Turbo碼在電力無線光通信中的性能分析與仿真

汪 洋 ，李援非 ，馬曉明，趙子巖

（1.中國電力科學研究院 北京 100192； 2.濟南電力供電公司地調所 濟南 250012）

1 前言

目前，我國的電力系統通信網承載了電力系統的大量數據，電力通信網的完善直接影響到電力系統的安全生產運行。近年來，我國已經逐步形成了以光纖通信為主，其他多種通信方式為輔的電力通信網格局。然而，由于微波、載波等方式的自身局限性[1]，已經無法滿足電力通信更高、更靈活的傳輸需求，輔助通信方式亟需得到改善。

無線激光通信又被稱為自由空間光通信 （free space optical communications,FSO）。它是以近紅外激光束作為載波，以大氣為信道在空間直接進行數據、語音、圖像信息雙向傳輸的一種技術。由于該技術具有高帶寬、高安全性、高靈活性、不受電磁干擾、可以方便靈活部署等優點。已經逐漸開始在公網中應用，國外也開始利用無線光通信系統構建城域移動通信寬帶接入網[2]。

信道編解碼技術作為數字通信技術的關鍵環節，在數字通信系統中扮演著舉足輕重的作用。1993年，Turbo碼的提出為信道編碼注入了新的活力。Turbo碼的性能以接近Shannon編碼理論的極限[3]而備受關注。

2 無線光通信概述

FSO系統采用近紅外激光，通過調制以后攜帶用戶數據在大氣中進行傳輸。由于FSO系統的應用方式特殊[4]，其采用很多獨特技術，如自動跟蹤瞄準技術、信源信道編碼技術等[5，6]。

FSO系統通信性能與大氣信道情況息息相關，通過分析大氣信道模型，可以發現影響FSO系統通信性能的大氣因素主要有大氣閃爍、大氣湍流、背景噪聲。而大氣閃爍、大氣湍流都具有隨機性、突變性的特點，且受外界環境影響極大。采用合適的光通信編碼方式是適應大氣信道，提高FSO系統通信性能的必要手段。

目前，光纖通信和微波通信是電力系統中使用較為廣泛的兩種通信方式，與它們相比，FSO既有優勢也存在不足。表1為幾種通信方式的特點比較。

表1 光纖、微波通信方式與無線光通信特點比較

從上面的比較分析中可知：由于FSO技術受傳輸距離和大氣狀況的影響比較大，通信性能不夠穩定，因此，在電力系統的中長距離通信中，FSO的優勢不如光纖通信和微波通信的優勢明顯。但是，在短距離、高寬帶、機動應用環境下，無線光通信技術與微波通信方式相比，有比較明顯的優勢，尤其在城域網和接入網中，完全可以利用其特有的優勢，成為光纖通信很好的補充與替代。

3 Turbo碼原理及性能分析

1993年,Berrou C等人提出了一種并行級聯遞歸系統卷積碼，命名為Turbo碼。該碼通過對子碼的偽隨機交織實現約束長度的編碼，具有接近隨機編碼的特性,并采用迭代譯碼取得了中等的譯碼復雜度，它的誤碼性能在10-5數量級上，逼近了Shannon極限。

3.1 Turbo碼編碼

圖1給出了Turbo碼編碼器的一般性結構。圖中dk是待編碼的數據塊，加入尾隨比特的作用是使在一個數據塊編碼結束之后，保證成員編碼器的寄存器回到全零狀態，這樣的Turbo碼就等同于線性分組碼，從而通過分析這類分組碼的特性來計算Turbo碼的譯碼性能上界，對其性能進行估計與分析。編碼器中的第一個輸出Xk是輸入信息比特和加入的尾隨比特。輸入信息比特和尾隨比特經過交織器交織后分別送入第1，2，…，M個成員編碼器進行編碼，得到M個校驗輸出序列y1，y2…yM，這M個校驗序列經過刪除器的壓縮(以得到不同的編碼速率)后，與信息序列Xk一起經并／串變換并調制后發送出去。在發送端，其編碼的隨機性是通過編碼器中的交織器以及并行級聯方式來實現的；其中交織器設計的好壞和成員編碼器的選擇是決定碼字性能的關鍵因素之一。

