CCSDS標準的信道碼研究

康欣

摘要：隨著各國對外層空間資源的探索、開發和利用，空間通信系統及其互聯技術的研究和開發受到越來越多的重視?？臻g數據系統咨詢委員會（CCSDS）為遙測、遙控和高級在軌系統（AOS）制定了一系列建議標準。本文將分析該標準中的各類信道碼技術，對其性能進行探討，為以后該標準的應用提供參考。

關鍵詞：空間數據系統咨詢委員會；卷積碼；RS碼；Turbo碼；級聯碼

一、 CCSDS標準概述

美國空間數據系統咨詢委員（CCSDS）標準是當代航天測控、通信標準的最新成就，為航天大國所公認，在國際上已經廣泛應用的通信標準。該標準以國際相互支援與空間數據實時分層動態調控為特色，建立了針對常規在軌系統（COS），高級在軌系統（AOS）的數據通信標準，為有人空間站、無人空間平臺及空間運輸系統提供支撐服務，它是航天測控與通信進入國際合作時代的產物，也是航天測控與通信技術發展的必然。CCSDS標準建立了CCSDS版本包、空間信道編碼、虛擬信道概念，采用統一數據流思想，實現了航天測控、通信數據的綜合傳輸與交換，將大大簡化空地設備與任務保障系統，為航天任務的動態調控與國際合作奠定基礎.。

除了能適應IRIG、ESA的有關標準外，CCSDS標準盡量沿用了國際標準化組織（ISO）及國際電話電報咨詢委員會（CCITT）的有關標準，因此 CCSDS標準具有更廣泛、先進的國際標準基礎。目前的CCSDS標準仍然處于繼續開發與完善的過程中，它將支持空間數據結構傳輸與交換將走向更高的速率、更高的頻段、更有效的調制體制、更寬的業務面。它將逐步超越航天業務的范疇而參與未來的全球高速信息網。因此，CCSDS標準將不僅僅是航天測控與通信的天基網標準，它也是天基ISDN標準，并與地基ISDN標準一起形成21世紀的全球ISDN標準。

二、深空通信信道碼研究的意義

（一）CCSDS標準的軍事應用情況

CCSDS建議書最初是為民用目的開發的"但由于其良好的性能，效益和適應性。近年來，CCSDS建議書越來越引起軍方的重視。同時將CCSDS標準用于軍用目的并不需要做更多的工作，也不會由其本身帶來特別的問題。研究軍用航天器實施CCSDS標準的途徑及可行性，對提高軍用航天器的效能和效益，促進軍用航天技術的發展具有重要的意義。

（二） CCSDS標準中信道碼研究的意義

深空通信信道有以下特點：第一，深空通信信道與無記憶的高斯信道（AWGN）非常相似，而這種信道正是 Shannon 編碼理論的信道模型，這恰好是香農噪聲信道編碼理論基礎信道，所以在這個信道上進行的理論研究和仿真研究基本上可以直接應用于實際；第二，深空通信信道的頻帶帶寬很豐富，允許使用低頻帶利用率的編碼和二進制的調制方案；第三，由于傳輸距離非常遠，信號能量衰減嚴重，根據相關數據計算，通信距離到達月球時，距離損失比 GEO的距離損失增加 21.03dB；到達火星的時候，距離損失比 GEO 的距離損失增加 89.04dB。如此巨大的信號衰減，需要用各種措施來彌補，其中就包括高增益、低編碼效率的編碼和復雜的譯碼技術，這導致傳輸速率很低。由于具有以上特點，可以說，從信道編碼的角度看深空信道是一種很理想的信道。因此，深空通信的信道特征是“接收信噪比很低，而可用的信道帶寬相對較寬”。

在這種功率受限信道上實現可靠通信，需要采用高增益的信道編碼技術，為此CCSDS建立了包括卷積碼，RS碼，級聯碼，TURBO碼以及LDPC碼[1][2][3][4]的信道碼標準。

三、CCSDS各種信道碼介紹

（一）卷積碼

CCSDS標準推薦采用約束長度為7，編碼效率為1/2的卷積碼，通過打孔抽取可以得到2/3，3/4，5/6，7/8四種碼率。

（二） RS碼

CCSDS標準中只給出了所推薦RS碼的各參數，并沒有詳細解釋其中的原因，這些規定多數都源于NASA早期對RS碼在空間通信應用的研究。由于RS碼編譯碼器中有限域乘法器為主要運算單元，其數量和性能決定了譯碼器的面積和運算速。因此，在20世紀90年代研究RS碼的空間應用和制定CCSDS標準時，主要的關注點是如何降低乘法器的實現復雜度。CCSDS建議中的RS為（255，223）線性分組碼，信息碼由223個碼符號組成，監督碼由32個碼符號組成，每一個碼符號是8比特的二進制碼。

（三）Turbo碼

CCSDS標準中的Turbo碼編碼器的第1個分量碼編碼器（a）對沒有改變順序的數據編碼，而第2個分量碼編碼器（b）接收經過交織器置換后的數據進行編碼，通過刪余和選擇輸出Turbo碼編碼器可以有r=1/2，1/3，1/4或者1/6共4種碼率供選擇。標準中推薦TURBO譯碼采用 log-APP算法。

（四）LDPC

LDPC是一種性能非常優異的信道碼，其相比于Turbo碼具有無理論誤碼平層，以及易于實現高速并行譯碼。CCSDS中也專門定義了近地和深空通信的兩種LDPC碼。

四、總結

本文介紹了CCSDS推薦的各種信道碼，適合于適合在深空通信的環境下應用，在我國深空測控通信系統中具有廣闊的應用前景，將為后續工作的開展作了良好的鋪墊。

參考文獻：

Low Density Parity Check Codes for Use in Near-Earth and Deep Space Applications. Research and Development for Space Data System Standards [S]. CCSDS 131.1-O-1. Orange Book. Issue 1. Washington， DC， USA. CCSDS. August 2006.

TM synchronization and channel coding-summary of concept and rationale [S]. CCSDS 131.1-G-1. Green Book. Washington， DC， USA. CCSDS. June 2006.