CN105471793B - 用于生成用于mimo窄带电力线通信的帧结构的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生成用于MIMO窄带电力线通信的帧结构的方法和系统。一种可利用OFDM操作的、用于生成具有适当前导部分的MIMO帧(500B、500E)的PLC网络系统(100)和方法(700A、700B)，其配置为提供传统PLC装置(108‑1至108‑M)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)等，其包括在存在脉冲噪声和PLC网络(100)的频率选择性信道时的鲁棒前导检测。

Description

用于生成用于MIMO窄带电力线通信的帧结构的系统和方法
优先权的声明和相关专利申请
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 DETECTIONFOR MIMO NARROWBAND POWER LINE COMMUNICATION(用于MIMO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AnujBatra的名义于2014年9月30日提交的申请号为62/057,661的“CYCLIC SHIFT SELECTIONFOR THE TRANSMISSION OF MIMO NARROWBAND POWER LINE COMMUNICATION(用于MIMO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 MIMO NARROWBAND POWER LINECOMMUNICATION(用于MIMO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
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
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。
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。
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。
多输入多输出(MIMO)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
在MIMO 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。
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MIMO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MIMO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。
在一个方面中，公开一种在PLC网络中运行的MIMO帧生成方法的实施例，该PLC网络包括一个或更多MIMO 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MIMO信道，其具有NT个传输阶段(transmitphase)或端口和NR个接收端口。所声明的实施例还包括在对应于MIMO帧的第一传输阶段的MIMO 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MIMO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MIMO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S1，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MIMO 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MIMO PLC装置的传输端口处的操作在生成MIMO帧方面在时域上大体上是同步的。
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(cross-correlation)过程，确定前导开始的最终估计。
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MIMO PLC网络(如，[NT 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MIMO信道的MIMO传输器处的MIMO数据信号帧的不同的传输阶段。将最初CS向量应用于MIMO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，MIMO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MIMO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信。
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MIMO PLC网络(如，[NT x NR]网络)，其包括MIMO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。MIMO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MIMO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。
在更进一步的方面中，可以根据本文的教导提供在MIMO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
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。
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：
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；
图2根据实施例示出用于经由PLC信道通信的示例MIMO传输器/接收器系统；
图3示出示例MIMO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；
图4A根据实施例示出在MIMO PLC系统中使用的示例多路径OFDM传输器系统；
图4B根据实施例示出在MIMO PLC系统中使用的示例多路径OFDM接收器系统；
图5A示出根据使用OFDM的传统窄带PLC数据传输标准(如，IEEE 1901.2标准)的示例PHY帧结构；
图5B根据本专利申请的实施例示出用于在混合MIMO PLC网络中多阶段传输的示例PHY帧结构，该MIMO PLC网络包括兼容MIMO的PLC装置和传统PLC装置；
图5C和图5D分别示出用于PLC网络中的[2x 2]MIMO信道和[4x4]MIMO信道的酉式空时传输结构；
图5E根据实施例示出用于在单一MIMO PLC网络中多阶段传输的示例PHY帧结构；
图6A根据本公开的教导示出示例MIMO PLC传输器装置，其中，可以实施一个或更多实施例；
图6B根据本公开的教导示出示例MIMO PLC接收器装置，其中，可以实施一个或更多实施例；
图7A和图7B根据一个或更多实施例示出示例MIMO帧生成方法的流程图；
图8根据实施例示出示例前导检测器的框图；
图9A-图9B和图10A-图10B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；
图11A和图11B根据延迟关联方案的实施例示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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图19A和图19B根据实施例示出在示例MIMO PLC网络中的循环移位(CS)选择方案；
图20是可根据图17A和图17B的方案的实施例操作的一种的CS选择方法的流程图；
图21是根据实施例的一种碰撞率降低方法的流程图；和
