CCSDS建議的糾錯(cuò)碼技術(shù)研究范文

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《計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)雜志》2015年第二期

1ccsds信道編碼

信道編碼是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要協(xié)議，信道編碼方案的優(yōu)劣也直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎托阅?。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)從誕生至今，制訂了一系列信道編碼標(biāo)準(zhǔn)，先后有BCH碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼和LDPC碼[4]，這里主要研究廣泛應(yīng)用具有極強(qiáng)代表性的級(jí)聯(lián)碼和LDPC碼。

1.1級(jí)聯(lián)碼為了克服早期單一糾錯(cuò)碼性能有限的弱點(diǎn)，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)提出了將卷積碼和RS碼級(jí)聯(lián)使用的方案，在基本不降低編碼效率的前提下，極大地改善了信道性能，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，成為半個(gè)世紀(jì)以來糾錯(cuò)碼領(lǐng)域發(fā)展的經(jīng)典之作，至今仍然由于其出色的糾錯(cuò)性能和簡單的實(shí)現(xiàn)方案被廣泛使用。為了得到較好的編碼增益，在級(jí)聯(lián)碼的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了天地傳輸信道的特點(diǎn)，分別研究了突發(fā)錯(cuò)誤和隨機(jī)錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)措施。外碼采用RS（255，223）碼，主要針對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤，內(nèi)碼采用（2，1，7）卷積碼，主要糾隨機(jī)錯(cuò)誤。為了進(jìn)一步減小突發(fā)連續(xù)誤碼對(duì)性能的影響，級(jí)聯(lián)的過程中還引入了交織。通過交織和解交織，將連續(xù)突發(fā)誤碼分散，使信道惡化狀況不至于超出RS碼的譯碼門限。經(jīng)過上述級(jí)聯(lián)處理，有效的克服了星地信道噪聲的干擾，極大的提高了編碼增益，在誤碼率為1×10-7時(shí)編碼增益接近9dB。級(jí)聯(lián)碼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是理論成熟，實(shí)現(xiàn)簡單，性能可靠。RS碼和卷積碼投入使用已經(jīng)數(shù)十年，經(jīng)過不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，不僅充分發(fā)揮了潛在的性能，而且極大的簡化了實(shí)現(xiàn)方案，這一特點(diǎn)非常有利于在體積、重量、功耗受限和可靠性要求極高的宇航飛行器中實(shí)現(xiàn)。

1.2LDPC碼LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)）碼是Gallager于1962年提出的一種性能接近于香農(nóng)限的好碼[5]，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平和硬件技術(shù)，LDPC碼在很長一段時(shí)間內(nèi)一直未受到人們重視，直到Berrou等人提出Turbo碼后，LDPC碼才重新引起人們的研究興趣并成為研究的熱點(diǎn)。研究結(jié)果顯示，對(duì)于二元輸入的AWGN信道，碼率為1/2的非規(guī)則LDPC碼可以具有距容量不到0.06dB的門限[6]。鑒于LDPC碼的優(yōu)異性能，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)也提出了自己的LDPC碼方案[7]。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的LDPC碼方案由多個(gè)碼字組成，碼率從1/2到4/5，碼長從1280到32768。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼具有以下優(yōu)點(diǎn)：①CCSDS標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼性能優(yōu)異，編碼效率高。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)最高碼率達(dá)4/5，當(dāng)碼長為32768時(shí)，在誤碼率為1E-7時(shí)，僅為2.9dB；②CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的LDPC碼形成了一個(gè)完整的系列。碼率從1/2到4/5,碼長從1280到32768，各種碼字編碼增益差距相對(duì)均勻，便于與不同的調(diào)制方式配合，完全可以滿足不同信道情況下各種航天應(yīng)用的需求；③碼字結(jié)構(gòu)合理，便于實(shí)現(xiàn)。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)碼字采用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造，具有準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，便于硬件實(shí)現(xiàn)，不同碼字之間結(jié)構(gòu)相似，便于自適應(yīng)編譯碼，符合未來發(fā)展需求。

