《电力宽带微功率无线通信芯片技术规范》

ICS17.220

CCSN22T/CEC

中国电力企业联合会标准

T/CECXXXX-20XX

电力宽带微功率无线通信芯片技术规范

Technicalspecificationforthechipofpowerbroadbandmicro-powerwireless

communication

（征求意见稿）

（在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上）

20XX—XX—XX发布20XX—XX—XX实施

中国电力企业联合会发布

T/CECXXXX-20XX

电力宽带微功率无线通信芯片技术规范

1范围

本文件规定了电力系统宽带微功率无线通信的芯片系统要求、物理层技术要求以及射频技术要求。

本文件适用于电力系统宽带微功率无线通信芯片、模块研制、测试和验证。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T17626.2—2018电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验

DL/T698.44—2016电能信息采集与管理系统第4-4部分：通信协议——微功率无线通信协议

信部无【2005】423号微功率（短距离）无线电设备的技术要求

3术语、定义和缩略语

GB/T17626.2—2018和DL/T698.44—2016界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1术语和定义

3.1.1

静电放电electrostaticdischarge

具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。

[来源：GB/T17626.2—2018，3.10]

3.1.2

协议数据单元protocoldataunit

两层实体之间交换的数据单元。

[来源：DL/T698.44—2016，3.1.5]

3.1.3

宽带微功率无线通信broadbandmicro-powerwirelesscommunication

以辐射到空间的宽带微功率电磁波为通信媒介，传输数据信息的一种通信方式。

3.1.4

芯片ID号chipidentificationnumber

宽带微功率无线通信芯片内部存储的不可更改的唯一标识号。

3.1.5

1

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轻量级私有密码算法lightweightprivatecryptographicalgorithm

运算速度快、代码量小、适用于宽带微功率无线通信单元运行环境的非公开密码算法。

3.1.6

主站mainstation

用户用电信息采集系统通信网络中的顶层设备。

3.1.7

程序特征码programcharacteristiccode

通过轻量级私有密码算法计算出的宽带微功率无线通信单元内部程序的特征码。

3.1.8

消息鉴别码messageauthenticationcode

附加在原始数据之后，用于接收方校验原始数据完整性的数据段落。

3.1.9

载荷数据payloaddata

正在传输的数据内容。

[来源：DL/T698.44—2016，3.1.2]

3.1.10

Chirp扩频chirpspreadspectrum

通过线性调频的Chirp脉冲调制发送信息来达到扩频效果的一种通信技术。

3.1.11

有效辐射功率effectiveradiatedpower（e.r.p）

无线电发射机供给天线的功率和在给定方向上该天线相对于半波偶极振子的增益的乘积。

3.1.12

信号带宽signalbandwidth

所传输信息必须的最小带宽和扩频因子的乘积所得到的带宽。

3.1.13

信道带宽channelbandwidth

在它的频率下限之下或频率上限之上的带外所发射的平均功率各等于某一给定发射的总平均功率

的0.5%的一种宽带。

3.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

CPU：中央处理器（CentralProcessingUnit）

SCU：系统控制单元（SystemControlUnit）

PHY：物理层（PhysicalLayer）

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DAC：数字模拟转换器（DigitalAnalogConverter）

ADC：模拟数字转换器（AnalogDigitalConverter）

RF：射频（RadioFrequency）

USB：通用串行总线（UniversalSerialBus）

ESD：静电放电（ElectroStaticDischarge）

ESD-HBM：静电放电-人体带电模型（ElectroStaticDischarge-HumanBodyModel）

ESD-CDM：静电放电-充电器件模型（ElectroStaticDischarge-ChargedDeviceModel）

LU：闩锁（Latch-Up）

MSV：最大允许工作电压（MaximumStressVoltage）

HTOL：高温工作寿命（HighTemperatureOperatingLife）

LTOL：低温工作寿命（LowTemperatureOperatingLife）

PHR：物理帧头（PhysicalHeader）

CRC：循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck）

PPDU：物理层协议数据单元（PhysicalLayerProtocolDataUnit）

AGC：自动增益控制（AutomaticGainControl）

MAC：媒质接入控制（MediumAccessControl）

BPSK：二进制相移键控（BinaryPhaseShiftKeying）

MPSK：多进制数字相位调制（MultiplePhaseShiftKeying）

QPSK：正交相移键控（QuadraturePhaseShiftKeying）

BOK：二进制正交键控(BinaryOrthogonalKeying)

