LDPC-RS級聯碼在地空寬帶數據鏈中的應用

朱良彬，杜 丹，張婉萍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

無人機地空數據鏈屬低仰角地空數據鏈，其信道屬于多徑信道[1-2]，所以在地空數據傳輸過程中不但存在隨機差錯，還存在由多徑衰落等因素引起的突發錯誤[3]；而且隨著鏈路對傳輸容量的需求越來越高，數據鏈系統面臨著帶寬受限的嚴重壓力。為了滿足數據傳輸性能要求，需要找到一種兼顧編碼效率和抗多徑衰落的信道糾錯編碼方式。

無人機地空數據鏈路常采用RS卷積級聯碼和LDPC碼的信道糾錯編碼方式。RS卷積級聯綜合了RS碼糾突發錯誤能力強和卷積碼糾隨機錯誤能力強[4]的優點，具有很強的糾錯效果，但是其編碼效率相對較低；LDPC碼具有較高的編碼效率和譯碼性能，但是抗突發錯誤能力較差[5]。

本文在簡要分析了RS卷積級聯碼和LDPC碼原理的基礎上，提出了一種應用于無人機地空寬帶數據鏈LDPC-RS級聯碼[6-7]加數據交織的糾錯編碼方法，并結合寬帶高速數據傳輸需求，設計實現了一種改進的2幀并行的譯碼器實現方法，為無人機地空寬帶傳輸提供了技術支持。

1 RS卷積級聯碼及LDPC碼分析

1. 1 RS卷積級聯碼

級聯碼由Foreny在1966年提出，它在不增加譯碼復雜度的前提下，可以獲得較高的編碼增益以及和長碼一樣的糾錯能力，通常采用2級級聯的編碼方式，即內碼和外碼[8]。在實際應用系統中，多采用RS碼作為外碼，因為它有很強的糾突發錯誤的能力，而內碼往往采用卷積碼。因為卷積碼中的維特比譯碼性能很好，糾隨機錯誤的能力很強。

當數據傳輸中隨機錯誤較多并伴隨有突發錯誤時，外碼RS碼可以很好地彌補內碼卷積碼的不足，將卷積碼不能糾正的錯誤很容易地糾正過來，因為在卷積碼譯碼之后，錯誤比特通常是成組出現的。在信道質量較差的情況下，相對單獨的分組碼或者分組碼與分組碼的級聯碼，RS卷積級聯碼[9]可以取得很好的糾錯性能，但這是以犧牲編碼效率為代價的。

1. 2 LDPC碼分析

LDPC碼是一種具有稀疏校驗矩陣的(n，k)線性分組碼，具有逼近香農(Shannon)限的優良性質[10]。它具有編碼效率高、譯碼性能好的特點，而且由于其采用基于稀疏矩陣的并行迭代譯碼算法，硬件實現比較容易，更能適應未來通信系統高速數據傳輸和高性能的要求[11-12]。

LDPC碼糾隨機錯誤能力強，但是當信道呈現多徑衰落特性時，多徑衰落引起的突發錯誤會超出其糾錯能力，譯碼性能惡化。

2 LDPC-RS級聯碼方案設計

為了兼顧數據傳輸效率和抗突發錯誤的能力，采用LDPC-RS級聯碼的信道糾錯編碼方式，RS碼作為外碼，LDPC碼作為內碼，在內外碼之間加入數據交織環節。系統組成如圖1所示。

圖1 采用LDPC-RS糾錯編碼的系統組成

由圖1可看出，在接收機譯碼時，內碼LDPC碼糾正大部分隨機錯誤信息，外碼RS碼糾正剩余錯誤信息。

RS碼具有很強的糾突發錯誤能力，但是當由多徑衰落引起的突發錯誤長度超出它的糾錯能力范圍時[13]，譯碼性能將急劇惡化。數據交織模塊可以很好地解決這一問題。交織模塊在內碼與外碼之間，其主要作用是提供時間上的分集。在接收機解交織[14-15]后，信道上的突發錯誤在時間上得以擴散。假設交織時間為TIL，信道相關時間為T0，需滿足：