图22是示例PLC装置的框图，其中，可以实施本专利申请的一个或更多实施例。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地描述本发明的具体实施例。在本发明的实施例的具体实施方式中，提出许多具体细节是为了提供对发明的更透彻的理解。然而，很明显，对于本领域技术人员而言，可以在不具有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，未详细描述已知特征以避免不必要的对说明书的复杂化。正如本文所使用的，术语“耦合”旨在意为间接的或直接的电气连接，除非限制为“可通信地耦合”，其可以包括无线连接。因此，如果第一个装置耦合到第二个装置，则该连接可以是通过直接的电气连接或通过经由其他装置和连接的间接的电气连接。
现在参考附图，并且更具体地参考图1，图1中示出示例PLC网络100，其中，可以实施本专利申请的一个或更多实施例。出于本公开的目的，附图标记102指包括多个电力线或电线的电力线设施的至少一部分，其可以包括高压(HV)线(如，从110kV到380kV范围)、中压(MV)线(如，从10kV到30kV范围)和低压(LV)线(如，从110V到400V范围)或其任意组合，其可以散置适当的网对用户(grid-to-customer)的设施组件，如，变电站、变压器、相位转换器、继电器、耦合电容器、用电量仪表、断路器面板和有助于不同距离(如，从几百英里到用户屋内的距离范围)配电的其他元件。此外，电力线设施102可以定位在单户住宅，公寓楼，工业/商业楼等内，同时在某些实施例中延伸至其外，其中，各种设施组件为了简洁未示出。在一个说明性实施方式中，可以提供电力线设施102作为配电系统的一部分，其公开在以Il HanKim等人的名义颁发的共同转让美国专利申请号为8,265,197的“OFDM TRANSMISSIONMETHODS IN THREE PHASE MODES(在三阶段模式中的OFDM传输方法)”，该文通过参考并入。
多个电气用具104-1至104-N可以以常规方式耦合到电力线设施102，其可以包括任意已知的或迄今未知的住宅的、工业的或商业的用具。然而，电气用具104-1至104-N一般不参与经由电力线设施102的配线的数据通信，其能够影响PLC数据装置应该在其上通信的信道。在交流电(AC)实施方式中，取决于单相电力或多相(如，三相)电力是否正被分配，电力线设施102的配线可以包括多个导体，其基于国家电力传输标准经常变化。在典型美国家庭设施中，可以提供三种电线，即，阶段(P)线或活(L)线、中性(N)线和保护接地(PE)线。对于三相传输系统，除了N线和PE线之外，可以提供三个单独的活线(即，L1、L1和L3)。
在示例PLC网络100的后向兼容实施方式中，多个单输入单输出(SISO)调制解调器或数据装置108-1至108-M可以耦合到电力线设施102的一对电线，如，用于传输和接收装置二者而配对的P-N线，以根据使用OFDM的传统PLC数据传输标准(如，PRIME、G3、ITU G.hnem、Home Plug AV、IEEE 1901.2等)通信数据。进一步地，多个多输入多输出(MIMO)调制解调器或数据装置106-1至106-K可以有利地耦合到示例电力线设施102的两个或更多配线对，以根据下文详细提出的实施例通信数据。
图2根据实施例示出示例MIMO传输器/接收器系统200，以完成经由PLC信道202的数据通信，其中，示出三线电力线设施。传输(Tx)调制解调器或数据装置204和接收(Rx)调制解调器或数据装置206耦合到包括L线208-1、N线208-2、PE线208-3的三线电力线设施。在传输侧上，由基尔霍夫定律(三个输入信号之和必须为零)可知，虽然数据信号可以使用三对配线(即，P-N、P-PE和N-PE对)供给，但是只可以使用三对中的两对作为数据输入的传输端口。在接收侧上，除了共模(CM)信号之外，可以使用所有三对P-N、P-PE和N-PE对作为接收端口，其中，CM信号是在三线上的电压之和与接地之间的电压差值，在图2中示为CM端口208-4。本领域技术人员应当知道，由于EMI的原因，CM路径可以仅用于接收侧。
图3示出示例MIMO信道300，其具有在图2的实施例中运行的两个传输端口和四个接收端口。附图标记302-1、302-2分别指两个示例传输端口L-N、L-PE，正如将进一步了解到的，其能够引起在MIMO事务中的两个相应的传输阶段。相应地，在本专利申请的某些实施例中，可以稍微可交换地使用术语“传输端口”和“传输阶段”。在接收侧上，可以经由所有的四个接收端口(L-N 304-1、L-PE 304-2、N-PE 304-3、CM 304-4)接收数据，其可以称为接收路径。相应地，在图2的典型三线电力线设施中，MIMO信道300配置为[2x 4]信道。与本文所示[2x 4]MIMO信道300相似，可以在电力线设施中构成[NT x NR]的广义的MIMO信道，其具有多个电线，这取决于正在使用的电线对的具体组合。应当知道，不是所有在传输侧或接收侧上的端口的可能组合可以需要应用在MIMO PLC信道中。进一步地，虽然之前的MIMO信道实施例基于AC电力线，但是DC传输系统还可以用来实施MIMO信道。本领域技术人员将了解到在某些DC传输系统中，返回路径不可以是地线。在这种情况下，可以例如通过使用地球作为相对于DC传输系统的带电线路的接地应用MIMO信道，其有助于经由适当的差分对的多个Tx/Rx端口。
在上述示例MIMO PLC网络中，可以利用适当的OFDM技术以传输数据。现在参考图4A和图4B，分别示出示例多路径OFDM传输器和接收器系统的高级框图，其可以应用为PLC装置的MIMO调制解调器的一部分，其操作以使用适当的PHY级MIMO数据帧完成Tx操作和Rx操作，正如接下来进一步详细描述的。在详细描述的下列部分中，当焦点在PLC装置处的Tx操作上时，这种装置或调制解调器可以称为PLC传输装置或调制解调器。同样地，可以具体参考Rx操作描述PLC接收装置或调制解调器。
在传输装置400A处，可以适当编码输入数据(Data In)402，其涉及前向纠错(FEC)框404，可以随后将前向纠错框404提供至串并(S/P)变换器406以经由若干传输路径或端口传输。在每个路径上，适当的调制器(如，自适应正交调幅(QAM)或相移键控(PSK))可操作以将编码后的数据流映射到符号中，正如调制器框408-1至408-N所示。MIMO编码器框410可操作以生成提供到各自反向快速傅里叶逆变换(IFFT)框412-1至412-N中的适当分集的数据流，框410可以基于波束成形、空间复用或空时块编码等。正如下列将描述的，IFFT框412-1至412-N的输出可以进一步处理并且作为包括多相PHY级数据帧的MIMO数据信号提供，该MIMO数据信号经由可操作以完成相应数量的Tx路径414-1至414-N的前端块注入到电力线设施中。反馈框416可以配置为将各条信息从接收器装置(如，相对于信道估计或质量、自适应OFDM信号音(tone)映射信息、确认信号等)提供到接收器400A，其中的至少一部分可以用于完成本文所提出的某些实施例。
在接收器400B处，提供多个FFT解调器454-1至454-K，其对应于K个接收路径452-1至452-K，该路径可以经由适当的前端框(未示出)完成。信道均衡器和相关信道估计模块456可以用来计算适当的信道矩阵，该矩阵可以由解码器458使用以获得或恢复多个数据路径，其由相应的解调器460-1至460-N解调。提供各自的数据流至并串(P/S)变换器462以汇集数据。随后，应用FEC解码464以获取数据466。如图所示，信道估计框456可以提供适当信息到MIMO解码和解调框，由信号路径470、474所示。另外，信道信息作为反馈信息可以提供到传输器400A。相对于在MIMO信道中的OFDM传输的使用波束形成和其他技术的附加细节可以在美国专利号8,265,197中找到，其在上文引入及并入。
正如之前所指出的，使用OFMD的PLC数据通信可以根据包括如IEEE 1901.2的各种标准完成。在不限制的情况下，现在将描述IEEE 1901.2的概述以更好理解作为本发明的示例实施方式的某些实施例。在于2013年7月2日的“An Overview,History,and Formationof IEEE P1901.2for Narrowband OFDM PLC(用于窄带OFDM PLC的IEEE 1901.2的概述、历史和格式)”中提供更详细的概述。此文件和于2013年10月31日批准的题为“Standard forLow-frequency(less than 500kHz)Narrowband Power Line Communications for SmartGrid Applications(用于智能电网应用的低频(小于500kHz)窄带电力线通信的标准)”的IEEE 1901.2规范二者通过引用并入本文。
