CCSDS建议的纠错码技术研究范文

《计算机与网络杂志》2015年第二期

1CCSDS信道编码

信道编码是CCSDS标准中的一个重要协议，信道编码方案的优劣也直接关系到数据传输的效率和性能。CCSDS标准从诞生至今，制订了一系列信道编码标准，先后有BCH码、RS码、卷积码、Turbo码和LDPC码[4]，这里主要研究广泛应用具有极强代表性的级联码和LDPC码。

1.1级联码为了克服早期单一纠错码性能有限的弱点，CCSDS标准提出了将卷积码和RS码级联使用的方案，在基本不降低编码效率的前提下，极大地改善了信道性能，提高了数据传输的可靠性，成为半个世纪以来纠错码领域发展的经典之作，至今仍然由于其出色的纠错性能和简单的实现方案被广泛使用。为了得到较好的编码增益，在级联码的设计过程中，充分考虑了天地传输信道的特点，分别研究了突发错误和随机错误的应对措施。外码采用RS（255，223）码，主要针对突发错误，内码采用（2，1，7）卷积码，主要纠随机错误。为了进一步减小突发连续误码对性能的影响，级联的过程中还引入了交织。通过交织和解交织，将连续突发误码分散，使信道恶化状况不至于超出RS码的译码门限。经过上述级联处理，有效的克服了星地信道噪声的干扰，极大的提高了编码增益，在误码率为1×10-7时编码增益接近9dB。级联码的另一个优点是理论成熟，实现简单，性能可靠。RS码和卷积码投入使用已经数十年，经过不断地改进和优化，不仅充分发挥了潜在的性能，而且极大的简化了实现方案，这一特点非常有利于在体积、重量、功耗受限和可靠性要求极高的宇航飞行器中实现。

1.2LDPC码LDPC（低密度奇偶校验）码是Gallager于1962年提出的一种性能接近于香农限的好码[5]，限于当时计算机水平和硬件技术，LDPC码在很长一段时间内一直未受到人们重视，直到Berrou等人提出Turbo码后，LDPC码才重新引起人们的研究兴趣并成为研究的热点。研究结果显示，对于二元输入的AWGN信道，码率为1/2的非规则LDPC码可以具有距容量不到0.06dB的门限[6]。鉴于LDPC码的优异性能，CCSDS标准也提出了自己的LDPC码方案[7]。CCSDS标准的LDPC码方案由多个码字组成，码率从1/2到4/5，码长从1280到32768。CCSDS标准LDPC码具有以下优点：①CCSDS标准LDPC码性能优异，编码效率高。CCSDS标准最高码率达4/5，当码长为32768时，在误码率为1E-7时，仅为2.9dB；②CCSDS标准的LDPC码形成了一个完整的系列。码率从1/2到4/5,码长从1280到32768，各种码字编码增益差距相对均匀，便于与不同的调制方式配合，完全可以满足不同信道情况下各种航天应用的需求；③码字结构合理，便于实现。CCSDS标准码字采用数学方法构造，具有准循环结构，便于硬件实现，不同码字之间结构相似，便于自适应编译码，符合未来发展需求。

2与DVB-S2标准比较

DVB-S2标准中LDPC码分长码和短码2种[8]，长码码长为64800，码率有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种，短码码长为16200，码率有1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9一共10种，长码与短码性能相差不大。虽然DVB-S2标准LDPC码性能优异，码率齐全，但是CCSDS标准LDPC码与之相比，在航天应用中仍然具有自身独特的优点。首先，在航天应用中，由于特殊应用环境导致特定的格式要求，以及设备用量少等原因，编译码一般无法使用商业芯片，需用FPGA实现。相对于CCSDS标准，DVB-S2标准码字长度过长，结构相对复杂，而纠错性能却提高不多，FPGA硬件实现难度较大。码长8176，码率7/8的CCSDS码字和码长16200，码率8/9的DVB-S2标准码字性能对比如图2所示，二者编码效率基本一致，性能基本一致，码长却几乎相差一倍。因此，CCSDS标准码字实现更为简便。其次，DVB-S2低码率码字虽然性能很好，但要达到理想性能需要较多迭代次数，迭代次数少时，性能下降很快，反而不如CCSDS标准高码率码字。DVB-S2短帧1/4码率译码迭代15次相比迭代50次性能恶化了将近2dB，如图3所示。另一方面，要想获得理想性能，必须加大迭代次数，增大了译码延迟，实时性不是很理想，也导致传输效率过低，造成有限频谱资源的浪费。最后，DVB-S2系统纠错码方案的优异性能是依靠LDPC和BCH级联实现的，DVB-S2系统的LDPC码是双对角线矩阵结构，有一定性能缺陷，抗突发错误性能较差，所以还需要级联BCH码。而CCSDS标准LDPC码具备抗突发噪声能力，无需级联新的码字，实现更为简单。

3与IESS标准比较

在IESS标准中[9]，纠错码主要采用卷积码、RS码或者二者结合的级联码方案。卷积码主要有1/2和3/4等码率，RS码有（219，210）、（219，201）等码型。当二者级联时，外码采用RS码以应对突发误码，内码采用卷积码以纠正随机错误，通过二者的级联，提高纠错性能。该级联码由于原理与方法与CCSDS标准基本相同，所以整体性能基本一样。但是，相对于CCSDS标准纠错码方案，IESS标准的整体纠错性能仍有一定差距，主要体现在2个方面：首先，IESS标准中采用的级联码虽然性能出色，已在卫星通信中广泛使用。但与CCSDS标准中的LDPC码相比，在编码增益，带宽利用率，抗突发噪声等方面仍有较大的差距。级联码和CCSDS标准码长8192，码率2/3的性能曲线，如图4所示。可知，在同等带宽条件下，该CCSDS标准码字相对级联码有效信息传输能力可提高45%，在相同传输速率条件下，可获得0.4dB左右的编码增益。特别是在低信噪比传输时，CCSDS标准具有更大的优势，更适用于对传输性能要求极高的对地高分辨率遥感观测和深空探测等航天业务。其次，CCSDS标准中LDPC码由于校验矩阵的特殊结构，极具高速译码潜力，非常适合于未来高速星间通信和星地数据传输业务。

4结束语

在深入研究CCSDS标准纠错码技术的体系结构和纠错性能的基础上，通过与DVB-S2系统和IESS标准信道编码方案的比较分析，充分证明了CCSDS标准纠错码方案在码字结构、纠错性能和硬件实现等方面的独特优势，能够更好的适应未来我国航天应用的需求。

作者：雷光雄王赛宇单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所