民用航空衛星通信系統中的信道編碼技術研究

楊凡

摘 要：民用航空衛星通信系統以衛星為中繼站，使用機載設備將機上語音及數據信息轉發到地面航空網絡。民用航空一般使用銥星系統和海事衛星系統傳輸語音及數據信息。隨著民用航空的發展，衛星通信不僅用于前艙安全通信，后艙的非安全通信也依賴衛星通信。在衛星通信中，受到自由空間損耗、噪聲、多徑、多普勒頻移等影響，信號會出現較大的畸變，在功率受限的情況下，需要采用較強糾錯能力的信道編碼方法來信號降低誤碼率。該文主要介紹了適用于民航衛星通信系統的信道編碼方案，并給出了衛星通信信道下的誤碼率性能。

關鍵詞：衛星通信 信道編碼

中圖分類號：V271 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0023-02

隨著國內民用航空系統的發展，衛星通信成為其不可缺少的一部分，中國民航局在《航空承運人運行中心（AOC）政策與標準》中規定，衛星通信是無線電語音通信的主要通信方式。衛星通信在世界上絕大多數地區內可用于空中交通服務（ATS）、航務管理、航空公司行政管理通信和航空旅客通信等。民用航空衛星通信系統以衛星為中繼站，將機上語音及數據信息轉發到地面航空網絡。民用航空一般使用銥星系統和海事衛星系統傳輸語音及數據信息。由于衛星運行軌道距離地面幾百、幾千、甚至上萬公里，因此覆蓋范圍遠大于一般的微波通信系統。在衛星通信中，受到自由空間損耗、噪聲、多徑、多普勒頻移等影響，信號會出現較大的畸變，在功率受限的情況下，需要采用較強糾錯能力的信道編碼方法來實現，將信號誤碼率降低。

1 現狀

銥星系統為低軌衛星系統，衛星運行軌道高度為733米到785米，66顆衛星組成星座，覆蓋了地區包括南北兩極的全部區域，可支持的數據速率為4.8kbps（語音）和2.4kbps（數據），傳輸時延大于2.6ms。使用碼率r=3/4，約束長度為7的卷積碼作為前向糾錯碼。銥星系統軌道高度低，路徑衰減小，傳輸時延短，便于減小衛星和終端的體積，成本低。

海事衛星系統是一種高軌衛星系統，也是一種地球同步軌道衛星，衛星軌道高度大約為35700km。海事衛星系統使用卷積碼編碼，維特比譯碼。

早期的民航衛星通信系統主要用于前艙語音通信，保證前艙及時地與地面建立通信。隨著民用航空的發展，人們對于后艙使用衛星通信業務的要求也越來越迫切，而后艙通信的關鍵是大量數據同時傳輸，卷積碼的糾錯性能已經不能滿足新一代的衛星通信系統。對于要求越來越高的衛星通信系統，高的傳信率和低的誤碼率成為了衡量系統好壞的一個標準。新興的Turbo碼和LDPC碼是衛星通信系統中較為理想的信道編碼方法。

2 數字衛星通信系統

數字衛星通信系統模型如圖1所示，u是信道編碼器的輸入，對u加入冗余校驗位，按照某些編碼規則編碼后，編碼器輸出。衛星信道充足的帶寬允許系統以較低的碼速率傳輸數據，數據之間的符號干擾可以忽略，信道引入的加性噪聲和干擾可以用高斯白噪聲來模擬，并且這種噪聲在符號之間是相互獨立的。所以衛星信道基本上是加性高斯白噪聲信道（AWGN）。

3 Turbo碼

最初的Turbo碼是由Berrou提出，編碼結構中將兩個系統遞歸卷積碼（RSC碼）通過交織器并行連接，一個信息比特產生兩個對應的校驗位信息，這兩個RSC嗎的編碼器結構相同。它的譯碼采用迭代譯碼方案，兩個分量碼輪流調用軟輸入軟輸出（SISO）譯碼器，進行迭代譯碼。Berrou和Glavieux經過大量實驗驗證，采用隨機交織器的Turbo碼，信息序列長度為65535比特，通過18次迭代譯碼，在信噪比Eb/N0為0.7dB時，碼率1/2的Turbo碼能達到AWGN信道上誤比特率（BER）小于等于10-5，從而證明Turbo碼是一種逼近容量限的碼。

Turbo碼編碼通過一個交織器將兩個分量碼編碼器并行級聯。交織器將信息比特重新置位，使得相同信息序列內的輸入比特按照不同的方式排序。

假設信息位位數為k=1，定義輸入信息序列長度為N，信息序列為，其中。輸入信息一方面輸入分量碼1的編碼器進行卷積編碼，同時輸入信息進入交織器交織后，產生相同長度但比特位信息不同的序列。然后將輸入到分量碼2的進行編碼，從而得到了和這兩個不同的校驗序列。假設分量編碼器1采用碼率1/2系統遞歸卷積碼（RSC碼），同時分量編碼器2也采用這種分量碼，那么在不使用刪余技術時整個Turbo編碼器的碼率就是1/3。整體碼字由系統比特序列和校驗比特序列和構成。這就是說時間i的編碼輸出為，其中。

