基于PLC的智能抄表系統編碼方案的設計及實現

郭新 黃健安 易煥銀

摘 ? 要：針對智能抄表系統中數據傳輸方式造成的數據不穩定、可靠性低的情況，提出了一種基于電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，稱PLC）傳輸技術的全局耦合準循環低密度奇偶校驗（Globally Coupled Quasi-Cyclic ?Low-density Parity-check） GC-QC-LDPC碼的編碼方案。數值仿真結果表明，在AWGN信道和BPSK調制下，GC-QC-LDPC碼在智能抄表系統數據傳輸中有較好的糾錯性能，因而有工程應用價值。

關鍵詞：智能抄表系統 ?電力載波 ?LDPC碼

中圖分類號：TM933 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0119-05

Abstract： In this paper， In view of the unstable data and low reliability caused by the data transmission method in the intelligent meter reading systems ，We propose a ?Globally Coupled Quasi-Cyclic ?Low-density Parity-check （GC-QC-LDPC） code based Power Line Carrier Communication（PLC） coding scheme. Numerical results show that the proposed GC-QC-LDPC codes have good performance over the AWGN channel with BPSK modulation， thus what we proposed is valuable in practical engineering.

Key Words： Intelligent meter reading system; Power Line Carrier Communication; LDPC code

隨著社會信息化的發展，現代水電計量及收費的智能化也是必然趨勢。因而傳統的計量儀表及人工上門抄表收費的方法將逐步被淘汰。自從“一戶一表抄表到戶”工程的改造和實施以來，越來越多的用戶接受了計算機聯網集中抄收，集中控制，集中收費的管理辦法。隨著供電供水自動化以及城鄉電網、水管網改造的不斷深入，涉及到千家萬戶的水電管理和抄表計費成為了電力和物業部門關心和重視的熱點問題。盡管目前已有通過485網線，電力載波，紅外，無線等通訊方式，對水電進行管理和各種表計數據進行抄錄，但是在具體應用和項目實施過程中，都遇到數據抄錄不穩定、數據實時性差、系統可靠性低等問題[1]。

本文研究基于電力線載波通信技術（以下簡稱PLC）的抄表系統，可實現電表數據抄收、賬單付費可選、遠程通斷電表控制、電表狀態遠程監控等功能。

電力線載波通信（Power Line Carrier Communication）是以輸電線路為載波信號的傳輸媒介的通信技術。輸電線輸送工頻電流的同時，用之傳送載波信號，是一種非常經濟的通信手段。目前這種手段為世界上所有電力部門廣泛采用。但是PLC通信技術由于自身原因，但也存在較大的缺陷，主要有以下幾點[2]：

（1）配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號一般只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送。

（2）三相電力線間存在信號耦合，造成很大信號損失（10dB-30dB）。

（3）電力線存在本身因有的脈沖干擾。

（4）電力線對載波信號可造成高削減。

鑒于以上幾點，基于PLC技術傳輸的智能抄表系統存在著傳輸速率低、重傳次數多、數據傳輸效率低等問題。因此，本文提出了一類適合于基于PLC技術使用GC-LDPC碼的智能抄表系統的編碼方案。

1 ?智能抄表系統的數據結構

本文的基于PLC傳輸的智能抄表系統是將PLC模塊嵌入到每一個電表中，利用PLC傳輸模式將數據傳送到抄表系統服務端。或者傳送到現場數據集中器，再由集中器將數據提交給智能抄表系統服務端，此時數據集中器類似于通信系統中的中繼作用。這樣，智能抄表系統可以實時同步接收、處理多個電表提供的數據。此外，智能抄表系統還可以實現對電表的遠程控制，進行參數調整、開關等控制操作。智能抄表系統結構示意圖如圖1所示。

