用于在mimo窄带电力线通信中的碰撞率降低的系统和方法
【专利说明】用于在ΜΙΜΟ窄带电力线通信中的碰撞率降低的系统和方 法
[0001] 优先权的声明和相关专利申请
[0002] 本正式申请基于下列在先的美国临时专利申请（一个或更多）要求优先权：（i) 以 Mostafa Sayed Ibrahim, Il Han Kim, Tarkesh Pande 和 Anuj Batra 的名义于 2014 年 9 月 30 日提交的申请号为 62/057, 649 的 "FRAME STRUCTURE AND ROBUST PREAMBLE DETECTION FOR M頂0 NARROWBAND POWER LINE COMMUNICATION(用于fflMO窄带电力线通信 的帧结构和鲁棒前导检测）";（ii)以Mostafa Sayed Ibrahim, Il Han Kim, Tarkesh Pande 和Anuj Batra的名义于2014年9月30日提交的申请号为62/057,661的"CYCLIC SHIFT SELECTION FOR THE TRANSMISSION OF M頂0 NARROWBAND POWER LINE COMMUNICATION(用 于ΜΙΜΟ窄带电力线通信传输的循环移位选择）";和（iii)以Mostafa Sayed Ibrahim, Il Han Kim, Tarkesh Pande和Anuj Batra的名义于2014年9月30日提交的申请号为 62/057, 669 的"COLLISION RATE REDUCTION TECHNIQUE FOR M頂0 NARROWBAND POWER LINE COMMUNICATION(用于MMO窄带电力线通信的碰撞率降低技术）"；其中的每个因此通过引 用全面地并入。
技术领域
[0003] 所公开的实施例通常涉及包括电力线通信的通信领域。
【背景技术】
[0004] 电力线通信（PLC)包括用于通过相同媒介（即，电线或导体）通信数据的系统，其 还用来将电力传输到住宅、楼宇以及其他场所。一旦应用PLC系统，其可以使能大量应用， 包括，例如，自动读表和加载控制（即，实用型应用）、汽车使用（如，充电电动汽车）、家庭 自动化（如，控制家用电器、灯等）和/或计算机网络（如，互联网接入）等。
[0005] 以3至500kHz频带运行的窄带电力线通信（NB-PLC)作为支持新兴的智能电网应 用的方案已经获益，其旨在优化电网的效率和可靠性。由于PLC比现存的电力线设施更低 的布局成本，其对于智能电网应用特别有吸引力。
[0006] 已知PLC信道是对于数字通信具有高度挑战性的环境，因为其不得不对抗能够高 度随机的脉冲噪声的爆发。进一步地，PLC的频率选择性信道能够明显限制系统性能和数 据速率。
[0007] 多输入多输出（MHTO)PLC被视为有前途的技术，其用于提高数据速率同时提供应 对PLC环境中遭遇的严酷情况的鲁棒性。
【发明内容】
[0008] 在MMO PLC通信中，前导（preamble)结构的设计能够是至关重要的，其能够有效 用以执行最初的接收机同步。另外，具有传统NB-PLC标准的MIMO帧结构的后向兼容性在 市场能力和可用性方面是重要问题。
[0009] 本专利申请公开具有可执行程序指令于其上的系统、方法、设备、装置和相关计算 机可读媒介，以提供或以其他方式有助于在PLC网络中的基于MMO数据通信。概括地，公 开以适当的正交频分复用（OFDM)调制方案运行的PLC网络的各方面，以生成具有适当前导 部分的MMO帧，其配置为提供与传统PLC装置的后向兼容性并且有助于不同接收器任务 (如，帧检测和符号定时、信道估计和自动增益控制（AGC))，其包括在脉冲噪声和PLC网络 的频率选择性信道出现时的鲁棒前导检测。