IEEE 1901.2规定用于低频(小于500kHz)窄带电力线装置的经由AC和DC电力线的通信。概括地，其描述用于联邦通信委员会(FCC)、欧洲电工标准化委员会(CENELEC)和电波产业协会(ARIB)带的物理(PHY)层和媒体存取控制(MAC)操作模式。此标准支持在以下环境中的室内通信和室外通信：a)低压线(小于1000V)，如，公用事业变压器与仪表之间的线；b)通过变压器，低压变中压(1000V升至72kV)；以及c)通过变压器，在城市通信和长距离(几千米)农村通信中的中压变低压线路。该标准使用小于500kHz的传输频率并且数据速率可以配置为可扩展为500kbps，这取决于应用要求。该标准设法解决电网-公用事业仪表(grid-to-utility meter)、电动交通工具到充电站以及在家庭区域联网通信情景内的方案等。
MAC层是逻辑链路控制(LLC)层与PHY层之间的接口。通过使用具有随机退避时间的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制完成信道访问。随机退避机制传播电站试图传输的时间，从而降低冲突的可能性。每当装置希望传输数据帧时，其等待随机周期。如果发现信道空闲，在随机退避之后，装置传输其数据。如果发现信道繁忙，在随机退避之后，装置在试图再次访问信道之前等待另一个随机周期。
关于PHY构建框的细节已经在各种IEEE出版物中标准化，其导致用于NB PLC的一致的PHY结构。正如本领域所知，在收发器中的基本PHY元件用作为FEC框的一部分操作的扰频器开始，其运行以使输入数据随机化。标准化的扰频器(如，在IEEE 1901.2、G3-PLC、PRIME中的)利用相同生成多项式，如以下等式所示：
S(x)＝x7⊕x4⊕1
两级误差校正可以跟着进行，其以里索(Reed-Solomon，RS)编码器开始，其中，通常来自扰频器的数据由缩短后的系统化的索罗门(RS)码使用伽罗瓦域(Galois Field，GF)编码。第二级误差校正可以应用具有约束率K＝7的卷积编码器，接下来是二维(时间和频率)光交叉波分复用器(interleaver)。这些框可以配置为一同交互操作以提高噪声出现时的鲁棒性和整体系统性能。
OFDM调制器跟在FEC之后，其涉及调制(BPSK、QPSK、8PSK等)的一个或更多变体。限定后的调制器进一步描述星座映射；重复的数量(4、6等)；调制的种类(差分、相干)；频域预加重；OFDM生成(IFFT、具有循环前缀或CP)；和加窗。
根据基础系统参数限定物理帧的结构，这些参数包括FFT采样点(如，256、512等)和重叠采样的数量、循环前缀的大小、在前导中的符号数量和采样频率。PHY层支持两种帧：数据帧和ACK/NACK帧。每个帧用前导开始，其用于同步和检测，以及自动增益控制(AGC)适应。前导后面跟着分配给帧控制头(FCH)的数据符号，符号数量取决于由OFDM调制使用的载波的数量。
FCH是在前导之后的每个数据帧的开始传输的数据结构。它包含关于调制和在符号中的当前帧的长度的信息。FCH还包括帧控制校验和(CRC或循环冗余校验)，其用于误差检测。CRC的大小取决于现在利用的频带(如，CRC5用于CENELEC A和CENELEC B，而CRC8用于FCC)。
在图5A中示出根据IEEE 1901.2的用于SISO数据传输的PHY数据帧500A的典型传统帧结构。通过示出的方式，数据帧500A包括传统前导(L-前导)部分502，其可以由在时域中的8个或12个完全相同的同步加1(SYNCP)符号和1个完整同步减1(SYNCM)符号和SYNCM符号的第一半。SYNCP符号和SYNCM符号中的每个都被提供为256个采样长度。L-前导部分502之后紧接着是FCH部分504。SYNCP符号用于AGC适应、符号同步、信道估计和初始阶段参考估计。SYNCM符号等同于SYNCP符号，除了所有载波是π相移。在接收器处，在符号SYNCP波形与符号SYNCM波形之间的相位距离可以用于帧同步。通常地，通过创建大小为1的期望数量的等距的有效载波生成SYNCP符号。给定为φc的每个载波的相位是π/8的倍数并且用在期望的带宽上的啁啾状(chirp-like)序列载波相位开始以获得。因此，生成SYNCP符号的可能的方法是在频域开始并且创建72个复合载波，其具有初始相位φc。
紧随L-前导部分502之后的数据符号被保留给FCH 504，其数量可以因使用中的频带计划而变化。例如，当使用72个信号音并且未应用信号音掩模时，FCH长度是12个符号。可以相干调制FCH并且在FCH中的相干模式位可以用来指示操作的差分模式或可选择的相干模式是否指示。差分模式使用不要求信道估计的差分调制方案解调接收的符号(在初始信道估计操作之后)，而相干模式使用相干调制方案，其要求信道估计以更自适应的方式完成。FCH部分504包含关于当前帧的信息，如，帧的种类、帧的信号音映射指数、帧的长度等，其由常规装置使用。相干模式(CM)部分506可以紧接着FCH部分504，其包括S1符号506A和S2符号506B，其分别为SYNCM符号和SYNCP符号。S1符号506A和S2符号506B仅在相干模式中传输以用于执行用于数据解调的初始信道估计。
图5B根据本专利申请的实施例示出用于在混合MIMO PLC网络中多相传输的示例PHY帧结构500B，其包括兼容MIMO的PLC装置和传统PLC装置。应当知道，帧结构500B可操作以提供具有在图5A中所提出的传统帧结构的后向兼容性，并且可以泛化用于用NT传输阶段/端口和NR接收路径配置的MIMO信道。另外或可选择地，正如将要了解到的，其可以进一步泛化用于单一的MIMO PLC网络，其中，未部署传统装置(即，SISO装置)。通过示例的方式，后向兼容MIMO帧结构500B适用于具有NT个端口的信道配置，其中，在MIMO PLC装置的相应的Tx端口处以在时域中大致同步的方式生成帧的NT个阶段512-1至512-NT。为了有助于后向兼容性，MIMO帧结构500B用传统前导(L-前导)部分根据传统PLC数据传输标准(如，IEEE1901.2)开始，以便传统SISO(或“单相”)装置仍能够检测MIMO帧的前导并且避免在进行中的MIMO数据包事务期间传输数据。在L-前导部分之后，提供FCH部分，其包括传统FCH数据(即，由传统装置所需的信息)和兼容MIMO的数据(即，由MIMO装置所需的信息)。兼容MIMO前导(M-前导)部分跟着FCH部分，其中，S1符号和S2符号(即，SYNCM符号加上其保护间隔(GI)和SYNCP符号加上其GI)以重复的方式基于TX端口数量有利地提供给载荷解调所要求的信道估计。例如，每对S1符号和S2符号可以看成是分量(P或可交换地P)，其中，分量数量对应于TX端口数量，从而导致在MIMO帧500B的M-前导部分中的每个传输阶段的NT个分量，M-前导部分之后是相应的载荷数据部分。
因此，第一个传输阶段(如，阶段512-1)包括第一L-前导部分514-1，接着是第一FCH部分516-1，依次接着是包括多个分量(即，P＝{S1:S2}的多个重复)的第一M-前导部分518-1，和第一载荷数据部分520-1。同样地，余下阶段512-2至512-NT中的每个包括相应部分，如在图5B中所示。进一步地，根据本文的教导，循环移位(CS)的选择数量可以应用到余下的传输阶段一个或更多帧部分以避免非期望的效果，如，非期望的波束形成等。例如，如果在MIMO信道上发生破坏性的组合，则在所有传输阶段上传输相同L-前导序列会导致接收到空值。因此，为了避免这种影响，不同的CS值可以应用到从不同电力阶段传输的L-前导序列。另外，相同的CS移位值可以应用到FCH符号。应当了解，用于L-前导的CS数量(CS-L或可交换的cs-l或cl)可以配置为足够小，以确保传统装置还能够检测前导。另外，循环移位(CS-M或可交换的cs-m或cm)还可以应用到M-前导部分和载荷部分，其可以配置为足够大以最小化在M-前导和载荷之间的功率波动以允许适当的自动增益控制并且避免信号切断。因此，应用到L-前导部分和M-前导部分的CS数量可以配置为是不同的，因为其具有不同的设计标准。本领域技术人员将了解到CS数量可以通过信道模型、仿真和/或测量获得。例如，CS数量可以包括采样长度的整数倍，并且可以类似于OFDM循环前缀/后缀插入，在符号逐符号基础上应用。