PB：物理块（PHYBlock）

RSC：递归系统卷积码（RecursiveSystematicConvolutionalcode）

SNR：信噪比（Signal-to-NoiseRatio）

RX：接收或接收机（ReceiveorReceiver）

TX：发射或发射机（TransmitorTransmitter）

TDD：时分双工模式（TimeDivisionDuplex）

SPI：串行外设接口（SerialPeripheralInterface）

DUT：被测器件（DeviceUnderTest）

RMS：均方根（RootMeanSquare）

RBW：分辨率带宽（ResolutionBandwidth）

4芯片系统要求

4.1组成

电力宽带微功率无线通信芯片支持工作频带470MHz~510MHz。在发射端，从数据链路层接收数据，

经过编码、调制等基带信号处理后，经过数模转换、上变频、功率放大后形成射频信号；在接收端，输

入射频信号经过放大、下变频、滤波和模数转换后进行基带信号的解调解码处理，最终将载波信号还原

为解码后数据信息，并送到数据链路层进行后续协议解析。

电力宽带微功率无线通信芯片应至少集成基带、射频、CPU、SCU、外设接口、安全等电路单元（其

它模块及接口不做具体限定），具体结构如图1所示。

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图1宽带微功率无线通信芯片系统组成示意图

4.2外观要求

4.2.1标识

电力宽带微功率无线通信芯片标识要符合下列规则：

a)顶视芯片标识面，文字方向应由左至右排列，方向不得相反；

b)标识内容完整，无残缺；

c)标识印刷清晰，裸眼可识别文字。

4.2.2表面

电力宽带微功率无线通信芯片表面要符合如下要求：

a)产品磨痕或划痕要求：长＜1.0mm，宽＜0.2mm；

b)塑封体表面有任何裂纹均为不良；

c)油污或脏污要求：长＜1.0mm，宽＜0.2mm。

4.2.3管脚

电力宽带微功率无线通信芯片管脚要符合如下要求：

a)管脚不能有焊接或其他二次使用痕迹；

b)管脚应无氧化现象；

c)管脚之间不能夹带有任何杂质。

4.3功能要求

电力宽带微功率无线通信芯片功能要求如下：

a)基带：主要完成物理层（PHY）数字信号的接收和发送功能，通过总线接口单元实现与协议栈

的通信，通过射频基带接口实现与射频单元DAC/ADC的数据交互；

b)射频（RF）：射频部分完成射频收发、频率合成及功率放大功能；

c)中央处理器（CPU）：主要完成数据处理和指令控制功能；

d)系统控制单元（SCU）：主要是负责芯片的上电时序控制、外部唤醒中断的监控、时钟复位信

号的产生与控制、以及引脚复用的切换控制等功能；

e)外设接口：外设接口包括各种通用输入输出接口、串行接口、USB接口、以太网接口等，用于

数据传输、调试指令传输及连接各种外部设备，如传感器、显示器、存储设备等；

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f)安全：芯片应具备保障系统的安全性和稳定性能力，实现安全要求相关功能（见4.5）。