[0010] 在一个方面中，公开一种在PLC网络中运行的MMO帧生成方法的实施例，该PLC 网络包括一个或更多[MO PLC装置和根据传统PLC数据传输标准、使用OFDM运行的一个或 更多传统PLC装置。PLC网络可以配置为支持M頂0信道，其具有N t个传输阶段（transmit phase)或端口和Nr个接收端口。所声明的实施例还包括在对应于MMO帧的第一传输阶 段的MMO PLC装置的第一传输端口处，生成或提供与传统PLC数据传输标准（如，IEEE 1901. 2标准）兼容的传统前导（L-前导）部分，接着是包括传统FCH数据和兼容MMO的 FCH数据的第一帧控制头（FCH)部分。包括多个分量的第一兼容MMO的前导（M-前导）部 分在FCH部分之后，其中，每个分量包括SYNCM符号和相关的保护间隔以及SYNCP符号和相 关的保护间隔，其中，SYNCM符号和相关的保护间隔合称为SI，SYNCP符号和相关的保护间 隔合称为S2。第一载荷数据部分在M-前导部分之后，作为第一传输阶段的一部分。在MMO PLC装置的余下的传输端口处，其对应于MIMO帧的余下的传输阶段，分别提供由选择数量 (CS-L)循环移位的L-前导部分和FCH部分，接着是由选择数量（CS-M)循环移位的对应的 M-前导部分和各自载荷数据部分，其中，在M頂0 PLC装置的传输端口处的操作在生成MMO 帧方面在时域上大体上是同步的。
[0011] 在另一个方面中，公开一种混合前导检测方法的实施例，其在PLC装置处运行以 适于在使用OFDM调制方案的PLC网络中接收数据。所声明的实施例还包括（如，在识别其 中存在前导时）基于延迟相关过程确定接收的PLC信号流中的前导开始（preamble start) 的最初估计；并且响应于在前导开始的最初估计附近的搜索范围，基于涉及指示接收的 PLC信号流中的PLC帧的开始的已知前导序列的互相关（cr 〇 s s-corre I at i on)过程，确定前 导开始的最终估计。
[0012] 在又一个方面中，公开一种循环移位（CS)选择方法的实施例，该方法操作用于 MHTO PLC网络（如，[Ντ X Nr]网络）。所声明的实施例还包括获得、生成或以其他方式配 置具有默认的CS数量的最初CS向量，其可以应用于在耦接到MMO信道的MMO传输器处 的MMO数据信号帧的不同的传输阶段。将最初CS向量应用于MMO数据信号帧的一个或 更多部分时，L-前导部分和/或M前导部分中的至少一个经过PLC网络传输。随后，MHTO 传输器监控信道以便获得确认（ACK)帧。如果在超时期间（timeout period)内未从接收 器装置接收到ACK信号帧，则最初CS向量在迭代过程中交叉或以其他方式重新排列以用于 重新传输M頂0数据信号帧，直到接收到ACK信号帧，从而，可以提供更优的信道用于数据通 {目。
[0013] 在更进一步的方面中，公开一种碰撞率降低的方法的实施例，该方法操作用于 MHTO PLC网络（如，[Ντ X Nr]网络），其包括MMO装置和传统装置。所声明的实施例还 包括获得、生成或以其他方式配置传统FCH数据，并且使用适合的生成多项式（如，CRC5、 CRC8等）生成用于它的CRC序列。有意扰动传统FCH数据的至少一部分以引入误差于其 中。M頂O传输器编码并且传输信号帧，其包括扰动后的传统FCH数据和未扰动的传统FCH 数据的CRC序列，其中，CRC序列将在传统PLC接收器装置处自动失效以便当传统PLC接收 器装置经由PLC网络接收MMO数据信号帧时，通过传统PLC接收器装置确保预定的退避时 间（如，最大退避时间）。在一个实施方式中，可以扰动传统FCH数据以便最大化在扰动后 的FCH数据和未扰动的FCH数据之间的海明距离（Hamming distance)。在其他实施方式 中，可以通过反转（inverting)所有或一部分比特、添加额外比特、删除一个或更多比特等 扰动传统FCH数据。