目前，本文的無線傳輸智能抄表系統中電表提交的數據主要包括電表ID、時間、電量實時數據、遠程開關操作等。每次加密、封裝后的數據包大約255比特，每個電表向智能抄表系統提交數據包的頻率為每15分鐘一次。另，PLC技術中有自動重傳操作（Hybrid Automatic Repeat-request， HARQ），而智能抄表系統中存在的電表分布相對分散、PLC信號在電力線路上衰減、載波線路干擾等因素，會造成電表通信的數據延時較大，從而觸發自動重傳機制造成大量的自動重傳操作，進而大大降低抄表系統的效率。因此，本文提出應用GC-LDPC碼進行前向糾錯，并對255比特數據包進行重復編碼，減少或者不用自動重傳機制，提升智能抄表系統的效率。

一般性地，我們采用 （15876，13494） GC-LDPC碼，可以將255比特的電表數據重復發送52次，卻僅給抄表系統發送一次即可。當智能抄表系統接收的數據不超過255比特時時，啟動重傳機制，讓電表重新發送一次，直到接收的數據大于等于255比特。當智能抄表系統接受的數據超過255比特時，便可利用GC-LDPC碼的糾錯能力，恢復出電表的原有數據。如果完全接受到了15876 比特的數據時，我們可以恢復出52份重復的電表數據?；谏鲜黾夹g和過程，可大大增加了智能抄表系統的數據可靠性。

該方案還具有一定的擴展性。隨著本文智能抄表系統的功能和應用增加，即相應的數據包增大，例如由原先的255比特增加到512比特，那么只需將原先的2個數據包的編碼換成一個數據包的編碼，仍然可以重復數據包26次，保證數據可靠度不發生明顯變化?；谶@種編碼方案，即使后面的數據包繼續增大，亦能保證所提出的GC-LDPC碼不需要更換，大大節約了抄表系統的成本，也同時提高了智能抄表系統的靈活度。

2 ?LDPC碼

20 世紀90 年代末，人們發現Gallager 于60 年代初發明的低密度校驗 （Low-density Parity-check）LDPC碼[2]是一類可逼近Shannon 容量限的好碼[3-4]。此后，LDPC 碼受到了編碼界的廣泛關注。眾多學者對LDPC 碼的構造[5-6]、譯碼[7]、性能分析[8]及其在通信系統中的應用[9]等進行了較為系統和全面的研究，并取得到了顯著的成果。結構化的LDPC碼具有編碼簡單、快速，譯碼復雜度低和誤碼平層低等優點 [10]，在光通信、微波通信和數據存儲等應用中較多。2001年，Kou Y和Lin S 等基于有限幾何構造了一類規則LDPC 碼[6]。隨后，LinS的研究團隊應用其他組合數學工具，如部分幾何（Partial geometry）[11]，BIBD[12]和有限域[13]等，構造LDPC碼，并利用矩陣散列[11]、掩模[12]等技術對校驗矩陣處理，得到了更多類碼率和碼長更靈活的LDPC 碼。2004年，Vasic B[15]等利用循環差集構造了一類性能優異的LDPC 碼。Chen C，Bai B[16]等利用Singer 差集構造了一類錯誤平層較低的多元LDPC 碼。上述結構化構造方法，均利用組合結構的關聯特性，有效地避免了LDPC 碼對應Tanner 圖中的短環，采用SPA迭代譯碼的性能也非常好[17-19]。

LDPC碼是一類特殊的線性分組碼，它由一個含有少量非零元素的m×n校驗矩陣H的零空間所定義。若校驗矩陣H的行重均為r，列重均為g ，則H的零空間給出了一個（g， r ） -規則LDPC碼。另外一種表示LDPC碼的方式是Tanner圖，它是一個由校驗節點和比特節點組成的二部圖[20]。校驗矩陣H與Tanner圖之間的關系如下：校驗矩陣H的m行對應于Tanner圖的m個校驗節點;n列對應于Tanner圖的n個比特節點;當且僅當H中的元素hij為1時，Tanner圖中第i個校驗節點與第j個比特節點相連接。Tanner圖中，最短環的長度稱為圍長（Girth）。在基于置信度的迭代譯碼算法中，短環對LDPC 碼的譯碼性能影響很大，尤其是長度為4的環。所以，在構造H過程中，為了有效地避免長度為4的環，文獻[15]提出了一個RC約束（row-column constraint）：H中任意兩行（或者兩列）至多在一個相同位置上有非零元素。RC約束保證了Tanner圖的圍長至少為6。Tanner圖中最小環長的提升不僅能夠帶來SPA性能的改善，也能夠提升LDPC碼的MHD下界，進而能夠帶來低重碼字的改善。