2與DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)比較

DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中LDPC碼分長碼和短碼2種[8]，長碼碼長為64800，碼率有1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10一共11種，短碼碼長為16200，碼率有1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9一共10種，長碼與短碼性能相差不大。雖然DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼性能優(yōu)異，碼率齊全，但是CCSDS標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼與之相比，在航天應(yīng)用中仍然具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，在航天應(yīng)用中，由于特殊應(yīng)用環(huán)境導(dǎo)致特定的格式要求，以及設(shè)備用量少等原因，編譯碼一般無法使用商業(yè)芯片，需用FPGA實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)碼字長度過長，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而糾錯(cuò)性能卻提高不多，F(xiàn)PGA硬件實(shí)現(xiàn)難度較大。碼長8176，碼率7/8的CCSDS碼字和碼長16200，碼率8/9的DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)碼字性能對(duì)比如圖2所示，二者編碼效率基本一致，性能基本一致，碼長卻幾乎相差一倍。因此，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)碼字實(shí)現(xiàn)更為簡便。其次，DVB-S2低碼率碼字雖然性能很好，但要達(dá)到理想性能需要較多迭代次數(shù)，迭代次數(shù)少時(shí)，性能下降很快，反而不如CCSDS標(biāo)準(zhǔn)高碼率碼字。DVB-S2短幀1/4碼率譯碼迭代15次相比迭代50次性能惡化了將近2dB，如圖3所示。另一方面，要想獲得理想性能，必須加大迭代次數(shù)，增大了譯碼延遲，實(shí)時(shí)性不是很理想，也導(dǎo)致傳輸效率過低，造成有限頻譜資源的浪費(fèi)。最后，DVB-S2系統(tǒng)糾錯(cuò)碼方案的優(yōu)異性能是依靠LDPC和BCH級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，DVB-S2系統(tǒng)的LDPC碼是雙對(duì)角線矩陣結(jié)構(gòu)，有一定性能缺陷，抗突發(fā)錯(cuò)誤性能較差，所以還需要級(jí)聯(lián)BCH碼。而CCSDS標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼具備抗突發(fā)噪聲能力，無需級(jí)聯(lián)新的碼字，實(shí)現(xiàn)更為簡單。

3與IESS標(biāo)準(zhǔn)比較

在IESS標(biāo)準(zhǔn)中[9]，糾錯(cuò)碼主要采用卷積碼、RS碼或者二者結(jié)合的級(jí)聯(lián)碼方案。卷積碼主要有1/2和3/4等碼率，RS碼有（219，210）、（219，201）等碼型。當(dāng)二者級(jí)聯(lián)時(shí)，外碼采用RS碼以應(yīng)對(duì)突發(fā)誤碼，內(nèi)碼采用卷積碼以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，通過二者的級(jí)聯(lián)，提高糾錯(cuò)性能。該級(jí)聯(lián)碼由于原理與方法與CCSDS標(biāo)準(zhǔn)基本相同，所以整體性能基本一樣。但是，相對(duì)于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)碼方案，IESS標(biāo)準(zhǔn)的整體糾錯(cuò)性能仍有一定差距，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：首先，IESS標(biāo)準(zhǔn)中采用的級(jí)聯(lián)碼雖然性能出色，已在衛(wèi)星通信中廣泛使用。但與CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的LDPC碼相比，在編碼增益，帶寬利用率，抗突發(fā)噪聲等方面仍有較大的差距。級(jí)聯(lián)碼和CCSDS標(biāo)準(zhǔn)碼長8192，碼率2/3的性能曲線，如圖4所示?？芍谕葞挆l件下，該CCSDS標(biāo)準(zhǔn)碼字相對(duì)級(jí)聯(lián)碼有效信息傳輸能力可提高45%，在相同傳輸速率條件下，可獲得0.4dB左右的編碼增益。特別是在低信噪比傳輸時(shí)，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)具有更大的優(yōu)勢，更適用于對(duì)傳輸性能要求極高的對(duì)地高分辨率遙感觀測和深空探測等航天業(yè)務(wù)。其次，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中LDPC碼由于校驗(yàn)矩陣的特殊結(jié)構(gòu)，極具高速譯碼潛力，非常適合于未來高速星間通信和星地?cái)?shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

4結(jié)束語

在深入研究CCSDS標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)碼技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)和糾錯(cuò)性能的基礎(chǔ)上，通過與DVB-S2系統(tǒng)和IESS標(biāo)準(zhǔn)信道編碼方案的比較分析，充分證明了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)碼方案在碼字結(jié)構(gòu)、糾錯(cuò)性能和硬件實(shí)現(xiàn)等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠更好的適應(yīng)未來我國航天應(yīng)用的需求。

作者：雷光雄王賽宇單位：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所