4.4性能要求

电力宽带微功率无线通信芯片性能要求如下：

a)工作频率范围：470MHz~510MHz；

b)工作电压：1.8V~3.6V；

c)功放效率：＞20%@17dBm；

d)休眠功耗：＜0.5mW；

e)时钟频率：25MHz@10ppm；

f)抗静电等级：

1)HBM-ESDLevel：±2kV；

2)CDM-ESDLevel：±500V。

g)闩锁可靠性：

1)正负电流：100mA；

2)电压：1.5Vmax或MSV（选取较小的值）。

注：Vmax表示逻辑高电平的最大值。

h)工作寿命：

1)HTOL3lots/77units：1000hour/0fail；

2)LTOL1lot/32units：1000hour/0fail。

i)工作温度：-40℃~+85℃；

j)贮存温度：-40℃~+125℃。

4.5安全要求

4.5.1安全定义与流程

电力宽带微功率无线通信芯片应具备唯一的、不可更改的芯片ID号。电力宽带微功率无线通信芯

片应能基于芯片ID号和轻量级私有密码算法完成与主站的安全交互流程，实现通信芯片与主站的双向

鉴权、通信芯片程序版本管理、端到端信道安全防护等信息安全防护功能。

4.5.2首次鉴权及密钥分发

电力宽带微功率无线通信芯片上线后，应能基于芯片ID号和轻量级私有密码算法完成与主站的双

向鉴权，并从主站获取芯片主密钥，用于后续的安全交互流程。对于未能通过首次鉴权流程的通信芯片，

主站可根据管理策略决定是否允许该通信芯片继续通信。

4.5.3首次鉴权及密钥分发

获取芯片主密钥后，电力宽带微功率无线通信芯片应能基于芯片ID号、芯片主密钥和轻量级私有

密码算法完成与主站的双向鉴权，并向主站上报软、硬件版本及程序特征码，以供主站实现通信芯片的

程序版本控制。

主站可根据同一台区内同一厂商的所有通信芯片的程序版本和程序特征码的情况进行判断，判断结

果分为版本号及程序正常、程序版本错误和程序异常三种：

a)版本号及程序正常。程序版本号和程序特征码均一致，则认为该台区该厂商的通信芯片版本号

及程序正常。

b)程序版本错误。某个通信芯片的程序版本号与其他芯片不同，则认为该通信芯片程序版本错误。

主站可根据管理策略决定是否发起版本回滚。

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c)程序异常。某个通信芯片的程序版本号与其他芯片相同，但程序特征码不同，则认为该通信芯

