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隨著全球能源危機和環境問題的日益嚴重，人類社會對低碳生活和低碳經濟的呼吁日益高漲，靈活、清潔、安全、經濟、友好的智能電網是未來電網的發展方向，也是國家能源戰略的必然選擇[1]。智能電網在現有電網的基礎上，結合信息通信技術、傳感與測量技術、電網設備技術、控制技術、決策支持和可視化技術等一系列先進技術，實現電力從生產到用戶各個環節的優化配置和智能交互[2~4]。光纖通信作為智能電網通信的主干網絡，承載著生產調度、電網運行狀態信息采集與監控、辦公自動化、能量管理系統、電力市場、多媒體數據業務以及關系到電網安全可靠穩定運行的繼電保護業務，為電網的自動化控制、商業化運營和現代化管理提供了優質可靠的信息與通信保障服務。目前，限制光纖通信發展的主要問題是信息傳輸過程中光纖的色散和非線性效應。要盡量減少這些現象產生的影響，除了增加輸入光功率和提高通信設備性能外，經濟高效的前向糾錯碼（FEC）編碼技術也是值得優先考慮的方案。雖然關于FEC編碼技術的理論研究較多，但將其應用于智能電網光纖通信中的研究卻鮮有報道。不同的FEC碼型有著不同的糾錯性能，且適用于不同的通信信道，本文在分析光纖通信系統信道特性建立信道模型的基礎上，設計一種RS碼與BCH碼級聯的FEC方案，本方案糾錯性能優越且易于實現，可作為智能電網光纖通信系統的候選FEC方案。

1光纖信道模型

光纖通信系統中，誤碼率（BER）是衡量系統傳輸質量的一個重要指標，誤碼主要由信道中的噪聲干擾[14]引起，信道模型外的噪聲可以通過采用適當的光器件[15]來緩解。因此，本文主要考慮光纖非線性效應產生的噪聲、自發輻射（ASE）噪聲、泊松分布的散粒噪聲和有源器件的熱噪聲。光纖非線性效應產生的串擾誤碼可以看成是無記憶的，已有文獻顯示四波混頻表現出無記憶的噪聲分布。對于非線性效應有可能產生的突發錯誤，至今尚沒有其分布的理論支撐，但可以利用能糾正突發錯誤的糾錯碼來減小其影響，進而將其忽略。泊松分布的散粒噪聲和有源器件的熱噪聲可近似看作高斯分布。在對光纖通信系統中的FEC進行研究時，ASE噪聲也可以近似看作高斯白噪聲。這樣信道中的噪聲就轉化為兩個高斯白噪聲的疊加，由于若干個獨立高斯白噪聲疊加的結果還是高斯白噪聲，因此，在研究光纖通信系統的FEC時，其信道模型可近似為加性高斯白噪聲(AWGN)信道。

2級聯碼原理

級聯碼具有強大的糾正突發錯誤和隨機錯誤的能力，屬于高效FEC編碼。由信道編碼理論可知，隨著編碼碼長的增加，譯碼錯誤概率以指數形式趨近于零[16]。因此，為提高糾錯碼的糾錯性能，必須使用長碼，但增加碼長會降低編碼效率、增大設備的復雜度和計算量，難以實現。級聯碼的原理是以短碼構造長碼，通過串行分級完成編碼過程，通常采用2級或2級以上（以2級級聯編碼最為常用）的碼型構造出長分組碼，即級聯碼。通過以上方式獲得的級聯碼不僅具有與長碼相同的糾錯性能和編碼增益，而且編碼過程不會增加設備和編譯碼的復雜度，其編碼和譯碼的原理圖如圖1所示圖1中，信息輸入端輸入k1k2個二進制信息序列，k1k2個信息序列被劃分成k2段，每段有k1個信息序列，經外碼編碼器(n2,k2,d2)進行編碼，d2為外碼的最小碼距。從外碼編碼輸出的信息序列被送入內碼編碼器(n1,k1,d1)，由內碼編碼器按照每段k1個信息元對其進行二次編碼，產生n2個(n1,k1)的碼字序列，至此完成了(n1n2,k1k2,d1d2)的級聯碼編碼過程。其中d1為內碼的最小碼距，得到的級聯碼碼長為n1n2，有效信息長度為k1k2，編碼效率為內、外碼碼率的乘積，最小碼距為內、外碼碼距的乘積。從以上結果可以看出，通過級聯，FEC碼型的碼距得到了極大的擴展，其糾錯能力也相應得到提升。級聯碼譯碼時，分別按照內、外碼譯碼規則和先內碼再外碼的順序進行譯碼。序列首先經過內碼譯碼得到n2k1個信息序列，然后進入外碼譯碼器，外碼譯碼器輸出糾正錯碼后的k1k2個信息序列，完成級聯碼的譯碼。內碼譯碼器譯碼輸出的碼型具有較低的誤符號率，之后送給外碼譯碼器，外碼譯碼器進一步糾正更多的錯碼，再次降低了BER。若在內、外碼編譯碼器之間加入交織/解交織器，可進一步增強級聯碼的糾錯性能。

