

針對高吞吐率無線通信系統，本文設計了一種8指分級式Rake接收機，過采樣倍數為4、擴頻因子為8、并行輸入路數為8路以及最大路徑延遲為127個采樣時鐘。Rake的輸入數據采樣率為1 Gsample/s(采樣值/s)，以125 MHz系統時鐘頻率、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，其原理框圖如圖3所示。首先，對輸入的采樣數據進行基于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每個時鐘處理的采樣點數(8個點)分成了兩級。第一級進行小數倍離散路徑延遲(相對于125 MHz系統時鐘)的對齊與分離。由于每時鐘有并行8路輸入，因此小數倍延遲有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個數據進行解擴，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。第二級進行整數倍離散路徑延遲(相對于125 MHz系統時鐘)的對齊與分離，由離散路徑延遲T(m)高4位表示。然后，解擴系列相關階數為2，每4個時鐘周期完成一次序列相關。最后將各個Rake指上相關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接收機結構

傳統結構和推薦分級式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]，并且一個突發包中信道響應保持不變。在BPSK、QPSK調制下，誤碼率仿真結果如圖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結構基本相同的誤碼率性能，驗證了推薦結構的有效性。

傳統結構與分級式Rake接收的復雜度評估，如表1所示。考慮到有I、Q兩路信號，傳統Rake結構需要寄存器(135+32×8)×2=782個，而分級式Rake結構需要寄存器(11+12+32×8+8×8)×2=686個；傳統Rake結構需要128選1多路選擇器8×8×2=128個，對應128×(128-1)=16 256個2選1多路選擇器，而分級式Rake結構需要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32×(8-1+16-1)=704個2選1多路選擇器；最后傳統Rake結構需要乘法器2×8×8+16=144個，而分級式Rake結構需要乘法器為2×8×4+16=80個。分析結果表明，推薦分級式Rake的寄存器略低于傳統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 資源復雜度對比

最后，基于SMIC 180 nm CMOS工藝，供電電壓為1.2 V，系統時鐘約束125 MHz，本文完成了該分級式Rake接收機ASIC實現。DC compiler門級綜合工具給出了芯片的芯片面積及布線網絡綜合報告。與傳統Rake接收機進行比較，結果如表2所示。該推薦的分級式Rake接收機可以節約13.1%的芯片面積。更為重要的是，該推薦結構的布線網絡數下降了37.2%。在布線階段，對于傳統Rake接收機面臨的嚴重的布線擁塞問題被有效解決。

表2 芯片面積和布線網絡的比較

4 小結

針對電力系統中的高速無線通信，本文提出了一種高速低復雜度分級式Rake接收機架構，將多徑分離和多徑對齊分成了整數倍多徑分離、多徑對齊和小數倍多徑分離、多徑對齊兩部分來實現，并將擴頻波形相關處理拆分成波形匹配與序列相關兩級。與傳統Rake接收機相比，該推薦結構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工藝下的實現結果表明，該Rake接收機相對于傳統方案獲得了13.1%芯片面積和37.2%布線網絡的節約。因此，該推薦的分級式Rake接收機架構在高吞吐率擴頻接收機領域有著廣闊的應用前景。

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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技術研究工作；

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

楊云濤(1983— )，博士，工程師，主要從事配電網通信與信息系統技術研究與應用工作。

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.電力系統無線通信中的低復雜度Rake接收機[J].電視技術,2015，39(1).