片出现程序异常。主站可根据管理策略决定是否允许该通信芯片继续通信。

4.5.4信道安全防护功能

电力宽带微功率无线通信芯片与主站之间应具备端到端的通信数据加密机制，能够保护通信芯片与

主站之间交互数据的安全性。对于数据机密性和完整性的保护应使用不同的密钥数据。

信道安全防护机制包含三种防护模式，分别是数据机密性保护模式、数据完整性保护模式和数据全

面保护模式：

a)数据机密性保护模式通过数据加解密操作保护传输数据的机密性，数据的接收方需要使用正确

的密钥解密获得数据内容。

b)数据完整性保护模式通过附加消息鉴别码保护传输数据的完整性，数据的接收方可以通过校验

消息鉴别码的正确性判断传输内容是否被篡改。

c)数据全面保护模式结合上述两种防护机制，同时实现数据机密性和完整性的保护。

4.5.5密钥更新

电力宽带微功率无线通信芯片与主站之间应具备密钥更新机制。

4.5.6安全异常上报

如果在执行上述安全交互流程的过程中发生异常情况，通信芯片应发起安全异常上报流程，向主站

汇报异常事件信息，以供主站采取应对措施。

4.5.7安全交互命令的重发机制

上述安全交互流程涉及到的各项命令应具备超时重发机制，命令的发送方若在设定的时间范围内未

收到预期的响应命令，则按照重发机制再次发送命令。如重发后仍未收到响应，则不再进行重发并当作

安全异常情况进行相应处理。

4.5.8通信安全

电力宽带微功率无线通信芯片之间要支持双向认证和密钥协商，支持通信报文加密传输。使用的安

全算法见表1。

表1安全机密算法类型

安全算法类型国密算法国际算法应用场景

非对称加密SM2ECC-brainpoolP256r1签名、验签

对称加密SM4-CBCAES128-CBC/AES128-GCM信道数据加密

杂凑SM3SHA256签名、验签

国密算法与国际算法应独立使用，两套算法不允许混用。本芯片技术规范要求支持加密算法，建议

硬件加密。

5物理层技术要求

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5.1物理层一般要求

5.1.1物理层主要内容

物理层主要包括以下内容：

a)开启和关闭射频收发信机；

b)对当前工作的信道进行能量检测；

c)为接收包提供链路能量指示；

d)信道频率选择；

e)数据发送和接收。

5.1.2物理层整体架构

宽带微功率系统物理层整体架构如图2所示。

图2宽带微功率系统物理层整体架构框图

在发射端，物理层接收来自数据链路层的输入，采用两个分开的链路分别处理PHR数据和载荷数据。

PHR数据通过CRC比特添加、Turbo编码后，进行信道交织及星座映射；载荷数据经过CRC比特添加、

Turbo编码、信道交织、加扰以及星座映射后，和PHR数据一起进行Chirp扩频，扩频后的数据加入前导

和同步码形成PPDU信号送入模拟前端发送出去。

在接收端，从模拟前端接收到数据采用AGC和时间同步分别对同步码，PHR数据和载荷数据进行

调整，并对其进行解调、译码，最终恢复出PHR和载荷的原始数据。

5.1.3物理层数据结构

图3帧结构图

物理层发送的PPDU信号帧结构如图3所示，由前导码、同步码、PHR和载荷数据组成。其中，

PHR传输MAC消息以及物理层需要的控制消息，包括扩频因子，码率，调制模式，载荷物理块长度，

载荷物理块个数及CRC；载荷数据主要由物理块数据构成。一个PPDU中可以携带0到4个物理块，

但多个物理块需要使用相同的参数（即相同的物理块长度）。

每个部分分别说明如下：

a)前导码

包含24~28个符号，由一半的up-Chirp信号和一半的down-Chirp信号组成，保护间隔为1~4

个up-Chirp信号。

b)同步码

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长度为24、40或72，其中Gap长度为8。

c)PHR

PHR主要由扩频因子，码率，调制模式，载荷物理块长度，载荷物理块个数，CRC等部分组

成，总共16BYTE。

如下字段，从右往左第一位称为二进制的低位，从右往左第二位称为次低位，以此类推。最左

边的第一位称为二进制的高位。

1)扩频因子(3bit)

数据的扩频因子，设置见表2。

表2数据扩频因子

扩频因子字段扩频因子

0003

0014

0105

0116

100/

101/

110/

111/

2)码率(2bit)

数据的编码速率，设置见表3。

表3数据编码速率

编码速率字段编码速率

001/2

0116/18

104/5(可选)

11/

3)调制模式(3bit)

数据的调制模式，设置见表4。

表4数据调制模式

调制模式字段调制

000BPSK

001QPSK

0108PSK

011/

100BOK+BPSK

表4（第2页/共2页）

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调制模式字段调制

101BOK+QPSK

110BOK+8PSK

111/

4)载荷物理块长度(3bit)

支持六种长度，分别为：PB16、PB40、PB72、PB136、PB264、PB520。设置见表5。

表5数据载荷长度

载荷物理块长度字段载荷物理块长度

000PB16

001PB72

010PB136

011PB264

100PB520

101PB40(可选)

110/

111/

5)载荷物理块数(3bit)

可以选择0~4。

6)CRC(24bit)

参照CRC添加方法（见5.1.4）。

d)载荷数据

载荷数据包含0~4个物理块数据，物理块支持采用PB16，PB40,PB72，PB136，PB264，PB520

BYTE（编码前）。

5.1.4CRC添加

PHR和载荷数据需要在尾部加入24比特CRC校验，之后再进行Turbo编码。

CRC-24应使用以下标准的24阶生成多项式计算：

Gx=x24+x23+x6+x5+x+1……………(1)

在发射机处，除法的初始余数被预设为全零，然后通过生成多项式G(x)除以计算字段来修改。最

()

后的余数首先以最高阶位发送，作为CRC-24字段。

在接收器处，初始余数被预置为全零，并且计算字段和CRC-24的串行输入比特在没有传输错误的

情况下除以G(x)时，最后得出余数为0。

5.1.5Turbo编码

5.1.5.1编码

Turbo编码数据格式支持PB16，PB40，PB72，PB136，PB264，PB520六种模式，分别支持1/2，

4/5及16/18三种码率。

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Turbo编码由2个相同的分量编码器（ENC1，ENC2）组成，每输入一对信息比特(u1,u2)，输出系

