第 期 李 勇等 码及其在智能配网通信中的应用研究 定义为一个输出符号结点的度为 的概率 码的编码算法如下 根据给定的度分布函数 随机选取一个度 随机选取 个不同的输入符号 $ 将这 个不同的输入符号取异或运算得到编码后的输出符号 *() 码的译码原理 * 已有的译码算法有置信传播算法 高斯消元法

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1 云南大学学报 自然科学版!" #$%"&' $# () 码及其在智能配网通信中的应用研究 李 勇 宗 容 余 江 刘 刚 赵 凌 云南大学信息学院 云南昆明 云南电网公司通信分公司 云南昆明 摘要 喷泉码是一种新型的信道编码技术 只需要很少的译码开销 具有很小的编译码复杂度 码作为喷泉码的常用码字具有重要研究意义 作者介绍了 码的编 译码原理 在置信传播算法 和高斯消元法 的基础上得到 种改进的译码算法 并研究改进译码算法的性能 仿真分析电力通信配网中不同信道编码方式与 码级联使用的通信可靠性 得出 编码方案具有较高的译码速率和较低的误比特率 从而为 码在智能配网中的实际应用提供有益参考 关键词 码 译码算法 级联编码 智能配网中图分类号! 文献标志码 " 文章编号 # $ 通信系统的基本目的在于将信息由信源高效可靠地传送到信宿 香农提出了有扰信道编码定理 一般采用差错控制编码技术来构造接近香农容量限的纠错码 其主要控制方式是重发反馈 前向纠错及二者混合的方式 近年来 受到普遍关注的数字喷泉码成为构造这种可靠传输方案的最佳技术之一 喷泉码最初是为删除信道设计的 喷泉码的无速率性使其在删除信道中获得了逼近香农限的性能 %&'( 码与 )*+ 码是喷泉码中研究与应用范围最广泛的 种码字 不少学者对喷泉码在删除信道以外的其它信道下的性能进行了广泛研究 如无线中继信道 $ 衰落信道, 二进 制无记忆对称信道等 然而关于 码在电力通信网中应用的研究极少 本文主要研究 码 讨论其编 译码原理和译码性能表现以及在电力通信中传输具体业务时的应用 并做了相应的仿真分析 *() 码 数字喷泉码的编码器好像喷泉一样 不断地喷涌水珠 能够源源不断地产生无限多个编码数据包 常见的喷泉码有随机线性码 码和 )*+ 码 具有以下, 个显著的优点 无速率性 喷泉码的编码可由 位信源符号生成任意数量的编码符号 而译码器只需接收到其中任意 位编码符号 即可以一定概率译出全部信源符号信息 其与传统码字的最大区别在于 喷泉码没有码长 的定义 或者认为码长 趋于无穷大 故编码效率为 - 的定义亦不复存在 编 译码的复杂度很小 $ 编码的冗余度较低, 信道利用率高 喷泉码属前向差错控制. 技术 这就在理论上摆脱了基于接收端拥塞控制 ")/ 的固有缺憾 大大地提高了信道的利用率 *() 码的编码原理 * 年 %&' 提出用于网络数据分布的编码方案 码 码不仅具备随机线性喷泉码的优点 而且大大降低了编解码的运算复杂度 对于不同删除概率下的各种删除信 道 已证明 码有最优逼近 在数据通信网中 数据传输时将长为 的文件分割成 - 每个数据包的长度 个数据包 每个数据包为一个输入符号 每个编码包为一个输出符号 将 码的度分布函数 其中 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金, 作者简介 李 勇 #, 男 河南人 硕士生 主要从事信道编码 网络通信方面的研究 (0110'( 通信作者 宗 容 女 云南人 教授 主要从事网络通信 信道编码的研究 (01'%%