TIL>T0，

交織才能起到好的效果。

同時，針對寬帶數據處理需求和傳統LDPC碼譯碼器硬件資源利用效率較低的問題，一種2幀數據同時譯碼、譯碼計算單元交替處理2幀不同外信息的并行譯碼器設計方法被提出，該方法下設計的譯碼器接近傳統設計方法的2倍，大大提高了譯碼效率[16-18]。改進后的2幀并行譯碼更新時序圖如圖2所示。

圖2 改進的2幀并行譯碼時序圖

以CCSDS(5120，4096)LDPC碼為例，若整個譯碼器的工作主頻穩定在200 MHz，采用校驗節點12路并行處理，變量節點44路并行處理，迭代次數取20次，對應子矩陣串行128次處理，采用2幀并行譯碼器的譯碼速率應保持在300 Mbps，完全可以滿足無人機地空寬帶數據傳輸需求。

3 LDPC-RS級聯碼性能仿真

多徑Rice信道模型如圖3所示，將無人機信道抽象成由一個視距傳播(Los)成分和多條散射成分組成萊斯(Rice)衰落信道模型進行分析[19]。其中，a*ej2πfDloskTsmol為主徑；cn*hk為第n條副徑分量；a為Los徑幅度；cn為第n條副徑幅度，對應于不同的飛行階段可取不同的實數值；τn為主徑和第n條副徑之間的時延差；fDlos為視距傳播分量的多普勒頻移；Tsmpl為符號周期。

圖3 多徑Rice信道模型

為了驗證文中提出的級聯編碼性能，分別將LDPC-RS級聯碼與RS卷積級聯編碼和LDPC編碼的差錯控制性能進行對比仿真分析。仿真采用典型的山區信道模型。模型參數如表1所示。

表1 信道模型參數

仿真時分別選擇CCSDS標準定義的LDPC(5120，4096)，RS(255，239)，(2，1，7)卷積編碼，在QPSK調制體制下進行，信息速率設定為65. 536 Mbps，多普勒變化范圍：-5～+5 kHz。

3. 1 LDPC-RS與RS卷積級聯碼

LDPC-RS級聯碼與RS卷積級聯碼性能仿真如圖4所示。

圖4 LDPC-RS與RS卷積級聯碼性能仿真

由圖4可以看出，RS卷積級聯碼解調靈敏度為Eb/N0=3. 0 dB時BER≤1×10-5，而LDPC-RS解調靈敏度為Eb/N0=2. 4 dB時BER≤1×10-5，編碼增益相對RS卷積級聯碼提高了約0. 6 dB。

信息經LDPC-RS和RS卷積級聯碼編碼后，占用信道帶寬分別為70 MHz和130 MHz。前者的帶寬利用率提高了約46%。

3. 2 LDPC-RS級聯碼與LDPC碼

LDPC-RS級聯碼與LDPC編碼性能仿真如圖5所示。

圖5 LDPC-RS級聯碼與LDPC碼性能仿真

由圖5可以看出，LDPC碼解調靈敏度為Eb/N0=4. 2 dB時BER≤1×10-5。與它相比，LDPC-RS級聯碼在編碼效率損失不大的前提下，解調靈敏度提高了約1. 8 dB。

4 結束語

針對RS卷積級聯碼和LDPC碼在無人機地空數據鏈中的應用存在的問題，提出了LDPC-RS級聯編碼的設計方案，并將其性能與RS卷積級聯碼和LDPC碼進行了對比仿真分析。結果表明，在無人機地空復雜信道條件下，LDPC-RS級聯碼在保證較高編碼效率的前提下獲得較高的編碼增益。在無人機地空高速數據傳輸系統中具有重大的工程應用價值。

級聯編碼中RS碼以及LDPC碼的碼長以及編碼效率對級聯碼的性能影響很大，如何選擇相關參數使得編碼復雜度最低、性能最優化等問題是需要進一步開展的工作。