3.2 Turbo碼譯碼

Turbo碼解碼特點采用迭代的思想,算法采用軟輸入軟輸出(SISO)算法，Turbo碼常用解碼算法主要有最大后驗概率(MAP)算法和在此基礎上改進的對數域最大后驗概率(Log-MAP)以及軟輸出的Viterbi算法(SOVA)。Turbo碼的譯碼結構如圖2(a)所示。

盡管圖2(a)給出的是反饋的結構，由于有交織環節的存在必然引起時延，使得不可能有真正意義上的反饋，而是流水線式的迭代結構，如圖2(b)所示。也正是由于這種流水線結構，使得譯碼器可由若干完全相同的軟入軟出的基本單元構成，從而以較小的復雜度實現了最大似然譯碼。

3.3 Turbo碼性能分析

經過前面對Turbo碼編解碼的原理簡介，可以看出Turbo碼是一種很接近Shannon極限的編解碼方式。為了進一步驗證Turbo碼的優越性，下面對比Turbo碼與復雜度近似相等的線性分組碼和卷積碼的誤碼性能。設定3種碼均應用在AWGN信道上，線性分組碼采用（31，26）漢明碼，卷積碼采用（2，1，14），而卷積碼的分量碼生成矩陣為（37，21），速率為1/2。這樣3種碼型的復雜度相當。對3種碼進行仿真，仿真結果以信噪比-誤碼率BER的關系曲線的形式給出，如圖3所示.

從上面的仿真結果可以清楚地看出Turbo碼的優越性：Turbo碼無論從誤比特率、收斂速度還是碼字的自由距離都遠優于線性分組碼和卷積碼。Turbo碼更接近于Shannon極限。

4 基于Turbo碼的FSO系統在電力通信中的測試結果

從以上兩圖可以清楚地看出：（1）應用Turbo碼確實提高了信號的誤碼性能，其平均誤比特率為1.27×10-9，而無編碼情況下的平均誤比特率為5.17×10-7；（2）應用 Turbo碼確實提高了信號的接收功率，其平均接收光功率損耗為-21.78 dB，而無編碼情況下的平均接收光功率損耗為-27 dB。

考慮到數據測試過程中的突發干擾、天氣變化、人為操作失當等不可預見因素的影響，可以得出結論:①Turbo碼對提高接收光功率增益有明顯的作用，其結果與理論估算的結果基本吻合。②如上面的曲線可見:Turbo碼對損耗較大點的增益比較大,這一優點對信號的抗噪接收有著很大的幫助。

5 結術語

經過以上分析，可以得到以下幾點結論：

（1）應用Turbo碼，無線光通信信道功率提高大約5 dB的編碼增益；

（2）應用Turbo碼，誤碼率較無編碼無線光傳輸有顯著提高；

（3）當然Turbo碼的編碼器的結構和譯碼策略仍然存在例如實時性、穩定性、鏈路吞吐量等問題，但是可以通過對編譯碼原理的改進、編譯碼策略的優化來逐步解決；

（4）Turbo碼作為一種較新的糾錯編碼方式,它出現的意義是深遠的，基于Turbo碼的無線光通信系統對電力通信具有重要價值。

1 王巖等.空間光通信技術的發展與展望.電子器件，2003，26（3）

2 張煦.光無線通信技術的應用.電信快報,1999(10)

3 俞文芳等.Turbo碼編譯碼原理及其性能分析.裝備指揮技術學院學報,2003,(4)3

4 葉胤等.光無線技術設計與應用.數字通信,2000(1)

5 尹道素等.自由空間光通信系統中ATP技術的研究.中國激光,1998,25(9)

6 黃安鵬.無線光通信信道編碼技術研究.碩士論文

7 王君娜等.Turbo碼的基本原理及其發展狀況.電信快報,2003(2)

8 任衛紅等.Turbo碼的軟譯碼研究.通信技術,2003(5)

9 王漢新等.基于Turbo碼的譯碼算法改進.現代電子技術,2003(16)

10 毛寧等.基Turbo碼譯碼算法的時延改進分析.北京理工大學學報,2003,23(1)