周建宇 彭書(shū)瑞

摘要：基于數(shù)字信號(hào)處理的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，充分利用了光纖通信過(guò)程中的元件參數(shù)，能夠提升狀態(tài)監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效率，同時(shí)考慮到信號(hào)噪聲等敏感問(wèn)題，突出解決了非線性損傷的影響。本文提出的方法能夠針對(duì)主動(dòng)故障檢測(cè)與防御、光纖非線性補(bǔ)償、QoT、軟件定義網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化等方面進(jìn)行應(yīng)用，提升通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理;變電站通信網(wǎng)絡(luò);光纖通信;狀態(tài)監(jiān)測(cè)

引言

提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。首先，針對(duì)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，提出了光纖通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的流程，結(jié)合監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。然后，對(duì)傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法以及數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行了分析，提出了基于數(shù)字信號(hào)處理的光纖通信監(jiān)測(cè)方法。最后，針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，結(jié)合故障檢測(cè)、非線性補(bǔ)償、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行了應(yīng)用說(shuō)明。

1光纖通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

1.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信道故障、延時(shí)、冗余、可靠性、數(shù)據(jù)同步、交換頻率、數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)規(guī)模均會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)的選擇產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的原理如圖2所示。由圖2可以看出，在光節(jié)點(diǎn)之間的光纖網(wǎng)絡(luò)受到監(jiān)控元件的同時(shí)監(jiān)控。以信號(hào)模型作為提取原理，提取線路的相關(guān)信息。該監(jiān)測(cè)能夠提供網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息，因此能夠有效判斷故障位置以及故障原因。另外，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)能夠收集相關(guān)的故障信息，從而為故障類(lèi)型的分布和推演提供了數(shù)據(jù)支撐。

因此，能夠進(jìn)一步防止數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸過(guò)程中的丟失。通過(guò)及時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠采取預(yù)防措施避免事故或故障擴(kuò)大，從而提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)感知也能夠提升網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用水平，如當(dāng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路質(zhì)量有下降時(shí)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)的信息切換傳輸鏈路，從而盡可能減少噪聲或其他信號(hào)源對(duì)傳輸過(guò)程的影響。

通過(guò)減少光傳輸功率能夠提升信號(hào)的魯棒性，避免信號(hào)發(fā)生非線性畸變。另外，傳輸信道的功率也能夠進(jìn)行相應(yīng)的提升，從而增加數(shù)據(jù)速率，使用更高調(diào)頻格式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)路由算法在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)ふ易疃搪窂竭M(jìn)行流量傳輸，或者能夠滿足最小QoS約束條件下的路徑。在這種情況下，延時(shí)、丟包和數(shù)據(jù)速率等內(nèi)容均可以納入考慮范圍。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠提升損傷感知背景下的路由規(guī)劃和路徑規(guī)劃。通過(guò)對(duì)所有可能路徑不同參數(shù)的權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，可以得到?jīng)Q策結(jié)果，使得損傷感知背景下的路徑規(guī)劃更加合理。

1.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

光纖傳輸是目前電力系統(tǒng)通信中主要的通信手段，其優(yōu)點(diǎn)較多，但是在光纖傳輸過(guò)程中也會(huì)受到信號(hào)損傷的影響，因此會(huì)影響通信網(wǎng)絡(luò)的性能。除此之外，其他網(wǎng)絡(luò)元件也可能會(huì)影響到通信的質(zhì)量。所有這些對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的損害，都會(huì)降低通信鏈路的傳輸質(zhì)量，從而影響數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)傳輸效率。信號(hào)傳輸過(guò)程中受到的影響可以分為一般影響和嚴(yán)重影響。包括光纖功率損耗、斷纖、網(wǎng)絡(luò)元件故障等在內(nèi)的多為嚴(yán)重故障，而線性或非線性畸變則為非嚴(yán)重?fù)p傷。

2基于數(shù)字信號(hào)處理的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.1主動(dòng)故障檢測(cè)與預(yù)防

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)與主動(dòng)故障檢測(cè)密切相關(guān)，如果能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)防，就能夠提升通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。目前，已經(jīng)有研究應(yīng)用支持向量機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)利用故障數(shù)據(jù)，元件的物理參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測(cè)以及未來(lái)參數(shù)值的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)的方式是通過(guò)基于數(shù)字信號(hào)處理的方法，得到不同設(shè)備和故障事件狀態(tài)下的預(yù)測(cè)值。另外，還可以通過(guò)樸素貝葉斯分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)參數(shù)的追蹤。通過(guò)利用歷史故障數(shù)據(jù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)故障檢測(cè)。在這種方法中，需要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到不同時(shí)間尺度下網(wǎng)絡(luò)的正常和非正常運(yùn)行狀態(tài)。人工網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練可以用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)故障，從而實(shí)現(xiàn)更高的精度，同時(shí)節(jié)省預(yù)測(cè)時(shí)間。

2.2光纖非線性補(bǔ)償

基于數(shù)字信號(hào)處理的算法能夠?qū)饫w非線性畸變進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)所提的方法并利用不同非線性損傷的特點(diǎn)，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和概率模型，可以用于這類(lèi)信號(hào)畸變的補(bǔ)償。其中，與數(shù)字信號(hào)處理算法密切相關(guān)的有極限學(xué)習(xí)機(jī)器、隨機(jī)后向傳播、最大期望算法和高階統(tǒng)計(jì)均衡器等。

2.3QoT預(yù)測(cè)

部署光路徑之前的QoT預(yù)測(cè)，對(duì)于光通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是必不可少的。目前，QoT預(yù)測(cè)技術(shù)主要基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型或者估計(jì)方法等。前者能夠利用不同的物理信息數(shù)據(jù)以較好的精度進(jìn)行光路徑的質(zhì)量預(yù)測(cè)，而后者預(yù)測(cè)精度較差?；跀?shù)字信號(hào)處理的QoT預(yù)測(cè)模型具有較多優(yōu)勢(shì)，能夠在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及部署光路徑之間建立合適的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而為即將部署到光路徑的QoT進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4軟件定義網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

光纖通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)利用基于數(shù)字信號(hào)處理的方法還可以實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等算法可以實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)中的光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。通過(guò)這類(lèi)方法，可以結(jié)合實(shí)時(shí)鏈路信息以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也可以通過(guò)訓(xùn)練得到不同鏈路參數(shù)之間以及光信噪比數(shù)值。當(dāng)訓(xùn)練過(guò)程結(jié)束時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以更加準(zhǔn)確地對(duì)不同光路徑進(jìn)行優(yōu)化監(jiān)測(cè)。最終，可以通過(guò)相應(yīng)的預(yù)測(cè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在一定概率情況下軟件定義網(wǎng)絡(luò)的容量達(dá)到最大。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，光通信的容量逐漸擴(kuò)大，變得更加復(fù)雜。而光纖通信網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性中存在一些傳輸?shù)膯?wèn)題，包括損耗、色散補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償和各類(lèi)噪聲抑制等。在數(shù)據(jù)傳輸方面，服務(wù)的中斷可能導(dǎo)致信息的災(zāi)難性后果。因此，針對(duì)電力光交換系統(tǒng)通信的監(jiān)測(cè)顯得十分重要。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的控制、管理和運(yùn)維有著重要意義，而且能夠提升電力系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)維。在運(yùn)維管理過(guò)程中，通信系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)是重要的環(huán)節(jié)，能夠通過(guò)誤比特率、QoS等進(jìn)行性能評(píng)估。由此可見(jiàn)，在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)中，性能評(píng)估以及監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)。

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