3 ?Globally Coupled LDPC碼的構造

設α為有限域GF（q）的本原元，則構成了GF（q）中的全部元素。利用元素αi可以按照如下步驟構造一個大小為（q-1）×（q-1）的循環置換矩陣：

步驟1：根據αi可以定義一個大小為1×（q-1）的向量，其中第i位上的元素為1，其他位置上的元素均為0;

步驟2：將該向量逐次循環右移一位，并按行排列便可得到一個（q-1）×（q-1）循環置換矩陣，即

其中第一行是最后一行的向右循環移位。

步驟3：構造GF（q）上的大小為（q-1）×（q-1）矩陣W。GF（q）中不同的非零向量對應著不同的循環置換矩陣，GF（q）中單位元為1，（α0）對應的循環置換矩陣為一個（q-1）×（q-1）單位矩陣。構造矩陣W為：

這樣，從W的上三角（或者下三角）選取一個k×r子矩陣作為H（k，r）（避免選取主對角線上的0元素），將此子矩陣中的非零元素替換成相應的循環置換矩陣。則H（k，r）給出了一個碼長為r（q-1）的（k，r）-規則準循環（Quasi-Cyclic）QC-LDPC碼，簡稱GC-QC-LDPC碼（也作G-Q-LDPC碼）。

若H（k，r）滿足下面形式

則稱H（k，r）所定義的QC-LDPC碼稱為GC-QC-LDPC碼。

4 ?數值仿真結果

本節將對所提出的GC-QC-LDPC 碼構造方法。我們構造了（15876，13494） GC-QC-LDPC碼和（15876，14871） GC-QC-LDPC碼，并對他們進行仿真，然后給出它們的比特錯誤概率（Bit error rate， BER）和碼字錯誤概率（Word error rate， WER）性能[21]。注意，仿真結果采用BPSK調制和譯碼算法（sum-product algorithm， SPA）（迭代50 次），是在AWGN信道下得到的仿真結果。

三個仿真結果均顯示所構造的GC-QC-LDPC碼的錯誤平層都很低。

從圖2可以看出，所構造的（15876，13494） GC-QC-LDPC碼在BER=10-8時距離Shannon容量線約1dB。

從圖3可以看出，所提出（15876，14871） GC-QC-LDPC碼的譯碼迭代收斂速度很快。

為了對比GC-LDPC碼的性能，我們對255比特數據進行編碼，構造了（512，256）LDPC碼進行仿真，從圖4可以看出該碼在BER=10-5時，距離Shannon容量線還有3 dB左右。因此，利用GC-LDPC碼對智能抄表系統中的255比特數據進行重復編碼，可以得到不錯的性能增益。

對比圖2、3和圖4可以顯示利用單個LDPC碼對255比特數據進行編碼雖然比未編碼得到很多增益，但是距離重復編碼的GC-LDPC碼還有一定的差距。

從以上仿真結果可以看出，智能抄表系統可以利用GC-LDPC碼，并且當智能抄表系統中的單個電表的數據量增大時，只需相應地將重復次數減少即可，從而提高了智能抄表系統編碼方案的靈活度，大大節省了智能抄表系統的成本。

5 ?結語

本文分析了智能抄表系統中的傳輸數據結構并提出了基于Globally Coupled （GC-LDPC） LDPC碼的編碼方案。本文所構造的QC-GC-LDPC碼可以在智能電表的數據傳輸過程中起到傳送速率高、誤碼率低的作用，用戶端電表數據可以更準確的傳達到智能抄表的服務端，提供更好的便民服務。軟件仿真結果表明，Globally Coupled LDPC碼在AWGN信道和BPSK調制下，BER和WER在較低的情況下，距離香農極限較近，此編碼方案具有復雜度低，占用資源少，糾錯性能好，易于實現的性能。因此，這類GC-LDPC碼不僅可以適應于智能抄表系統，而且還有其他的工程應用價值。

參考文獻

[1] 江曉鈺.適應智能電網的用戶互動服務平臺設計研究[J].信息通信，2013（9）：244-245.

