基于CCSDS建議的糾錯碼技術研究

雷光雄 王賽宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

基于CCSDS建議的糾錯碼技術研究

雷光雄 王賽宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

CCSDS標準的信道編碼技術包括級聯碼和低密度奇偶校驗碼2種。論文首先介紹了級聯碼的基本原理和性能，然后深入研究了低密度奇偶校驗碼的體系結構和糾錯性能，最后比較了CCSDS標準與DVB-S2標準、IESS標準信道編碼技術在航天系統中的優勢。相比于DVB-S2標準，CCSDS標準LDPC碼的FPGA實現更加簡單和靈活，相比于IESS標準級聯碼，CCSDS標準LDPC碼擁有更高的編碼增益和更高的編碼效率。

CCSDS 糾錯碼 LDPC碼 級聯碼

1 引言

空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）是1982年1月由美國國家航空航天局、歐洲空間局和許多其他國家的空間組織管理部門共同倡導成立的國際協調機構[1]。

CCSDS的主要任務是負責開發和采納適用于航天通信和數據處理系統的各種通信協議和數據處理規范，以適應航天器復雜化的發展趨勢，使未來的空間任務能以標準化的方式進行數據交換與處理，促進國際間的相互交流、支持與合作。十多年來，CCSDS推出的一系列技術建議書，一部分已經成為正式的國際標準被廣泛使用，CCSDS標準不僅為實現開放互連的國際空間數據系統奠定了技術基礎，而且反映了世界空間數據系統的最新技術發展動態。由于種種原因，CCSDS標準在我國航天測控通信領域，還未被全面和系統采用，如何在我國實施CCSDS標準的問題，已經擺在面前。文章將以CCSDS標準總體結構為背景，詳細研究CCSDS糾錯編碼技術。

2 CCSDS協議總體架構

CCSDS組織制定的空間數據通信協議是分層的，相比于大多數地面網絡，OSI模型中的會話層與表示層協議極少在空間鏈路中使用。該協議并不完全符合OSI的7層模型，但這里仍然使用類OSI的7層模型來描述[2]。

如圖1所示，CCSDS協議可分為應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。下面對各層作簡要介紹。物理層標準包括無線射頻和調制系統以及Proximity-1兩部分[3]。無線射頻和調制系統對星地之間使用的頻段和調制方式等作出了定義。Proximity-1是個跨層協議，包含物理層和數據鏈路層。數據鏈路層是空間數據系統的核心層，它包括了CCSDS數據鏈路層協議和信道編碼。CCSDS為網絡層制定了2個協議：空間包協議衣SCPS-NP，這些協議用于航天器和地面站之間的數據交互，傳輸層中的空間鏈路協議為用戶提供端對端的傳輸服務。CCSDS制定了3個應用層協議：無損數據壓縮、無損圖像壓縮和SCPS-FP。

圖1 CCSDS空間鏈路協議

3 CCSDS信道編碼

信道編碼是CCSDS標準中的一個重要協議，信道編碼方案的優劣也直接關系到數據傳輸的效率和性能。CCSDS標準從誕生至今，制訂了一系列信道編碼標準，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用具有極強代表性的級聯碼和LDPC碼。

3.1級聯碼

為了克服早期單一糾錯碼性能有限的弱點，CCSDS標準提出了將卷積碼和RS碼級聯使用的方案，在基本不降低編碼效率的前提下，極大地改善了信道性能，提高了數據傳輸的可靠性，成為半個世紀以來糾錯碼領域發展的經典之作，至今仍然由于其出色的糾錯性能和簡單的實現方案被廣泛使用。

為了得到較好的編碼增益，在級聯碼的設計過程中，充分考慮了天地傳輸信道的特點，分別研究了突發錯誤和隨機錯誤的應對措施。外碼采用RS（255，223）碼，主要針對突發錯誤，內碼采用（2，1，7）卷積碼，主要糾隨機錯誤。為了進一步減小突發連續誤碼對性能的影響，級聯的過程中還引入了交織。通過交織和解交織，將連續突發誤碼分散，使信道惡化狀況不至于超出RS碼的譯碼門限。經過上述級聯處理，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時編碼增益接近9 dB。

級聯碼的另一個優點是理論成熟，實現簡單，性能可靠。RS碼和卷積碼投入使用已經數十年，經過不斷地改進和優化，不僅充分發揮了潛在的性能，而且極大的簡化了實現方案，這一特點非常有利于在體積、重量、功耗受限和可靠性要求極高的宇航飛行器中實現。

3.2 LDPC碼

LDPC（低密度奇偶校驗）碼是Gallager于1962年提出的一種性能接近于香農限的好碼[5]，限于當時計算機水平和硬件技術，LDPC碼在很長一段時間內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。研究結果顯示，對于二元輸入的AWGN信道，碼率為1/2的非規則LDPC碼可以具有距容量不到0.06 dB的門限[6]。

鑒于LDPC碼的優異性能，CCSDS標準也提出了自己的LDPC碼方案[7]。CCSDS標準的LDPC碼方案由多個碼字組成，碼率從1/2到4/5，碼長從1 280到32 768。CCSDS標準LDPC碼具有以下優點：

①CCSDS標準LDPC碼性能優異，編碼效率高。CCSDS標準最高碼率達4/5，當碼長為32 768時，在誤碼率為1E-7時，僅為2.9 dB；

于CCSDS標準的LDPC碼形成了一個完整的系列。碼率從1/2到4/5,碼長從1 280到32 768，各種碼字編碼增益差距相對均勻，便于與不同的調制方式配合，完全可以滿足不同信道情況下各種航天應用的需求；