继续参考图5B，能够看到，通过变化CS-L数量，如，L-前导514-2具有CS数量[cl]、L-前导514-3具有CS数量[cl2]等，循环移位余下的阶段512-2至512-NT的L-前导部分514-2至514-NT。相同的CS数量还应用到FCH部分516-2至516-NT。M-前导部分518-2至518-NT同样通过变化CS-M数量[cm]至[cm-(NT-1)]循环移位。另外和/或可选择地，相同的CS-M数量应用到载荷数据部分520-2至520-NT。此外，可以进一步操作余下的阶段的M-前导部分的一个或更多{P}分量的S1符号和S2符号，如，否定、时间反转(time-inversion)等，以获得酉式(unitary)空时分集，其能够在MIMO信道估计期间最小化噪声增强。应当了解，这种前导结构可以操作以一种不致有害地影响信道质量的方式确保在所有传输阶段上的大致平衡的电力分配。在图5B的示例实施例中，所示的传输阶段512-2的M-前导部分518-2包括分量{-P}和[P}，从而指示第一分量的相移。在图5C和图5D中分别示出用于具有正交设计的[2X2]和[4X4]MIMO信道的酉式传输矩阵结构500C、500D的示例。在这些实施例中，X轴代表传输时隙，以及Y轴代表对应于传输端口的传输电力阶段。在相干模式中，L-前导可以用来提供信道估计以解码FCH，而M-前导可以用来提供自动增益控制和信道估计并且用于载荷解调。
图5E根据一个实施例示出用于在单一MIMO PLC网络中多相传输的示例PHY帧结构500E。由于在仅MIMO(MIMO-only)PLC实施方式中，帧不需要是后向兼容的，所以示例帧结构500E不包括L-前导部分。因此，每个传输阶段用兼容MIMO前导(即，M-前导)开始，其包括例如对应于多达NT个TX端口的多个{P}分量，其中，每个{P}分量包括上文所述的S1符号和S2符号。FCH部分随后跟着，其现在包括仅由兼容MIMO装置所需的数据。载荷部分随后跟着，其类似于传统数据帧结构。然而，第一传输阶段552-1可以包括不是循环移位的帧部分(如，M-前导554-1、FCH部分556-1和载荷部分558-1)，余下的阶段可以包括具有变化的CS数量(如，[cm]至[cm-(NT-1)])的帧部分，其类似于上面所提到的配置。因此，M-前导部分554-2至554-NT、FCH部分556-2至556-NT和载荷部分558-2至558-NT可以包括适当的CS数量，其可以如之前一样应用(如，在类似于OFDM循环前缀/后缀插入的符号逐符号的基础上)。进一步地，在一个示例实施方式中，CS数量可以以采样长度的整数倍变化。类似的MIMO前导设计同样可以实现以用于更广义的[NT x NR]PLC结构。
图6A根据本公开的一个或更多实施例示出示例OFDM传输器装置的框图，其可操作以生成用于MIMO PLC操作的MIMO帧。在后向兼容的PLC实施方式中，可以提供传统FCH数据612用于利用传统装置操作，正如之前所讨论的，其可以在帧控制编码器框628中处理，帧控制编码器框628包括扰频器630以及编码器和CRC生成器632。另外，在以下进一步所讨论的某些实施例中，可以可选择地提供数据扰动框629用于在FCH数据中引入有意的误差，以强迫在传统接收器处的CRC错误。可以提供另一个帧控制编码器框622以处理兼容MIMO的FCH数据610，例如，其包括扰频器624以及编码器和CRC操作626。载荷数据608同样通过编码器框614，其可以包括扰频器616、卷积编码器618和信道和鲁棒OFDM光交叉波分复用器620。MIMO传输编码器框634可操作以接收来自FCH编码器628、622和载荷编码器614的输出。MIMO传输编码器框634的流多路复用器框636可操作以将编码后的传统FCH数据、编码后的MIMOFCH数据和编码后的载荷组合为对应于MIMO帧的(NT个)阶段的多个(NT)传输数据流中。提供数据流到多信道OFDM解调器635，其包括相应的符号映射框638-1至638-NT，符号映射框耦合到电力分配和预编码框640，电力分配和预编码框40进而耦合到相应的IFFT框642-1至642-NT。每个调制后的流由循环前缀、加窗和重叠框644-1至644-NT根据可适用的OFDM方案处理。前导插入框646可操作以必要时生成适当的L-前导部分和M-前导部分，与适当的CS选择648一同用于之前所讨论的传输阶段。具有适当数量端口(如，上达NT个)的模拟前端(AFE)框604将多相信号耦合到PLC网络的电力线设施602，由路径606-1至606-NT所示。此外，CS选择648和/或前导插入框646可以配置为从接收器装置接收反馈650以根据下述某些进一步的实施例完成附加功能。
图6B根据本公开的教导示出示例OFDM接收器600B的框图，其中，可以实施一个或更多实施例。MIMO AFE框662可以经由多个接收端口606-1至606-NR耦合到电力线设施602，并且与相应的AGC模块664和时间同步框666一同可操作以供给单独的FCH和载荷恢复模块。可以提供前导检测框667与时间同步框(一个或更多)666联合以检测在接收的MIMO信号中的前导和符号边界，其包括在不同传输阶段两端变化CS数量，将进一步在以下内容中更详细的描述。
通常，在接收器600B处的数据恢复过程与于在传输器600A处的操作大致相反，如，以相反的顺序，并且这里将不再详细描述。概括地，包括适当FFT模块的传统FCH解码器框678可操作以恢复传统FCH数据684。可以通过另一个适当数量的FFT模块668-1至668-NR处理MIMO载荷和FCH数据，其被馈送到生成或以其他方式恢复传输流的MIMO均衡器672中，该传输流由相应的解调器框674-1至674-NT解调。MIMO多路分配器框676可操作以处理解调后的流，将其馈送到载荷数据解码器682中以恢复载荷数据688。兼容MIMO的FCH数据686还可以从多路分配器输出中恢复，其由MIMO FCH解码器680单独处理。
图7A和图7B根据一个或更多实施例示出一种示例MIMO帧生成方法的流程图，这取决于是否涉及后向兼容MIMO帧或单一的仅MIMO帧。本领域技术人员将根据本参考识别在两个流程图中所提出的各种步骤、框或动作可以以许多方式以互补的方式结合。在图7A中的流程图的附图标记700A示出操作，其可以在MIMO传输器(即，具有MIMO调制解调器的PLC装置)处发生。通过概括的方式，MIMO传输器可以配置为用具有NT传输端口/阶段和NR接收端口的MIMO PLC信道操作。如上所述，MIMO PLC信道适于使用适当的OFDM调制方案传输数据。在框702处，传输器可操作以在第一传输端口处生成或提供第一兼容MIMO前导部分(M-前导-1)，其包括多个分量(如，NT个分量)，每个分量包括SYNCM(S1)符号和SYNCP(S2)符号，其具有相应的GI和/或CP。传输器进一步配置为在M-前导-1部分之后提供或生成第一兼容MIMO的帧控制头(框704)。随后，在FCH-M部分之后，提供第一载荷数据部分(PLD-1)(框706)。在下一个传输端口(如，第二传输端口)处，生成或提供第二M-前导-2部分，其包括多个分量(如，NT个分量)(框708)。如上所述，每个分量包括S1符号和S2符号，其由选择数量(CS-M)循环移位，其中，倒转一个或更多分量的S1符号和S2符号(如，乘以-1)。正如在框710、712处所提出的，在M-前导-2部分之后提供第二兼容MIMO的FCH部分，其中，第二兼容MIMO的FCH部分是第一兼容MIMO的FCH部分的循环移位后的版本。随后，在第二FCH-M部分之后，提供或生成第二载荷数据部分(PLD-2)。在余下的传输端口处，执行涉及生成或提供适当的兼容MIMO的前导部分的活动，之后是兼容MIMO的FCH部分，之后是各自的载荷数据部分(框714)。这些帧部分由相应数量的CS-M循环移位，在一个实施方式中，其等于符号的IFFT采样的选择数量的整数倍。很明显，在传输器的传输端口处的关于生成MIMO帧的之前的操作在时域中大致同步。