[2] 楊仁宇，張玲，楊秀增，等.基于GPRS和電力載波通信的遠程數據采集系統研究[J].儀表技術與傳感器，2018（2）：121-123.

[3] 陳路. 關于LDPC碼算法研究與相關應用[J].電子元器件與信息技術，2018（10）：87-89

[4] 孫成，徐恒舟，馮丹，等.可分解的可分組設計構造的LDPC碼[J].西安電子科技大學學報，2016，44（3）：31-35，42.

[5] KOU Y， LIN S， FOSSORIER M P C. Low-density parity-check codes based on finite geometries： a rediscovery and new results[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2001， 47（7）： 2711-2736.

[6] RICHARDSON T J， SHOKROLLAHI M A and URBANKE R L. Design of capacity-approaching irregular low-density parity-check codes [J].IEEE Transactions on Information Theory， 2001，47（2）：619-637.

[7] LI J， LIU K， LIN S， et al.. Decoding of quasi-cyclic LDPC codes with section-wise cyclic structure[C]// Preceedings of the IEEE Information Theory and Applications Workshop. San Diego： IEEE，2014：1-10.

[8] NARASIMHAN T， CHOCKALINGAM A. EXIT chart based design of irregular LDPC codes for large-MIMO systems [J]. IEEE Communications Letters， 2013，17（1）： 115-118.

[9] DOLECEK LARA， BLAUM MARIO， BRUCK JEHOSHUA， et al.. Guest editorial communication methodologies for the next-generation storage systems [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2014， 32（5）： 809-814.

[10]DIAO Q， TAI Y， LIN S， et al. LDPC codes on partial geometries： construction， trapping set structure， and puncturing [J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2013， 59（12）： 7898-7914.

[11]LAN L， TAI Y， LIN S， et al. New constructions of quasi-cyclic LDPC codes based on special classes of BIBDs for the AWGN and binary erasure channels [J]. IEEE Transactions on Communications， 2008， 56（1）： 39-48.

[12]SONG S， ZHOU B， LIN S， et al. A unified approach to the construction of binary and nonbinary quasi-cyclic LDPC codes based on finite fields [J]. IEEE Transactions on Communications， 2009， 57（1）：84-93.

[13]LI J， LIU K， LIN S， et al. Algebraic quasi-cyclic LDPC codes： construction， low error-floor， large girth and a reduced-complexity decoding scheme [J]. IEEE Transactions on Communications， 2014， 62（8）： 2626-2637.

[14]VASIC B， MILENKOVIC O. Combinatorial constructions of low-density parity-check codes for iterative decoding [J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2004， 50（6）：1156-1176.

[15]王冬.新技術在居民用電計量和收費管理中的應用和發展[J].電力學報，2006，21（2）：222-226.

[16]CHEN C， BAI B， WANG X. Construction of non-binary quasi-cyclic LDPC cycle codes based on singer perfect difference set [J]. IEEE Communications Letters， 2010， 14（2）： 181-183.

[17]RYAN W E， LIN S. Channel Codes： Classical and Modern [M]. New York： Cambridge University Press， 2009： 487-490.

[18]陳代勛. 基于自主研發能源管理系統對空壓機管網節能降耗的研究與實現[J].中國有色金屬，2018（S1）：316-319.

[19]張一哲， 張玫， 楊曉晴. 基于電力載波通信和CAN總線通信的住宅小區遠程抄表系統設計[J].河北建筑工程學院學報，2017，35（3）：74-77，87.

[20]WANG R， LI Y ，ZHAO H，et al. Construction of Girth-eight Quasi-cyclic Low-density Parity-check Codes with Low Encoding Complexity[J].IET Communication， 2016，10（2）：148：153.

[21]范仁基，趙旦峰.一種改進的碼率兼容QC-LDPC 碼構造算法[J].信息技術與網絡安全，2018，37（5）：58-61，70.