③碼字結構合理，便于實現。CCSDS標準碼字采用數學方法構造，具有準循環結構，便于硬件實現，不同碼字之間結構相似，便于自適應編譯碼，符合未來發展需求。

4 與DVB-S2標準比較

DVB-S2標準中LDPC碼分長碼和短碼2種[8]，長碼碼長為64 800，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16 200，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標準LDPC碼性能優異，碼率齊全，但是CCSDS標準LDPC碼與之相比，在航天應用中仍然具有自身獨特的優點。首先，在航天應用中，由于特殊應用環境導致特定的格式要求，以及設備用量少等原因，編譯碼一般無法使用商業芯片，需用FPGA實現。相對于CCSDS標準，DVB-S2標準碼字長度過長，結構相對復雜，而糾錯性能卻提高不多，FPGA硬件實現難度較大。碼長8 176，碼率7/8的CCSDS碼字和碼長16 200，碼率8/9的DVB-S2標準碼字性能對比如圖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標準碼字實現更為簡便。

圖2 DVB-S2-8/9碼字和CCSDS-7/8碼字性能對比

其次，DVB-S2低碼率碼字雖然性能很好，但要達到理想性能需要較多迭代次數，迭代次數少時，性能下降很快，反而不如CCSDS標準高碼率碼字。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2 dB，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，增大了譯碼延遲，實時性不是很理想，也導致傳輸效率過低，造成有限頻譜資源的浪費。

圖3 DVB-S2短幀1/4碼率不同迭代次數性能對比

最后，DVB-S2系統糾錯碼方案的優異性能是依靠LDPC和BCH級聯實現的，DVB-S2系統的LDPC碼是雙對角線矩陣結構，有一定性能缺陷，抗突發錯誤性能較差，所以還需要級聯BCH碼。而CCSDS標準LDPC碼具備抗突發噪聲能力，無需級聯新的碼字，實現更為簡單。

5 與IESS標準比較

在IESS標準中[9]，糾錯碼主要采用卷積碼、RS碼或者二者結合的級聯碼方案。卷積碼主要有1/2和3/4等碼率，RS碼有（219，210）、（219，201）等碼型。當二者級聯時，外碼采用RS碼以應對突發誤碼，內碼采用卷積碼以糾正隨機錯誤，通過二者的級聯，提高糾錯性能。該級聯碼由于原理與方法與CCSDS標準基本相同，所以整體性能基本一樣。

但是，相對于CCSDS標準糾錯碼方案，IESS標準的整體糾錯性能仍有一定差距，主要體現在2個方面：首先，IESS標準中采用的級聯碼雖然性能出色，已在衛星通信中廣泛使用。但與CCSDS標準中的LDPC碼相比，在編碼增益，帶寬利用率，抗突發噪聲等方面仍有較大的差距。級聯碼和CCSDS標準碼長8192，碼率2/3的性能曲線，如圖4所示。可知，在同等帶寬條件下，該CCSDS標準碼字相對級聯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0.4 dB左右的編碼增益。特別是在低信噪比傳輸時，CCSDS標準具有更大的優勢，更適用于對傳輸性能要求極高的對地高分辨率遙感觀測和深空探測等航天業務。

圖4 IESS級聯碼和CCSDS-8192-2/3碼字性能對比

其次，CCSDS標準中LDPC碼由于校驗矩陣的特殊結構，極具高速譯碼潛力，非常適合于未來高速星間通信和星地數據傳輸業務。

6 結束語

在深入研究CCSDS標準糾錯碼技術的體系結構和糾錯性能的基礎上，通過與DVB-S2系統和IESS標準信道編碼方案的比較分析，充分證明了CCSDS標準糾錯碼方案在碼字結構、糾錯性能和硬件實現等方面的獨特優勢，能夠更好的適應未來我國航天應用的需求。

[1]于志堅,房鴻瑞.在我國實施CCSDS標準的基本構想[J].遙測遙控,1999,20(6):26-29.

[2]CCSDS 130．0-G-1,Overview Of Spacelink Protocols[S]．

[3]CCSDS 401．0-B,Radio Frequency and Modulation Systems [S]．

[4]CCSDS 131．0-B-1,Tm Synchronization and Channel Coding[S].

[5]GALLAGER R G.Low-Density Parity-Check Codes[D]. Cambridge:Univ.of English,1963.

[6]MACKAY D J C,Neal R M.Near Shannon Limit Performance of Low-Density Parity-Check Codes[J]. Electronics letters,1996,32(18):1645-1646.

[7]CCSDS 131．1-B-2,Low Density Parity Check Codes for Use in Near-Earth And Deep Space Applications[S]．

[8]EN 302 307 V1．1．1,ETSI．Digital Video Broadcasting (DVB)，Second Generation Framing Structure，Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and Other Broadband Satellite Application[S].

[9]IESS-309(Rev．7),Performance Characteristics For Intelsat Business Services(IBS)(standard A，B，C，E，E H and K Earth Stations)[S].

Research on Error Correcting Code Technologies Based on CCSDS Recommendations

LEI Guang-xiong,WANG Sai-yu
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

The channel coding technologies based on CCSDS standard includes concatenated code and low-density parity-check (LDPC)code.Firstly,this paper briefly introduces the basic principle and performance of concatenated code.Then,it deeply studies the architecture and error-correcting performance of LDPC code.Finally,it compares the advantages of CCSDS standard,DVB-S2 standard and IESS standard channel coding technologies in space system.In comparison with DVB-S2 standard,the FPGA implementation of LDPC based on CCSDS standard is easier and flexible.In comparison with concatenated code based on IESS standard,the LDPC code based on CCSDS standard has higher coding gain and efficiency.

CCSDS;error-correcting code;LDPC code;concatenated code

TP911

A

1008-1739（2015）02-63-4

定稿日期：2014-12-26