在混合或混合模式的MIMO PLC网络(如，包括一个或更多兼容MIMO的装置和一个或更多传统SISO装置)中，在图7B中所示的过程700B示出各种步骤、框和/活动，其可以发生后向兼容的MIMO传输器。同上，MIMO传输器可以配置为在MIMO PLC信道中操作，该信道具有NT个传输端口/阶段和NR个接收端口。在框752处，帧生成过程包括在第一传输端口处生成或提供传统前导部分(L-前导)(如，兼容IEEE 1901.2标准的)和FCH部分，其包括传统FCH数据和兼容MIMO的FCH数据，之后是兼容MIMO的前导部分(M-前导-1)，其包括多个分量(如，NT个分量)，每个分量包括S1符号和S2符号，之后是第一载荷数据部分。在框754处，帧生成过程包括在余下的端口处生成或提供相应的L-前导部分和FCH部分，其由数量(CS-L)或其整数倍循环移位，之后是相应的M-前导部分，之后是各自的载荷数据部分，其由CS-M的相应的数量循环移位。同上，在传输端口处的关于生成后向兼容MIMO帧的操作在时域中大致同步。应当知道，在混合模式的MIMO PLC网络实施方式中，可能完成在MIMO装置和SISO装置之间的在任何方向上的事务，即，接收和/或传输操作。
正如之前所指出的，同步时间并且正确地检测在接收的PLC信号中的前导以便数据能够恢复而不带有误差，这对于接收器是必要的。面对干扰大多数PLC环境的脉冲噪声和频率选择性信道，要求鲁棒检测性能，这是特别有意义的。
根据本文的教导，前导检测有利地利用在前导部分(如，传统前导部分和/或MIMO前导部分)中的重复以执行在混合检测方案中的延迟相关操作和/或互相关操作，正如将在下文提出的。延迟相关包括使得接收的流与其延迟版本相关，而互相关使得接收的流与已知前导序列相关。可以通过递推计算相对容易地应用延迟相关检测器(即，低的实施方式复杂性)。另外，延迟相关检测器性能通常不受应用到前导序列的循环移位影响，因为在前导内的重复在应用循环移位之后保持相同。另一方面，互相关检测器具有比延迟相关检测器更好的性能，但是其要求更高程度的计算复杂性。进一步地，互相关检测器可能经历一些性能降级，由于在前导序列中出现非零的CS数量。应当了解，在这种情况下，在不同位置处可能会出现多个峰值，其根据在传输阶段两端的相对CS值被隔开，代替在零循环移位的情况下的单个峰值。附加峰值能够引起检测信噪比(SNR)的降级，其能够不利地影响检测性能。
图8根据实施例示出示例前导检测器800的框图，其包括混合检测方案，其中，应用延迟相关检测器和互相关检测器。应当了解，本文所公开的混合前导检测技术在获得性能与复杂性之间的期望的折衷方面提供了灵活性。概括地，延迟相关检测器804用作第一检测阶段/级以提供用于前导开始的粗略估计，其通过第二检测阶段/级能够被核实并且细化，第二检测阶段/级采用互相关检测器812。因此，本公开的混合检测方案利用延迟相关检测器的相对低程度的复杂性和其对非零循环移位的鲁棒性，同时利用互相关检测器对PLC网络的脉冲噪声和频率选择性信道条件的鲁棒检测性能。如图8所示，延迟相关检测器804配置为优选地全面地处理接收的信号802，以决定前导的存在/不存在，并且如果检测到前导存在，则找出前导开始806的粗略估计。随后，在前导检测情况下，前导开始806的粗略估计与在估计的前导开始附近的特定检索范围808一同用以规定检索窗口810，其作为输入信号提供到互相关检测器812，互相关检测器812重新考虑由延迟相关检测器804所做的决定并且细化前导开始806的初始/粗略估计。混合方案的第二级的检索范围是重要参数，其表征混合互相关方案的性能/复杂性的折衷。特别地，检索范围越高，检测性能越好并且复杂性越高。
因此结合图12进行参考，混合检测过程1200的实施例提出步骤、活动和/或框1200，其可在PLC接收器(如，MIMO装置或SISO装置)处发生，以检测在PLC数据信号中的传统前导序列或MIMO前导序列。在框1202处，应用作为第一检测阶段的延迟相关以获得或确定在接收的PLC信号中的前导开始的粗略估计(即，初始估计)，在确定所提供的前导存在的情况下。在框1204处，在粗略估计的前导开始周围的检索窗口应用在第二检测阶段中，其使用互相关方案获得或确定在接收的PLC信号中的前导开始的精细估计(即，最终估计)，其指示帧。应当了解，混合前导检测器800和相关的检测过程1200可以有利地在PLC装置中应用，如上面描述的接收器600B。
下面提出关于在混合前导检测器800中操作的延迟相关检测器和互相关检测器的实施例的附加细节。
图9A-图9B和图10A-图10B示出并且举例说明延迟相关检测方案。在图11A和图11B中示出延迟相关量变曲线的示例统计图，其用来确定在MIMO信号中的前导开始的初始估计，该MIMO信号具有带有已知数量符号的前导。在图13中示出一种示例延迟相关方法的流程图，其用于图8的前导检测器的实施例。
在图9A中的附图标记900A指代滑动窗口方案，其用于计算接收的信号902的延迟相关，该信号具有9个符号的前导。如图所示，9个符号的滑动窗口904(包括8个SYNCP符号和一个完整SYNCM全符号)一次滑过接收的流902的一个采样。例如，附图标记906指代已经由一个采样移动的窗口。在每个窗口布置内，每个符号与在其紧接着的之前的规定数量(NC)的符号相关(即，其相关阶数)。通过示出的方式，附图标记908-1至908-NC指相关阶数1,2,…,NC。每个窗口布置的延迟相关的总数，记为L个，能够根据下式计算：
Figure BDA0000815016780000201
其中，K是滑动窗口内的符号数量，在说明性示例中，其设置为9个。一同添加L个延迟相关的绝对值以计算对应于当前窗口布置的总计相关值。图9B示出电路框900B，其将绝对值函数922-1至922-L应用到每个窗口布置获得的L个相关920-1至920-L，其提供到总和框924，以生成总的相关值926。
在图10A至图10B中示出简化示例，其示出延迟相关量变曲线的计算。在此示例中，在滑动窗口(外窗口)1002A内的采样数量设置为4个符号W1至W4，每个符号(内窗口)的采样数量设置为3个采样X1至X3，以及相关阶数NC设置为2个。因此，每个窗口布置的相关总数L能够计算为5个。如图10A中所示，在第一步中，除了第一符号和第二符号(第一符号前面没有符号相关并且第二符号仅与一个在前的符号相关)之外的每个符号与其在前的两个符号相关(如，在采样逐采样基础上)，并且得到的相关的绝对值一起相加以获得D1，其是对应于第一窗口布置的总延迟相关1006A。用于L＝5的相关可能(即，W4至W3；W4至W2；W3至W2；W3至W1；和W2至W1)和总相关D1由下列相关等式提出：
Figure BDA0000815016780000211
Figure BDA0000815016780000212
Figure BDA0000815016780000213
Figure BDA0000815016780000214
Figure BDA0000815016780000215
Figure BDA0000815016780000216
在图10B中所示的第二步中，窗口1002B滑过接收的流，其中一个采样(X13)1008被插入并且一个采样(X1)被丢出，并且相同的计算可以执行以生成D2，其是用于第二窗口布置的总相关1006B，根据下式计算：
Figure BDA0000815016780000217
此处理重复用于每个窗口布置以获得在接收的流上的延迟相关配置方案。图11A示出延迟关联量变曲线的示例1100A，其中，X轴表示采样指数，而Y轴表示相关值，其中，各个水平线表示不同的阈值水平。如图11B中所示，选择阈值1110在相关输出上应用并且前导开始被选为是在长度的窗口上的最大值相关发生处(如，最大值1116)的指数，该长度由最大长度参数1114限定并在第一向上阈交(threshold crossing)1112的指数处开始。即，第一向上阈交1112限定窗口的开始，在该窗口内可以找到局部最大值。
参考图13，其中根据上述教导示出延迟相关过程1300的实施例，其可以在接收器处完成。在框1300处，选择滑动窗口(如，K个符号)，其包括前导序列的已知数量的SYNCP符号、SYNCM符号。在框1306处，滑动窗口放置在接收的PLC信号上，并且一次移动一个采样，以使用选择相关阶数(NC)计算用于每个窗口布置的符号的延迟相关。即，在每个窗口布置内，每个符号与优选地每个采样的其在前的NC个符号相关。随后，延迟相关的绝对值一同相加以获得用于每个窗口布置的总共的相关值(框1308)，其重复用于在接收的流上的窗口布置以获得相关量变曲线。预定的阈值应用到对应于窗口布置的相关输出量变曲线(框1310)。前导开始的粗略/初始估计选为是在最大长度参数限定的长度的窗口上的最大值相关的指数，该参数可操作以在第一向上(即，正斜率)阈交的指数处开始(框1312)。