為了提高Turbo碼的效率，減少校驗位，我們可以使用高碼率的分量碼，還可以對兩個校驗序列進行有規律的刪余，接收端再將接受到的比特序列與信息序列復用起來，復用后的傳輸序列會輸入到數據調制器。舉例如下，為了將Turbo碼的碼率提升至1/2，可以按照如下的刪余矩陣對兩個校驗序列進行刪余

其中矩陣P第t行的0，表示將刪掉校驗位中的第t比特校驗信息。那么如上所示的P矩陣表示刪去校驗序列中的偶數比特信息和中的奇數比特信息。要獲得更高碼率的Turbo碼，可以參考文獻[3]，獲得更多的刪余Turbo碼性能分析和刪余矩陣。經過刪余后，在i時刻Turbo碼編碼器的輸出為，其中由和交替組成。

Turbo碼采用分量碼迭代譯碼，將兩個分量譯碼器dec1和dec2串行連接進行譯碼，其中分量譯碼器的輸入輸出均為軟信息，而且譯碼過程中對應的交織器與編碼中所使用的交織器類型相同。第一個譯碼器dec1對分量碼1進行MAP譯碼，然后輸出關于信息序列中每一比特的后驗概率值，并從這個后驗概率信息中分離出外信息，通過交織器后，輸入到dec2；第二個譯碼器dec2將dec1輸出的外信息作為dec1的先驗信息，對分量碼2進行MAP譯碼，輸出針對交織后信息序列中的每一比特后驗概率值，最后從這個后驗概率值中分離出外信息值，對其解交織后輸入dec1，進行下一次譯碼。經過這樣的多次迭代，從dec1或dec2輸出的外信息數值會趨于穩定，后驗概率比將逼近于最大似然譯碼，即以迭代譯碼的局部最優解來近似得到最大似然譯碼的全局最優譯碼結果。

4 LDPC碼

R.G.Gallager提出的LDPC（低密度校驗碼）采用隨機方法構造校驗矩陣，在迭代譯碼算法下，LDPC碼也能逼近信道容量。

根據雙向遞歸快速編碼算法設計實現LDPC碼的編碼器。準循環雙對角LDPC碼，它同時具有準循環和雙對角兩種結構特性。作為一種準循環LDPC碼，它的校驗矩陣由多個大小相等的子矩陣構成，每個子矩陣為全零方陣或單位陣向右循環移位的置換矩陣。

LDPC碼可采用多種方式譯碼，即大數邏輯譯碼（MLG），比特翻轉（BF）譯碼，加權的比特翻轉譯碼，后驗概率（APP）譯碼，以及和積算法譯碼。和積算法在這五種譯碼算法中顯示出最好的誤碼率性能，它的譯碼算法是基于置信度傳播的迭代譯碼。類似于Turbo碼的迭代譯碼過程，下一次迭代的輸入是上一次譯碼輸出時計算出的碼符號可靠度量度。譯碼過程會迭代進行，直到滿足算法中要求的停止條件。最后，根據計算出的碼符號的可靠度量度，做出硬判決。

LDPC碼在各種信道條件下，都比相同的目前已知的編碼方式有更好的性能。對于長碼，LDPC碼的性能要超過Turbo碼。

5 性能仿真

我們在AWGN信道上的信息傳輸模型為：

其中，服從高斯分布N（0，1），是與編碼序列對的調制信息。若采用BPSK調制，則信道上傳輸的離散發送符號為

通過信道的傳輸、接收端相干解調，那接收機的匹配濾波器在i時刻的輸出采樣值為。

給出信息序列長度120，1/3和1/2碼率的Turbo碼短幀長仿真結果，見圖4。采用分量碼為（1，15/13）系統遞歸卷積碼，分量碼的結尾處理方式為截斷和歸零。調制方式為BPSK，信道為AWGN信道，譯碼算法為Log-Map算法，迭代8次。本文的交織器采用QPP交織器。

同時，圖2給出了（1280，2560）碼長的LDPC碼性能仿真，其中包含兩個LDPC碼（分塊數分別為8×16和16×32）。采用歸一化最小和譯碼，其中歸一化修正因子α取值為0.75，信道模型為AWGN信道，調制方式為BPSK調制，無量化迭代50次，每個點均統計800個錯誤幀。

6 結語

Turbo碼近似于隨機碼，有較強的糾突發錯誤的能力，因此，被認為是應用于衛星ATM網絡較理想的信道編碼方式。而對于長碼，與LDPC碼對此，Turbo碼存在錯誤平層，所以長碼傾向于LDPC碼，以提高系統性能。

參考文獻

[1] 王新梅，肖國鎮.糾錯碼-原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

[2] ARINC CHARACTERISTIC 781-4，MARK 3 AVIATION SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM. May 19， 2010.

[3] Acikel. O. and F. Ryan， W.E. “Punctured turbo-codes for BPSK/QPSK channels，” IEEE Transactions on Communications，1999，44（9）：1315-23.