3RS碼與BCH碼級聯FEC方案設計

ITU-TG.707和G.975建議的以RS碼和BCH碼為代表的單碼糾錯碼雖然能提供適中的編碼增益，但遠不能滿足高速率長距離光纖通信的需要；G.975.1提出的8種FEC方案雖然糾錯能力很強，但編碼冗余度過大、交織器過于復雜，難在實踐中推廣應用；采用軟判決技術的Turbo碼和LDPC碼雖然具有極強的糾錯性能，但硬件實現非常復雜，至今尚沒有商用的FEC芯片[17]。因此，具有強糾錯能力且易于硬件實現的FEC技術是當下的研究熱點。線性分組碼(RS碼、BCH碼)由于編譯碼相對簡單，譯碼延時固定，在光纖通信系統中的應用最為廣泛。RS碼是一種特殊的多進制BCH碼，是線性分組碼中的最好碼，具有良好的糾錯性能，能糾正隨機錯誤和一定長度的突發錯誤，其中RS(255,239)已被ITU-TG.707作為FEC的標準碼型。BCH碼是一種能糾正多個隨機錯誤的循環碼，也是迄今發現的一類很好的線性糾錯碼，具有構造方便、編碼簡單和代數結構嚴謹的優點，其中BCH(4359,4320)已被ITU-T規定為帶內FEC碼型。如果只以單一的RS碼或BCH碼作為光纖通信系統FEC的糾錯碼型，其糾錯能力非常有限，不能適應通信發展的需要。因此，本文采用級聯的編碼理論，實現糾錯碼的串行級聯，大大提高了糾錯能力。在級聯碼中，通常采用非二進制碼作為級聯碼的外碼，二進制碼作為內碼。本文設計的RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯碼，外碼采用糾錯能力很強的RS(255,239)碼，其糾錯能力t=8字節，能糾正64比特的隨機錯誤或突發錯誤；內碼采用碼長、糾錯能力以及碼率配置都很靈活的BCH(2232,2040)碼，其糾錯能力t=16比特，可以糾正16比特的隨機錯誤。內、外碼之間加入交織與解交織技術，交織深度為255字節，進一步提高了級聯碼的糾錯水平，經交織后的級聯碼能糾正最大長度達32640比特的突發錯誤。RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯碼的編譯碼原理如圖2所示。

4仿真分析

為驗證RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯碼的性能，本文采用Matlab仿真軟件搭建了系統仿真模型，利用Matlab自帶的通信仿真工具和編程語言，調制方式采用BPSK，信道設為AWGN信道，通過改變信噪比來仿真分析RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯碼的糾錯性能，得到了級聯編碼前、后與譯碼后的序列波形。序列波形如圖3所示，編碼前與譯碼后的序列波形是一致的，很難直觀地看出糾錯后誤碼的存在，表明級聯碼糾錯性能較好。為了驗證級聯碼的性能，我們仿真分析了級聯編碼與經典RS(255,239)編碼的性能，得到了兩者的性能曲線圖如圖4所示。與經典RS(255,239)相比，在BER=10×10-8時，RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯FEC方案的凈編碼增益(NCG)提高了2.4dB；在BER=10×10-12時,RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯FEC方案的NCG大約提高了2.8~3.2dB，表明采用級聯碼的FEC方案性能遠強于經典RS(255,239)碼的FEC方案。當BER=10×10-12時，本文對比RS(255,239)+BCH(2232,2040)、RS(255，239)+CSOC(N0/K0=7/6，J=8)和RCH（3860,3824）+BCH（2040,1930）級聯碼的性能，比較結果如表1所示。相比另兩種級聯碼，本文提出的RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯FEC方案在NCG上有巨大的優勢，且編碼冗余度適中，僅為16.74%，(光通信系統中要求編碼冗余度不大于25%)，編譯碼復雜度低，沒有增加設備復雜度，易于硬件實現，在速率上也能很好的兼容。

5結束語

本文闡述了智能電網光纖通信系統中級聯碼的編、譯碼原理，建立了光纖通信系統的信道模型，提出了RS(255,239)+BCH(2232,2040)級聯的FEC方案。仿真實驗表明，與經典RS(255,239)碼和G.975.1建議的其它級聯FEC碼相比,RS(255,239)+BCH(2232,2040)碼級聯FEC方案具有更好的糾錯性能和更高的編碼增益，不僅能保障光纖通信的可靠性，降低系統對通信設備性能的苛刻要求，而且還大大節約了智能電網早期的投資和通信系統建設的成本。因此，RS碼與BCH碼級聯的FEC方案可以作為一種候選方案應用于智能電網光纖通信系統中，以適應智能電網光纖通信大容量、超長距離和高速率的發展要求，實現我國智能電網的快速發展。

作者：程續濤 王海云 王維慶 喬欣欣 劉剛 單位：新疆大學 電氣工程學院 教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心 鄭州德原電力有限公司