图14示出作为图8的前导检测器的实施例的一部分的示例互相关方案，其用于确定前导开始的最终估计。对应于图14的互相关方案的实施例的图15A和图15B示出不具有和具有数据峰值折叠的互相关量变曲线的示例统计图。图16示出一种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。
如在图14中的面板-A 1400A处所示，已知前导序列与接收的流1402相关，其中，前导与窗口1404相关，该窗口每次滑过接收的流一个采样，其中，互相关(XC)操作1406在窗口和接收的符号之间进行。在面板-B1400B中示出具有9个峰值的互相关输出，峰值位于8个SYNCP符号和SYNCM符号的开始指数处。阈值1410应用在互相关量变曲线上，并且在窗口上计算或确定最大值相关，该窗口在由最大长度参数1414确定的长度的第一向上阈交1412处开始。应当了解，在之前的操作中先选择的或确定的最大值峰值对应于9个符号中的一个。为了确定与最大值检测峰值相关的符号指数，在面板-C 1400C中，通过添加一个符号长度的子间隔，折叠在最大值峰值周围用于每个指数假设的规定长度的符号间隔1416(如，包括9个符号的间隔)，每个都一同相加(即，折叠)以获得对应于9个指数的总共9个折叠相关窗口。随后，在9个折叠相关窗口的各自的最大值上执行最大值操作以检测最可能的窗口指数。在选择的窗口内，选择并且适当地转换具有最大值相关的指数以获得用于前导开始的最终估计，假定最大值窗口指数。在折叠之前和之后的互相关量变曲线的示例在图15A和图15B中示出，附图标记为1500A和1500B，其中，X轴表示采样指数以及Y轴分别表示互相关和组合的互相关值。在图15B中，用于最大值峰值的可能指数的数量仅为从1个至8个，在此情况下，最大值峰值的指数仅具有根据接收器开始指数引用的7个在前的符号。在此情况下，最大值峰值对应于第9个符号是不可能的。正如在图15B中所示，最大值折叠窗口1502对应于第8个符号，并且因此，前导开始会是在第8个折叠窗口内的最大值峰值的指数。
图16根据上述教导示出互相关过程1600的实施例，其可以在接收器处完成。在框1602处，通过使用滑动窗口使接收的信号流与已知前导序列(如，传统前导)互相关，该滑动窗口每次在接收的信号流上移动固定数量的采样(如，每次一个采样)，其中，可以确定滑动窗口以响应来自延迟相关器的信息，其包括初始估计和检索范围。获得互相关输出量变曲线(框1604)，其包括在已知数量(K个)的SYNCP符号和SYNCM符号(如，共计9个符号，包括8个SYNCP符号和1个SYNCM符号)的开始指数处的峰值。预定阈值应用在相关输出量变曲线上并且最大值相关值(即，峰值)在窗口上确定，该窗口在由最大长度参数确定的长度的第一向上阈交处开始(框1606)。随后执行折叠操作，其中，对于在用于假设为是最大值的每个指数的最大值峰值附近的符号的选择间隔，具体长度的子间隔(如，每个一个符号长度)一同相加(框1608)，借此，获得多个折叠相关窗口(如，K个窗口)(框1610)。执行最大值操作以检测最可能的窗口指数(框1612)。在检测的窗口内，选择并且适当地转换具有最大值相关的指数，以获得接收的信号流的前导开始的最终估计，其指示MIMO帧的开始。
本领域技术人员将根据本参考识别能够在前导检测过程中发生的潜在的检测误差是第二SYNCP的作为前导开始的(替代第一SYNCP)开始的(错误的)决定，尤其当严重的信道情况(如，噪声)碰撞在前导内的一个符号时。例如，考虑在图17A中所示的情况1700A，其中，第二SYNCP符号检测为前导的开始符号，其指示错误前导窗口1704而不是正确的前导窗口1702。为了解决这种边界误差问题，本文的实施例利用对应于完整SYNCM符号的第9个符号具有负相关，如在附图标记1706处所示。另外，第10个符号还具有带有一半电力的负相关，其由半个SYNCM符号与已知前导序列的相关造成，如在附图标记1708处所示。因此，在边界误差情况下，其中，前导边界由一个符号移位，在理想情况下，从前导开始符号减去由8个(第9个符号)和9个(第10个符号)符号间隔隔开的符号将前导开始符号的相关乘以一定量。同样地，在理想情况下，执行类似的以不正确的第二符号开始的减法操作还产生具有乘法因数的相关。例如，在理想情况下，在第一种情况下，前导开始符号的相关可以是2.5X，然而，在后一种情况的相关可以是1.5X。然而，如果符号边界误差在严重信道碰撞第一符号的情况下发生，则在两个相关值之间的比较结果仍会有利于后一个值。将两个相关值分别表示为X和Y，其在对应的减法操作之后获得，能够看到，在正确检测的情况下，无效活动周期应当在第一符号之前，并且因此，比值X/Y应当非常小。因此，如果比值X/Y小于1，但仍具有比某一阈值大的相当大的值，则这种情况可以对应于作为前导开始的第二SYNCP符号的错误检测。为解决这一问题，在图17B中所示的实施例1700B提供能够经由模拟优化的阈值比较器1730，其获得比值确定框1728的输出，该框计算X与Y校正值之间的比值。确定各自的前导符号开始情况的相关(即，X值1724对应于第1个符号开始和Y值1726对应于第2个符号开始)以响应各自的符号减法操作1720、1722。优化后的阈值比较器1730配置为提供确定到边界估计器1732，其中，如果比值大于阈值，则决定会有利于通过减去一个符号长度纠正初始前导开始。否则，前导开始的初始估计保持不变。很明显，相似的边界校正操作还可以针对被错误地检测为前导开始的前导的其他符号执行，这取决于正相关和负相关的峰值发生处和其相对的距离/位置。
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1800的流程图。在框1802处，前导的具体符号(如，第2个SYNCP符号)被检测为在接收的PLC信号中的前导的开始(由于恶劣的信道条件潜在错误地)。基于作为开始符号的正确符号和不正确符号(如，分别为第一SYNCP符号和第二SYNCP符号)执行适当的符号减法操作，并且获得对应于各自的前导开始符号的相关值(框1804)。确定各自的相关值的比值(框1804)，针对该比值，应用阈值以估计在接收的信号中的前导的正确的开始符号(即，边界)(框1806)。
本领域技术人员将了解到，涉及MIMO帧生成和前导结构的各种实施例在前导和载荷数据的传输中应用CS分集以另外提供用于传统SISO NB-PLC装置的后向兼容性。此外，可以有利地在MIMO帧的传输中引入CS，其中，不同的CS数量应用到来自不同阶段所传输的L-前导和/或M-前导，以避免能够由于毁坏性的组合而在接收器处导致无效接收的非期望的波束形成。然而，应当了解到，在传输阶段所选择的CS向量还可以导致一些信道配置的毁坏性组合。因此，本文的进一步的实施例提供一种系统，其中，使用初始默认CS向量传输前导部分(即，L-前导部分和/或M-前导部分)并且监测通信路径以从接收器接收确认信号(如，ACK帧)。如果在未接收ACK的情况下发生超时，则传输器配置为重新传输具有零CS向量或初始CS向量的或CS向量的某种其他变体的交错版本信号，这些CS向量可以有助于缓和信道条件，同时还保持期望的分集。图19A和图19B根据实施例示出可以在示例MIMO PLC网络中的MIMO传输器(如，传输器600A)中应用的CS选择方案。附图标记1900A指具有传输器1902的MIMO信道配置，该传输器1902可操作以完成三个传输阶段1906A至1906C，其在接收器1904的两个端口1908A、1908C处接收。初始CS向量示为[0；-X；-2X]，其中，CS数量[0]、[-X]、[-2X]分别应用到三个阶段1906A至1906C。在接收ACK失败并且已经超时之后，传输器1902分别交错或重新排列应用到三个阶段1906A至1906C的CS向量为[-2X；-X；0]，以提供用于接收器1904的不同信道，如图19B中所示。
图20是对应于图19A和图19B的方案的实施例的一种可操作的CS选择方法的流程图。在MIMO传输器处，选择或配置初始/默认CS向量(如，具有NT的维度、传输端口或阶段的数量)(框2002)。初始/默认CS向量应用到前导部分(如，L-前导部分和/或M-前导部分)，因此，传输包括应用CS的前导部分或至少其一部分的MIMO信号帧到接收装置(一个或更多)，如在框2004处所提出的。确定ACK是否在超时期间内接收(框2006)。如果是，则传输器使用选择的CS向量继续当前传输事务(框2008)。另一方面，如果在超时期间内未接收到ACK，则交错或重新排列CS向量，其应用到重新传输的前导部分。CS交错或重新排列的过程可以迭代发生直到在重复过程中ACK被接收并且CS向量被选择(框2010)。随后，已经适当重新排列过的选择的CS向量应用于或继续传输(或重新传输)(框2012)。
