智能电网光纤通信技术研究范文

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随着全球能源危机和环境问题的日益严重，人类社会对低碳生活和低碳经济的呼吁日益高涨，灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网是未来电网的发展方向，也是国家能源战略的必然选择[1]。智能电网在现有电网的基础上，结合信息通信技术、传感与测量技术、电网设备技术、控制技术、决策支持和可视化技术等一系列先进技术，实现电力从生产到用户各个环节的优化配置和智能交互[2~4]。光纤通信作为智能电网通信的主干网络，承载着生产调度、电网运行状态信息采集与监控、办公自动化、能量管理系统、电力市场、多媒体数据业务以及关系到电网安全可靠稳定运行的继电保护业务，为电网的自动化控制、商业化运营和现代化管理提供了优质可靠的信息与通信保障服务。目前，限制光纤通信发展的主要问题是信息传输过程中光纤的色散和非线性效应。要尽量减少这些现象产生的影响，除了增加输入光功率和提高通信设备性能外，经济高效的前向纠错码（FEC）编码技术也是值得优先考虑的方案。虽然关于FEC编码技术的理论研究较多，但将其应用于智能电网光纤通信中的研究却鲜有报道。不同的FEC码型有着不同的纠错性能，且适用于不同的通信信道，本文在分析光纤通信系统信道特性建立信道模型的基础上，设计一种RS码与BCH码级联的FEC方案，本方案纠错性能优越且易于实现，可作为智能电网光纤通信系统的候选FEC方案。

1光纤信道模型

光纤通信系统中，误码率（BER）是衡量系统传输质量的一个重要指标，误码主要由信道中的噪声干扰[14]引起，信道模型外的噪声可以通过采用适当的光器件[15]来缓解。因此，本文主要考虑光纤非线性效应产生的噪声、自发辐射（ASE）噪声、泊松分布的散粒噪声和有源器件的热噪声。光纤非线性效应产生的串扰误码可以看成是无记忆的，已有文献显示四波混频表现出无记忆的噪声分布。对于非线性效应有可能产生的突发错误，至今尚没有其分布的理论支撑，但可以利用能纠正突发错误的纠错码来减小其影响，进而将其忽略。泊松分布的散粒噪声和有源器件的热噪声可近似看作高斯分布。在对光纤通信系统中的FEC进行研究时，ASE噪声也可以近似看作高斯白噪声。这样信道中的噪声就转化为两个高斯白噪声的叠加，由于若干个独立高斯白噪声叠加的结果还是高斯白噪声，因此，在研究光纤通信系统的FEC时，其信道模型可近似为加性高斯白噪声(AWGN)信道。

2级联码原理

级联码具有强大的纠正突发错误和随机错误的能力，属于高效FEC编码。由信道编码理论可知，随着编码码长的增加，译码错误概率以指数形式趋近于零[16]。因此，为提高纠错码的纠错性能，必须使用长码，但增加码长会降低编码效率、增大设备的复杂度和计算量，难以实现。级联码的原理是以短码构造长码，通过串行分级完成编码过程，通常采用2级或2级以上（以2级级联编码最为常用）的码型构造出长分组码，即级联码。通过以上方式获得的级联码不仅具有与长码相同的纠错性能和编码增益，而且编码过程不会增加设备和编译码的复杂度，其编码和译码的原理图如图1所示图1中，信息输入端输入k1k2个二进制信息序列，k1k2个信息序列被划分成k2段，每段有k1个信息序列，经外码编码器(n2,k2,d2)进行编码，d2为外码的最小码距。从外码编码输出的信息序列被送入内码编码器(n1,k1,d1)，由内码编码器按照每段k1个信息元对其进行二次编码，产生n2个(n1,k1)的码字序列，至此完成了(n1n2,k1k2,d1d2)的级联码编码过程。其中d1为内码的最小码距，得到的级联码码长为n1n2，有效信息长度为k1k2，编码效率为内、外码码率的乘积，最小码距为内、外码码距的乘积。从以上结果可以看出，通过级联，FEC码型的码距得到了极大的扩展，其纠错能力也相应得到提升。级联码译码时，分别按照内、外码译码规则和先内码再外码的顺序进行译码。序列首先经过内码译码得到n2k1个信息序列，然后进入外码译码器，外码译码器输出纠正错码后的k1k2个信息序列，完成级联码的译码。内码译码器译码输出的码型具有较低的误符号率，之后送给外码译码器，外码译码器进一步纠正更多的错码，再次降低了BER。若在内、外码编译码器之间加入交织/解交织器，可进一步增强级联码的纠错性能。