统比特(u1,u2)和校验比特(p,q)。Turbo编码器架构如图4所示。通过查询表6实现分量编码的具体过程

如下：根据当前状态和输入比特查表获得下一状态及输出校验比特。

图4Turbo编码器架构

分量编码器ENC1、ENC2使用8状态编码器，输入数据流的第一个比特位映射到u1，第二个比特

位映射到u2，以此类推，在一个ENC中，每一对比特位对应输出一个校验位。校验(p,q)的计算根据图

5确定。

图5ENC1/ENC2编码架构

每个成员码编码器的具体算法如下：

设置寄存器初始状态为；

a)S0S01,S02,S030,0,0

b)输入信息比特至分量编码器（ENC2输入的是交织后的信息比特），直至最后一位，用于得到

编码结束的末状态；

SNSN1,SN2,SN3

c)定义矩阵M，

1)当PB_Size为520、72、16时，

001

M101

111

2)当PB_Size为264、40时，

101

M111

110

10

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3)当PB_Size为136时，

011

M100

010

令S0'SNM（SN是行向量，根据表7，由b）所得的末状态SN和载荷长度N可查表确

定咬尾码初始状态S0'）。

d)将输入信息比特重新写入分量编码器，它的初始状态由c）算出，再经过一次编码后，它的末

状态N'S0'，从而可以得出输出的Turbo编码校验位。

表6分量编码器状态转移图

行索引当前状态输入比特下一状态输出校验比特

00[0,0,0]0

[0,0,0]

11[1,0,0]1

20[1,0,0]0

[0,0,1]

31[0,0,0]1

40[1,0,1]1

[0,1,0]

51[0,0,1]0

60[0,0,1]1

[0,1,1]

71[1,0,1]0

80[0,1,0]1

[1,0,0]

91[1,1,0]0

100[1,1,0]1

[1,0,1]

111[0,1,0]0

120[1,1,1]0

[1,1,0]

131[0,1,1]1

140[0,1,1]0

[1,1,1]

151[1,1,1]1

表7Turbo编码咬尾状态图

载荷长度

末状态

1672136264520

000000

1886108

2101081410

3221442

4442124

512124612

注：表中的数据表示状态的行索引，对应于表6的行索引号。

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表7（第2页/共2页）

载荷长度

末状态

1672136264520

6141410214

7661286

注：表中的数据表示状态的行索引，对应于表6的行索引号。

5.1.5.2码内交织

Turbo交织器用于将原始数据交织后作为第二个成员码的输入，Turbo交织按照单比特为单位进行，

交织器长度等于原始数据块长度的比特数量，Turbo交织的参数如表8定义，不同的PB长度，采用不

同的参数，有PB16，PB40，PB72，PB136，PB264，PB520六种。

表8交织参数表

比特交织长度除以S

物理块（字节数）S查找表长度（N）比特交织长度（L）

查找表长度（M）

168864

40820160

721816288

1363416544

26433321056

52040522080

规定Turbo交织的地址映射I(x)定义如下：

I(x)SxmodNxdivNNLmodL,x0,1,,L1………………(2)