应当意识到，当MIMO装置与传统SISO装置配置在混合模式的PLC网络实施方式中时，在MIMO装置与传统装置之间的碰撞率应当尽可能的最小化，同时还允许使用标准化的技术(如，CSMA)访问物理媒介。因此，具有传统帧结构的MIMO帧结构的实施例的后向兼容性的目标之一是使传统装置能够确定信道是繁忙还是空闲。在MIMO数据包传输期间，如果传统装置能检测到L-前导并且解码FCH，则它将能够正确地确定MIMO数据包的长度并且将在MIMO数据包传输的时间退避。另一方面，如果传统装置能检测到L-前导，但不能正确解码FCH，则会发生CRC错误。因此，为了减少在MIMO装置与传统PLC装置之间的可能碰撞率，有意的误差能够插入到在来自MIMO PLC装置的传输的帧内的FCH的传统部分，其确保在传统PLC装置处的CRC错误，从而导致最大值退避长度，而不是具有随机的退避时期。在一个实施例中，退避时间/长度可以针对特定的实施方式预配置、预确定或提供。
图21是根据实施例的一种碰撞率降低方法2100的流程图，其可以应用为PLC装置(如，在图6A中所示的传输器600A)的一部分。在框2102处，传输器可操作以获得或生成传统FCH数据并且计算CRC序列。如上所述，传统FCH数据填入MIMO数据信号帧的FCH部分，其包括兼容MIMO的FCH数据、M-前导部分和载荷数据部分。在传统FCH数据的至少一部分中引入扰动，以插入传统FCH数据的一个或更多有意的误差片(框2104)。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的FCH数据和未扰动的FCH数据之间的海明距离。在其他实施方式中，可以通过反转所有或一部分比特、添加额外比特、删除一个或更多比特等扰动传统FCH数据。在框2106处，编码并且传输包括扰动的传统FCH数据和未扰动的传统FCH数据的CRC序列的MIMO数据信号帧，其中，CRC序列配置为在传统PLC接收器装置处失效以当传统PLC接收器经由PLC网络接收到MIMO数据信号帧时，确保传统PLC接收器装置预定的退避时间。很明显，之前的方法要求只在来自MIMO PLC装置的传输帧中插入误差，并且不要求在传统PLC装置的传输器部分或接收器部分中的实质改变。
图22是示例PLC装置2200的框图，其中，可以实施本专利申请的一个或更多实施例。PLC装置2200包括调制解调器2214，其可以包括上述传输/接收实施例中的至少一些的部分，如，图4A至图4B和/或图6A至图6B。虽未特别示出，应当了解，调制解调器2214可以包括一个或更多处理器，其包括多个数字信号处理器(DSP)、相关存储器和其他电路系统以实现本公开中所提出的一个或更多方面。另外，可以提供具有相关存储器2208和定时器2212的一个或更多处理器2210以与调制解调器2214在数据通信环境中一致操作，然而，PLC装置2200可以配置为作为数据通信装置(如，台式计算机、笔记本电脑、移动电话、智能电话)或作为服务节点、数据集中器节点等操作。适当的AFE 2204允许装置2200到电力线设施2202的耦合，其可以是在图1中所示的示例设施102的一部分。
本领域技术人员将明白本文所描述的电力线通信系统的组件可以作为单个的电路或单独的组件或作为单个装置实施，其执行一个以上所示的操作。例如，在一个实施例中，本文所描述的传输器和接收器可以作为微处理器、中央处理单元(CPU)、集成电路(I/C)或专用集成电路(ASIC)结合其他电路系统实施。软件、固件或其他嵌入式指令可以控制传输器和接收器的操作并且使组件执行本文所描述的功能。这种装置可以进一步执行传输器/接收器处理和MIMO帧信号生成、预编码、接收器处理和信号生成、电力线耦合、信号组合、分集分配、信道或传输矩阵构造、S/P和P/S转换、IFFT和FFT处理、CP添加和移除、OFDM编码(解码)、CS选择和/或配置(重新配置)以及前导检测等。
在本公开的各种实施例的上述说明书中，要理解本文所使用的术语只用于描述具体实施例的目的并且不旨在限制本发明。除非另有限定，本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有相同含义，正如本发明所属领域技术人员通常了解的。将进一步理解，术语(如，在常用字典中所限定的)应当解释为具有与在本说明书的内容和相关领域中的含义一致的含义，并且不可以解释为本文明确定义的理想化的或过于正式的意义。
另外，在上述说明书中，所使用的至少一些术语在NB-PLC标准(IEEE 1901.2、G2等)中具体限定，和/或由在PLC技术领域的技术人员清楚理解。简短起见，不提供这些术语的定义。另外，此术语用于便于解释，并且不应当理解为将本发明的实施例限制到IEEE1901.2标准。本领域技术人员将理解所公开的一个或更多实施例可以结合其他标准实施，在不偏离所描述的功能的情况下细节需做必要修改。
根据计算机应用方法、装置(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图说明描述至少一些示例实施例。要知道，框图和/或流程图说明的框及在框图和/或流程图说明中的组合能够由计算机程序指令应用，该指令由一个或更多计算机电路执行。可以提供这种计算机程序指令到通用计算机电路、专用计算机电路的处理器电路和/或其他可编程数据处理电路以生产机器，以便经由计算机和/或其他可编程数据处理装置执行的指令传输并且控制晶体管、存储在存储器位置中的值和在这种电路系统内的其他硬件组件以应用在框图和/或流程图框(一个或更多)中规定的功能/活动，并且从而创建工具(功能性)和/或结构以应用在框图和/或流程图框(一个或更多)中规定的功能/活动。此外，计算机程序指令还可以存储在永久的有形的计算机可读媒介中，其能够使计算机或其他可编程数据处理装置以具体方式运行，以致存储在计算机可读媒介中的指令产生包括指令的制品，其应用在框图和/或流程图框(一个或更多)中规定的功能/活动。
更进一步地，在至少一些附加的或可选择的实施方式中，在框中所描述的功能/活动可以在流程图中所示的顺序之外发生。例如，连续示出的两个框可以基本上同时执行或者框有时可以以相反顺序执行，这取决于所涉及的功能/活动。此外，流程图和/或框图的已知框的功能性可以分成多个框，和/或流程图和/或框图的两个或更多框的功能性可以至少部分集成的。另外，虽然一些图解在通信路径上包括箭头以示出通信的主要方向，但是要知道，通信可以以相对于所示箭头相反的方向发生。最终，其他框可以添加到/插入到所示的框之间。
因此，应当知道，在本公开的附图中所示的任意流程图中所示的活动、步骤、功能、组件或框的顺序或次序可以在具体流程图或框图内进行修改、改变、替换、定制或重新排列，其包括具体活动、步骤、功能、组件或框的删除或省略。另外，在具体流程图中所示的活动、步骤、功能、组件或框可以用在另一个流程图和/或框图中所示的活动、步骤、功能、组件或框进行内部混合或内部排列或重新排列，以根据用于实施本专利公开的教导的一个或更多过程完成附加的改变、修改以及配置。
虽然已经详细示出并且描述各种实施例，但是权利要求不限制到任意具体的实施例或示例。上述具体实施方式都不应当解读为暗示任意具体的组件、元件、步骤、活动或功能是基本的，以致其必须包含在权利要求的范围中。参考单数形式的元件不旨在意味着“一个并且只有一个”，除非明确说明，而是理解为“一个或更多”。本领域技术人员已知的上述实施例的元素的所有结构上和功能上的等价物通过参考明确并入本文，并且旨在包含于本权利要求。因此，本领域技术人员将认识到本文所描述的典型实施例能够具有在下列所附的权利要求的精神和范围内的各种修改和变更而实施。

Claims (22)

1.一种在电力线通信网络即PLC网络中可操作的多输入多输出帧即MIMO帧生成方法，所述PLC网络包括一个或更多MIMO PLC装置和根据传统PLC数据传输标准、使用正交频分复用调制方案即OFDM调制方案操作的一个或更多传统PLC装置，所述PLC网络可操作以支持具有NT个传输阶段或端口和NR个接收端口的MIMO信道，所述MIMO帧生成方法包括：
在MIMO PLC装置的第一传输端口处生成与所述传统PLC数据传输标准兼容的传统前导部分即L-前导部分；
在所述L-前导部分之后提供第一帧控制头部分即FCH部分，其中，所述FCH部分包括传统FCH数据和兼容MIMO的FCH数据；