2 第 期 李 勇等 码及其在智能配网通信中的应用研究 定义为一个输出符号结点的度为 的概率 码的编码算法如下 根据给定的度分布函数 随机选取一个度 随机选取 个不同的输入符号 $ 将这 个不同的输入符号取异或运算得到编码后的输出符号 *() 码的译码原理 * 已有的译码算法有置信传播算法 高斯消元法 等 码的 算法译码过程如下 接收到的已编码的数据包 称为检验码 找到一个度为 的检验码 即该检验码与一个 联系 如果没有这样的检验码 解码过程终止 此时无法恢复所有的源文件 令 - 将 与所有与之有联系的 进行异或运算 并将值赋给 删除所有与 有联系的边线 重复过程 直到译出所有的 译码所需的运算次数为 1 由于遇到停止集时停止译码 存在不能充分译码的问题 而对于 算法运算次数为 其中 为接收到的符号个数 所以当信息比较长时译码复杂度很高 在电力通信网中传输的业务对译码成功概率 编译码时间及所需的开销等都有很高的要求 比如传输控制信息要求误比特率不超过 因此应改进 码的度分布参数 译码算法使其具有更好的性能表现 不同度分布的影响 理想度分布 理想度分布 23 是理想的译码状态 其分布为 { $ 改进型的鲁棒孤波分布 改进型的鲁棒孤波 )3 分布结合了 23 分布的优势 并加入另 个变量 和 为概率约束 一般取 )3 由 部分组成 一部分是 23 另一部分 为 $ 时 1 时 时 对二者归一化得 )3! $ 其中! 图 是当 时的仿真结果 由图看出理想孤波分布在 到, 和 分布概率较大 这有利于译码成功 图 * 和 的概率分布.0 4*&&010+'0+0&%+0 码在 种不同度分布下 23 仅在理论推导上有最优解 # 但很容易导致解码过程中一些点没有度为 的检验码 改进型的鲁棒孤波分布引入 和 保证了解码过程中度为 的检验码的数目 因此 改进型的鲁棒孤波分布有较高的实际应用空间 译码算法的改进 根据配电网通信环境的特点 为了使通信更加有效和可靠地进行 这里将 算法和 算法结合起来使用 即 5 算法 5 算法 编码部分使用常规 编码 译码部分首先采用 算法进行译码 如果 位信息被全部译出 则译码结束 如果译码过程中在 生成矩阵 中找不到度为 的列 即遇到停止集 这时启用 算法继续进行译码 没有恢复的信息 " 和已编码数据 " 之间的关系为 # " " - " 其中 # " 为矩阵 # 删除全为 的行与列后的转置 当 译码结束时完成 5 算法 6. 算法在译码时使用互启发算法 可以有效降低三角化和回代步骤所需的时间 结合此种算法我们得到 6. 算法 6. 建立在 6. 三角化基础上 在回代过程中采用 5 算法 假设已编码的数据包数为 # 是 $7$ 维的零矩阵 % 是 $7 维的零矢量 # $& 矩阵中的每一列为 ' -

3 云南大学学报 自然科学版 4 +* '&'%% 第 $ 卷 ' ' ' 已编码数据包 - 中的每个符号为 然后比较 ' 中的 与 # 中的第 列 使 在主对角线和 # 上尽可能的稀疏 在主对角线上得到一个稀疏的上三角全 矩阵 按上面的方法三角化后 用 5 回代简化的矩阵 # 和 % 计算线性方程 # -% 得到原数据包 三角化过程的操作复杂度为 $ 回代过程的复杂度接近于 算法 所以 6. 算法的总体复杂度为 81 * 不同译码算法的比较基于 9+1& 软件对 码译码的 算法 算法 5 和 6. 算法进行数值仿真 其开销与译码所需时间 译码成功概率和编译码运算次 数的关系分别如图 :, 所示 由图 可知 6.; 算法所需译码时间略比 算法多 而比 算法和 5 算法少 算法所需的译码时间最少 从图 $ 可以看到译码成功概率随着开销的增加而变大 6. 算法与 算法 算法和 5; 算法相比 具有最高的译码成功概率 在开销 $ :, 时 6. 算法译码成功概率与采用 5 算法译码成功概率基本相等 6. 和 5 译码成功的概率均比 高 即改进的 6. 和 5 译码算法具有较低的误码率 图, 中 算法运算次数高于 算法约 $, 个数量级 和 6. 算法的运算次数随着开销的增大而稳中有增 采用 5 算法所需编码运算次数却随着开销的增加而减少 当开销大 ** 图 * 译码时间与开销的关系 * &+ 0+0( 4 ** 图 * 译码成功概率与开销的关系.0$ * &+ 0%*&&010; +' 4 于 $ 时 采用 5 算法所需码运算次数约低于 算法 个数量级 在这, 种算法中 采用 算法译码所需运算次数是最少的 随着开销的增加译码所需运算次数没有明显的变化 在电力通信网中 信号传输对译码时间和可靠性要求十分严格 可以考虑采用 6. 算法译码 它既具有最高的译码成功概率 同时所需较少的译码时间和运算次数 若传输的业务要求译码时间小于 适合采用 算法译码 若传输的业务要求译码成功概率很高 适合采用 6. 算法进行译码 ** 图 * 编译码运算次数与开销的关系.0, * &+ *+0 %(& ; 4 *() 码在智能电力配网中的应用 在智能配网的建设中 一个研究的热点是如何在配网中搭建无线网络以保证重要业务得以有效