式中：

S(·)——一个查找表，见表9至表14；

N——S查找表长度；

L——比特交织长度；

div——整除；

mod——模运算。

表9PB16S查找表

x01234567

S(x)532093262395118

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表10PB40S查找表

x0123

S(x)1566513847

x4567

S(x)861399112

表11PB72S查找表

x01234567

S(x)120025516622113218798

x89101112131415

S(x)15364119308528451250

x1617//////

S(x)17216//////

表12PB136S查找表

x01234567

S(x)38368262180484363302152

x89101112131415

S(x)405529971133350940198

x1617181920212223

S(x)23645442812427349373389

x2425262728293031

S(x)1622932211467252411183

x3233//////

S(x)31086//////

表13PB264S查找表

x01234567

S(x)3091757376671024224622962

x89101112131415

S(x)527845926105236654249784

x1617181920212223

S(x)108551410479823866442654

x2425262728293031

S(x)32133856107307651038352

13

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表13（第2页/共2页）

x32///////

S(x)954///////

表14PB520S查找表

x01234567

S(x)118332425143416533115741039

x89101112131415

S(x)10841332151353621319087611231

x1617181920212223

S(x)16594761842809200789517171950

x2425262728293031

S(x)10193761816067041786570843

x3233343536373839

S(x)349203811021260235406481347

5.1.5.3速率匹配

宽带微功率系统支持三种码率，分别为：1/2、4/5和16/18。速率匹配（打孔）模块就是根据所需

码率，对Turbo编码比特进行打孔输出。信息位不做打孔处理，打孔模块只是对ENC1和ENC2输出的

p和q奇偶位做打孔处理，并按原始顺序写入到奇偶输出缓存。对于不同的码率，打孔模式如表15至

表17所示。

表15码率为1/2时的打孔模式

校验比特分支打孔模式

p（校验比特分支1）1111111111111111

q（校验比特分支2）1111111111111111

表16码率为4/5时的打孔模式

校验比特分支打孔模式

p（校验比特分支1）1000100010001000

q（校验比特分支2）1000100010001000

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表17码率为16/18时的打孔模式

校验比特分支打孔模式

p（校验比特分支1）1000000010000000

q（校验比特分支2）1000000010000000

打孔的具体算法流程：

a)根据码率，设置打孔模式。

b)根据打孔模式，对Turbo编码比特中的校验比特进行打孔处理，最后将打孔剩下的Turbo编码

比特排列输出，先依次输出信息位，再输出校验位。

5.1.5.4信道交织

Turbo编码后数据保持编码前顺序，信息位在前，校验位在后（校验位p在前，q在后）。

下面描述信道交织的4个步骤。

a)信息码的交织

将Turbo编码输出的信息码写入矩阵存储空间中，编码器顺序输出信息比特的第一块（K/4比

特）到区块1中，第二块（K/4比特）到区块2中，第三块（K/4比特）到区块3中，第四块（K/4

比特）到区块4中，等价于把信息比特存入一个K/4行4列的矩阵，第1列代表区块1，第2列代

表区块2，第3列代表区块3，第4列代表区块4。

进行交织时，每行的4个比特同时读出。从矩阵读出数据时，首先从第0行开始，之后每次读

取首行地址增加一个读取步长StepSize，这样第一轮行地址读出顺序为(0，StepSize，2*StepSize，…)，

当读取[K/4]/StepSize行后，就读到矩阵尾部，然后下一轮读取行首地址加1，之后每次读取行地

址增加步长StepSize，读取[K/4]/StepSize行后再次到达尾部，第二轮读取行地址顺序为(1，

1+StepSize，1+2*StepSize，…)，然后第三轮行地址再加1为2，依次类推，经过StepSize轮之

后，全部行读取完毕。信息位交织示意图如图6所示。

注：K代表信息比特的数量，K个信息比特会分成4个子块，每个子块的大小为K/4比特。

图6信息位交织示意图

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T/CECXXXX-20XX

b)校验码交织

从Turbo编码输出校验比特的第一块(N-K)/4比特到区块1中，第二块(N-K)/4比特到区块2中，

第三块(N-K)/4比特到区块3中，第四块(N-K)/4比特到区块4中，可以看作把校验比特存入一个

(N-K)/4行4列的矩阵，第1列代表区块1，第2列代表区块2，第3列代表区块3，第4列代表区

块4。对于1/2和1/3码率，校验比特的读法与信息比特的读法类似，不同在于：校验比特第一次

读是从校验偏移参数offset定义的行开始，步长参数还是StepSize。我们定义T=(N-K)/4，第一轮

读出的行的顺序为(offset，(offset+StepSize)modT，(offset+2*StepSize)modT，…)，然后第二轮

首行加1，再重复StepSize-1轮，最后经过StepSize轮，每轮读出T/StepSize行数据，共计读取T

行数据。对于16/18码率，每轮读完，不初始化行指针，而是从开始持续读取(offset，

(offset+StepSize)modT，(offset+2*StepSize)modT，…)，一直到T行读取完毕。校验位交织示意

图如图7所示。

注：N-K代表校验比特的数量，N-K个校验比特会分成4个子块，每个子块的大小为(N-K)/4比特。

图7校验位交织示意图

信道交织用到的参数如表18定义。

表18信道交织参数

物理块大小（字节数）码