3RS码与BCH码级联FEC方案设计

ITU-TG.707和G.975建议的以RS码和BCH码为代表的单码纠错码虽然能提供适中的编码增益，但远不能满足高速率长距离光纤通信的需要；G.975.1提出的8种FEC方案虽然纠错能力很强，但编码冗余度过大、交织器过于复杂，难在实践中推广应用；采用软判决技术的Turbo码和LDPC码虽然具有极强的纠错性能，但硬件实现非常复杂，至今尚没有商用的FEC芯片[17]。因此，具有强纠错能力且易于硬件实现的FEC技术是当下的研究热点。线性分组码(RS码、BCH码)由于编译码相对简单，译码延时固定，在光纤通信系统中的应用最为广泛。RS码是一种特殊的多进制BCH码，是线性分组码中的最好码，具有良好的纠错性能，能纠正随机错误和一定长度的突发错误，其中RS(255,239)已被ITU-TG.707作为FEC的标准码型。BCH码是一种能纠正多个随机错误的循环码，也是迄今发现的一类很好的线性纠错码，具有构造方便、编码简单和代数结构严谨的优点，其中BCH(4359,4320)已被ITU-T规定为带内FEC码型。如果只以单一的RS码或BCH码作为光纤通信系统FEC的纠错码型，其纠错能力非常有限，不能适应通信发展的需要。因此，本文采用级联的编码理论，实现纠错码的串行级联，大大提高了纠错能力。在级联码中，通常采用非二进制码作为级联码的外码，二进制码作为内码。本文设计的RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联码，外码采用纠错能力很强的RS(255,239)码，其纠错能力t=8字节，能纠正64比特的随机错误或突发错误；内码采用码长、纠错能力以及码率配置都很灵活的BCH(2232,2040)码，其纠错能力t=16比特，可以纠正16比特的随机错误。内、外码之间加入交织与解交织技术，交织深度为255字节，进一步提高了级联码的纠错水平，经交织后的级联码能纠正最大长度达32640比特的突发错误。RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联码的编译码原理如图2所示。

4仿真分析

为验证RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联码的性能，本文采用Matlab仿真软件搭建了系统仿真模型，利用Matlab自带的通信仿真工具和编程语言，调制方式采用BPSK，信道设为AWGN信道，通过改变信噪比来仿真分析RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联码的纠错性能，得到了级联编码前、后与译码后的序列波形。序列波形如图3所示，编码前与译码后的序列波形是一致的，很难直观地看出纠错后误码的存在，表明级联码纠错性能较好。为了验证级联码的性能，我们仿真分析了级联编码与经典RS(255,239)编码的性能，得到了两者的性能曲线图如图4所示。与经典RS(255,239)相比，在BER=10×10-8时，RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联FEC方案的净编码增益(NCG)提高了2.4dB；在BER=10×10-12时,RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联FEC方案的NCG大约提高了2.8~3.2dB，表明采用级联码的FEC方案性能远强于经典RS(255,239)码的FEC方案。当BER=10×10-12时，本文对比RS(255,239)+BCH(2232,2040)、RS(255，239)+CSOC(N0/K0=7/6，J=8)和RCH（3860,3824）+BCH（2040,1930）级联码的性能，比较结果如表1所示。相比另两种级联码，本文提出的RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联FEC方案在NCG上有巨大的优势，且编码冗余度适中，仅为16.74%，(光通信系统中要求编码冗余度不大于25%)，编译码复杂度低，没有增加设备复杂度，易于硬件实现，在速率上也能很好的兼容。

5结束语

本文阐述了智能电网光纤通信系统中级联码的编、译码原理，建立了光纤通信系统的信道模型，提出了RS(255,239)+BCH(2232,2040)级联的FEC方案。仿真实验表明，与经典RS(255,239)码和G.975.1建议的其它级联FEC码相比,RS(255,239)+BCH(2232,2040)码级联FEC方案具有更好的纠错性能和更高的编码增益，不仅能保障光纤通信的可靠性，降低系统对通信设备性能的苛刻要求，而且还大大节约了智能电网早期的投资和通信系统建设的成本。因此，RS码与BCH码级联的FEC方案可以作为一种候选方案应用于智能电网光纤通信系统中，以适应智能电网光纤通信大容量、超长距离和高速率的发展要求，实现我国智能电网的快速发展。

作者：程续涛 王海云 王维庆 乔欣欣 刘刚 单位：新疆大学 电气工程学院 教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心 郑州德原电力有限公司