4 第 期 李 勇等 码及其在智能配网通信中的应用研究 $ 传输 电力通信网承载的业务有很多种 其中集抄业务 "9) 是通信子网中重要业务之一 其构架如图 所示 在下层通信网中 采用无线方式传输业务 码作为信道编码方式使用 "9) 业务要求译码成功概率要高 在接收一定数据量的情况下译出的数据量要尽可能地多 由 节的分析可知 采用鲁棒孤波分布的 6. 译码算法的 码满足要求 当前 码在无线信道应用研究中主要有如下 种解决办法 直接应用法 在非删除信道上直接使用 码 直到接收端收集一定数目的编码分组后才进行译码 缺点是 接收大量分组后反复尝试译码不可行 因为实际应用中会造成较大的 延迟 严重影响传输效率 译码变换法 针对无线信道变化特点 提出当信道参数变化时基于迭代译码思想的解决方法 在分析喷泉码应用于无线信道时 基于循环冗余校验码 ) 的编码数据流通过信道 在接收端对每一帧数据位进行 ) 解校验 只要有一位出错就认为这一帧数据传输错误并将其丢弃 图 给出基于转换信道的方法以实现 码的应用 这符合 码的最初应用原理 图 中 对原始数据分组 $ 首先进行 码编码生成分组 $ $ 经过 % 校验后生成分组 $ 采用合适的调制方式 经无线信道传输并经相应的解调 由判决得到接收码字 不能通过 % 解校验的分组将丢弃 通过 % 解校验的分组则进入缓存计数器 当接收到足够 码进行译码的门限分组数量后 即刻开始译码 若译码不成功 则通过接收控制系统反馈回一个标志信号以提示发送端再次发送相应的数据分组 当接收端再次收到这些数据分组时 读缓存计数器 并再次尝试译码 循此 直至译 码成功为止 此后继续传输下一个文件 同一文件续传次数与无线信道遭受的实时噪声干扰情况有关 结合电力通信配网的各种严重干扰和衰落情况 同一文件可能需要续传几次才可以正确接收 引用 % 校验的意义在于经过 % 校验实现 码传输的转换 以使其更适合于无线信道传输 并且在接收端只需接收不采用 % 校验时大约一半的数据分组数量即可实现译码 显然 这种方法对提高无线信道的传输数据效率有很大的帮助 也可以提高电力配网通信的信道利用率 % 校验是转换 码传输的一种方法 根据 码的编码长度 还可采用其他的信道编码方案 仿真测试多组不同编 译码方案的性能指标 只需将图 中的 % 校验换作其它的编 译码方案 即可得到多组不同方案的仿真结果 这对分析与验证本系统框图有效性带来便利 文中假设接收到比特序列同步 误码仅与干扰有关 3 调制 原始分组为 &0+ 码采用文献 $ 度分布 通过通信系统常用的蒙特卡罗方法仿真 次 误比特率约为 选用典型的瑞利信道来逼近无线信道 分别分析了仅 编码 低密度奇偶校验码 作为内码的 编码和循环冗余校验 ) 级联编码的 ) 编码 图 显示了在 $ 种不同编码方式下 译码成功的平均码率与信噪比 3!) 之间的关系曲线 可见 编码方式的平均码率较高 当信噪比为 时平均码率达到 $ 种方式的平均码率均随着信噪比的增加而增大 通信中若是适量提高信号的发射端功率 传输码率随之得以提升 传输效率明显提高 由图 # 误比特率和信噪比的关系曲线可知 在相同信噪比下 采用 码作为内码的 图 *+,- 系统的体系构架.0 "40++%"9)'+( 图 * 无线通信系统原理框图.0 34(+00(01((%0+0 '+(