[0014] 在更进一步的方面中，可以根据本文的教导提供在MMO传输器或接收器装置处 操作的方法的附加的或替代的实施例。在更进一步的相关方面中，公开包含程序指令或代 码部分存储于其上的永久的有形的计算机可读媒介和装置的实施例，以执行本文所提出的 一个或更多过程、方法和/或方案。
【附图说明】
[0015] 本公开的实施例通过示例而非限制的方式示出，在附图中，相同附图标记指代相 似元件。应当注意，在本公开中，对一个（"a"或"one"）实施例的不同参考不一定是相同 实施例，并且这种参考可以指至少一个。进一步地，当结合实施例描述具体特征、结构或特 点时，认为将这种特征、结构或特点与其他实施例结合在本领域技术人员的知识范围内，无 论其是否明确描述。
[0016] 附图结合到说明书中并且构成其一部分以示出本公开的一个或更多示例实施例。 本公开的各种优势和特征将根据【具体实施方式】结合所附的权利要求以及参考所附的附图 进行理解，在附图中：
[0017] 图1示出示例PLC网络，其中，可以实施本专利申请的一个或更多实施例；
[0018] 图2根据实施例示出用于经由PLC信道通信的示例M頂0传输器/接收器系统；
[0019] 图3示出示例MMO信道，其具有在图2的实施例中运行的[Nt= 2]传输阶段或 端口和[Nr= 4]接收路径；
[0020] 图4A根据实施例示出在MMO PLC系统中使用的示例多路径OFDM传输器系统；
[0021] 图4B根据实施例示出在M頂0 PLC系统中使用的示例多路径OFDM接收器系统；
[0022] 图5A示出根据使用OFDM的传统窄带PLC数据传输标准（如，IEEE1901. 2标准） 的示例PHY帧结构；
[0023] 图5B根据本专利申请的实施例示出用于在混合MM) PLC网络中多阶段传输的示 例PHY帧结构，该M頂0 PLC网络包括兼容M頂0的PLC装置和传统PLC装置；
[0024] 图5C和图分别示出用于PLC网络中的[2x 2] M頂0信道和[4x4] M頂0信道的 酉式空时传输结构；
[0025] 图5E根据实施例示出用于在单一 MM) PLC网络中多阶段传输的示例PHY帧结 构；
[0026] 图6A根据本公开的教导示出示例MM) PLC传输器装置，其中，可以实施一个或更 多实施例；
[0027] 图6B根据本公开的教导示出示例MM) PLC接收器装置，其中，可以实施一个或更 多实施例；
[0028] 图7A和图7B根据一个或更多实施例示出示例M頂0帧生成方法的流程图；
[0029] 图8根据实施例示出示例前导检测器的框图；
[0030] 图9A-图9B和图IOA-图IOB示出并且举例说明延迟关联方案，其用于图8的前 导检测器的实施例；
[0031] 图IlA和图IlB根据延迟关联方案的实施例不出延迟关联量变曲线（profile)的 示例统计图，以确定在MIMO信号中的前导开始的初始估计；
[0032] 图12是示例前导检测方法的流程图，其用于图8的前导检测器的实施例；
[0033] 图13是示例延迟关联方法的流程图，其用于图8的前导检测器的实施例；
[0034] 图14示出示例互相关方案，以确定前导开始的最终估计，作为图8的前导检测器 的实施例的一部分；
[0035] 图15A和图15B根据图14的互相关方案的实施例分别示出不具有和具有数据峰 值折叠 （data peak folding)的互相关量变曲线的示例统计图；
[0036] 图16是示例互相关方法的流程图，其用于图8的前导检测器的实施例；
[0037] 图17A和图17B根据实施例示出用于前导符号的边界校正方案；
[0038] 图18是根据图17A和图17B的方案的实施例的一种符号边界校正的方法的流程 图；
[0039] 图19A和