在所述FCH部分之后提供第一兼容MIMO的前导部分即第一M-前导部分，所述第一M-前导部分包括多个分量，其中，每个分量包括SYNCM符号和相关保护间隔，二者合称为S1，以及SYNCP符号和相关保护间隔，二者合称为S2；
在所述第一M-前导部分之后提供第一载荷数据部分；以及
在所述MIMO PLC装置的余下的传输端口处，生成由选择数量即CS-L循环移位的L-前导部分和FCH部分，接着是由选择数量即CS-M循环移位的相应的M-前导部分和各自的载荷数据部分，其中，在所述MIMO PLC装置的所述传输端口处的操作在生成MIMO帧方面在时域上同步。
2.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，所述传统PLC数据传输标准包括IEEE1901.2标准，并且进一步地，其中，所述L-前导部分包括8个SYNCP符号以及之后的1个完整的SYNCM符号和半个SYNCM符号。
3.根据权利要求2所述的MIMO帧生成方法，其中，所述SYNCP符号和所述SYNCM符号中的每个都是256采样长度。
4.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，用于各自NT个传输阶段的所述M-前导部分的所述多个分量配置为具有酉式空时传输矩阵结构，以在所述OFDM方案中在信道估计期间最小化信道噪声。
5.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，不同CS-L数量应用于在所述MIMO PLC装置的所述余下的传输端口处生成的所述L-前导部分。
6.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，配置用于移位所述L-前导部分的所述CS-L数量，以致所述传统PLC装置在PLC事务中接收到MIMO帧时，能够检测在所述MIMO帧中的所述L-前导部分。
7.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，配置用于移位所述M-前导部分和载荷数据部分的所述CS-M数量，以最小化在所述M-前导部分和所述载荷数据部分之间的功率波动。
8.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，其中，所述CS-L数量和CS-M数量不同。
9.根据权利要求1所述的MIMO帧生成方法，在所述MIMO PLC装置的所述余下的传输端口处生成的所述M-前导部分的一个或更多分量的所述S1符号和S2符号乘以-1。
10.一种具有存储在其上的程序指令的永久电子存储媒介，所述程序指令由多输入多输出电力线通信即MIMO PLC装置的一个或更多处理器执行，所述MIMO PLC装置配置为在PLC网络中通信数据，所述PLC网络包括一个或更多MIMO PLC装置和根据传统PLC数据传输标准、使用正交频分复用调制方案即OFDM调制方案操作的一个或更多传统PLC装置，在由所述一个或更多处理器执行时，所述程序指令使所述PLC装置执行以下操作：
生成具有对应于所述PLC装置的NT个传输端口的NT个传输阶段的MIMO帧，所述MIMO帧用具有NR个接收路径的NT×NR个MIMO信道操作，
其中，第一传输阶段包括与所述传统PLC数据传输标准兼容的传统前导部分即L-前导部分，接着是包括传统帧控制头数据和兼容MIMO的帧控制头数据的第一帧控制头部分即第一FCH部分，接着是第一兼容MIMO的前导部分即第一M-前导部分，所述第一M-前导部分包括对应于NT个接收路径的多个分量，其中，每个分量包括SYNCM符号和相关保护间隔，二者合称为S1，以及SYNCP符号和相关保护间隔，二者合称为S2，在所述第一M-前导部分之后是第一载荷数据部分，
其中，余下的传输阶段包括由选择数量CS-L循环移位的各自的L-前导部分和FCH部分，接着是由选择数量CS-M循环移位的相应的M-前导部分和各自的载荷数据部分，并且
进一步地，其中，所述MIMO帧的所述传输阶段的操作在时域上同步；并且
在检测到所述PLC网络中不存在数据碰撞后，在所述MIMO信道上传输所述MIMO帧。
11.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，所述传统PLC数据传输标准包括IEEE 1901.2标准，并且进一步地，其中，所述L-前导部分包括8个SYNCP符号以及之后的1个完整的SYNCM符号和半个SYNCM符号。
12.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，所述MIMO帧的各自NT个传输阶段的所述M-前导部分的所述多个分量配置为具有酉式空时传输矩阵结构，以在所述OFDM方案中的信道估计期间最小化信道噪声。
13.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，不同的CS-L数量应用于用于所述MIMO帧的NT-1个传输阶段所生成的所述L-前导部分。
14.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，配置用于移位所述L-前导部分的所述CS-L数量，以致所述传统PLC装置在PLC事务中接收到MIMO帧时，能够检测在所述MIMO帧中的所述L-前导部分。
15.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，配置用于移位所述M-前导部分和载荷数据部分的所述CS-M数量，以最小化在所述M-前导部分和所述载荷数据部分之间的功率波动。
16.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，所述CS-L数量和CS-M数量不同。
17.根据权利要求10所述的永久电子存储媒介，其中，用于所述MIMO帧的NT-1个传输阶段所生成的所述M-前导部分的一个或更多分量的所述S1符号和S2符号乘以-1。
18.一种配置为在PLC网络中通信数据的多输入多输出电力线通信装置即MIMO PLC装置，所述PLC网络包括一个或更多MIMO PLC装置和根据传统PLC数据传输标准、使用正交频分复用调制方案即OFDM调制方案操作的一个或更多传统PLC装置，所述MIMO PLC装置包括：
一个或更多处理器；
存储器，所述存储器包括机器可读存储装置，并且具有存储在其上的指令以由所述一个或更多处理器执行以完成：
载荷数据编码器，所述载荷数据编码器配置为编码载荷数据以使用所述OFDM方案在所述PLC网络中的NT×NR MIMO信道上传输；
传统帧控制头编码器即传统FCH编码器和MIMO FCH编码器，其分别用于编码用传统PLC接收器操作的传统FCH数据和用MIMO PLC接收器操作的MIMO FCH数据；
MIMO流多路复用器，其用于将所编码后的传统FCH数据、编码后的MIMO FCH数据和编码后的载荷数据合并为对应于MIMO帧的NT个传输阶段的多个数据信号流；
多信道OFDM调制器，其耦合到所述MIMO流多路复用器，用于调制用于所述NT个传输阶段的信号流；
前导块，其用于插入用于所述MIMO帧的各自的传输阶段的传统前导部分即L-前导部分和MIMO前导部分即M-前导部分；和
循环移位选择器即CS选择器，所述CS选择器可操作以将CS向量应用到所述MIMO帧的不同部分，其中，用于NT-1个传输阶段的所述L-前导部分和FCH部分由选择数量CS-L循环移位，并且用于所述NT-1个传输阶段的所述M-前导部分和载荷部分由选择数量CS-M循环移位；和
逻辑前端即AFE，当所述PLC装置检测到在所述电力线上没有数据碰撞时，所述AFE用来将所述MIMO帧连接到所述PLC网络的一个或更多电力线上。
19.根据权利要求18所述的MIMO PLC装置，其中，配置用于移位所述M-前导部分和载荷数据部分的所述CS-M数量，以最小化在所述M-前导部分和所述载荷数据部分之间的功率波动。
20.根据权利要求18所述的MIMO PLC装置，其中，配置用于移位所述L-前导部分的所述CS-L数量，以致所述传统PLC装置在PLC事务中接收到MIMO帧时，能够检测在所述MIMO帧中的所述L-前导部分。
21.根据权利要求18所述的MIMO PLC装置，其中，所述CS-L数量和CS-M数量不同。
22.根据权利要求18所述的MIMO PLC装置，其中，所述CS选择器可操作以基于ACK帧是否从设置到所述PLC网络上的PLC接收器装置被接收回，改变CS-L数量和CS-M数量中的至少一个。
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