5 , 云南大学学报 自然科学版 4 +* '&'%% 第 $ 卷 图 * 平均码率与信噪比关系.0 )1+040* &+ + 3!) 图.* 误比特率与信噪比关系.0# * &+ &0++ 3!) 码的误比特率低于单一的 码传输时的误比特率 也低于采用 ) 校验的 码传输时的误比特率 当信噪比为 时误比特率达到 随着信噪比的增加误比特率还可降低 当信噪比大于 $ 时误比特率下降比较缓慢 结合以上分析 实际通信中保持信号功率大约 $ 时较为合适 不但节省能量和成本还提高了传输效率 考虑到电力系统通信受到的各种干扰和衰落的影响 因此电力系统对重要通信设备要求进行热备份 即通过增加一些冗余来获取通信的高可靠性 本文的系统框图显示出较大的灵活性与有效性 % 校验与调制方式所需设备均可准备几套 根据电力通信配网中传输的业务特点和信道受干扰情况做出快速切换 保证通信不中断 * 结 * 论文中对 码智能电力通信配网应用进行了理论分析和实验仿真 实验结果表明 针对智能电力通信配网中的集抄业务 采用改进型的鲁棒孤波分布的 码作为信道编码具有很大优势 可根据具体应用情况调整其 个参量 和 以获得最佳编码效率 在配网中要传输的业务要求译码时间小于 或传输业务要求译码成功概率高 可以采用 6. 算法译码 采用 编码方案具有较高的译码速率和较低的误比特率 证明了该方案的可行性 针对配网中传输某些业务要求保密性这个特点 还需进一步研究在有限的带宽下如何加入安全密钥的方法 参考文献 3"!!6!"(+4(+01+4'((%0; '+( 4015%1,# $;,$$; 王新梅 纠错码原理与方法 9 西安 西安电子科技大学出版社 $;# <"!=9+0 *00*1 (+4 9=0>=0>?00+' '$;# $??)23 2<) 5 69"3.0 4( %1'41 22+; +013'(*0%( 2(+0 4';,5..9"6@@) ((%0+0+,;,# 3"92636)6"2")*+ &0; '(('1'(( ; +0 2(+0 4' $$; "1"4 "2! 3659!6A2.% =6) *B+&+0 %0*+&B&0 9%1+0 +B %0+B A40%14; 1'A; 李璐颖 无线通信中喷泉码应用关键技术研究 北京 北京邮电大学 2@<01((%0+0 **10+0 B'+41; 0%+0 0C00C0?00+' + 1((%0+0 # 李璐颖 吴湛击 王文博 喷泉码编译码原理研究和分析 5 中国新通信,;,

6 第 期 李 勇等 码及其在智能配网通信中的应用研究 4 1; '0 % ((%0; +0,;, 2626A)"!69"") '% 0 10(0+0 52((% +$$; ""!2@2"53)+1 0' '(*0%( 2; (+0 4',#; 黄诚 易本顺 喷泉码的 0+0 映射实现 5 北京邮电大学学报 $$;?"!@232(*1(++0.%+0 %010+0(* 55%10C0?00+' + 1((%0+0$$; 张祥 谭莉茹 黄诚 喷泉码的无线信道应用 5 信息通信 ; D"!="!)?"!"**10+0.%; (+0 ((%0+0; $ 黄诚 易本顺 基于抛物线映射的混沌 编码算法 5 电子与信息学报 $ ; ( & *&10(* 55%11+0E 2(+0 41'$ ; $ )4 0+** &%+0 +B 2@ 2? D" ( @%?00+'%(040 ((%0+0 0 *+0%(040 +/#$0.% ' (1(*10+'0 04 0(*++4 1% ' % 0 +B 01((%0+0 1% ( 0+% 0 +40**B00(* 010+4(404 & 10*; ( % 0 10( (&+04*(+4+B0 0(* 010+4( &010+'((%0+0 '+(404 01%; 1' (& B0410%4 0+4 )0(%; 1+404(0+4 +4% &+0 (0(% (1& *0*&1+4*+01 ** &%+0 +B 1 "#010+4((& &%+0 +B

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