CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的信道碼研究

康欣

摘要：隨著各國(guó)對(duì)外層空間資源的探索、開(kāi)發(fā)和利用，空間通信系統(tǒng)及其互聯(lián)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多的重視?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)（CCSDS）為遙測(cè)、遙控和高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）制定了一系列建議標(biāo)準(zhǔn)。本文將分析該標(biāo)準(zhǔn)中的各類(lèi)信道碼技術(shù)，對(duì)其性能進(jìn)行探討，為以后該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)；卷積碼；RS碼；Turbo碼；級(jí)聯(lián)碼

一、 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)概述

美國(guó)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員（CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)代航天測(cè)控、通信標(biāo)準(zhǔn)的最新成就，為航天大國(guó)所公認(rèn)，在國(guó)際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)際相互支援與空間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分層動(dòng)態(tài)調(diào)控為特色，建立了針對(duì)常規(guī)在軌系統(tǒng)（COS），高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，為有人空間站、無(wú)人空間平臺(tái)及空間運(yùn)輸系統(tǒng)提供支撐服務(wù)，它是航天測(cè)控與通信進(jìn)入國(guó)際合作時(shí)代的產(chǎn)物，也是航天測(cè)控與通信技術(shù)發(fā)展的必然。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建立了CCSDS版本包、空間信道編碼、虛擬信道概念，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)流思想，實(shí)現(xiàn)了航天測(cè)控、通信數(shù)據(jù)的綜合傳輸與交換，將大大簡(jiǎn)化空地設(shè)備與任務(wù)保障系統(tǒng)，為航天任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)控與國(guó)際合作奠定基礎(chǔ).。

除了能適應(yīng)IRIG、ESA的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)盡量沿用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）及國(guó)際電話電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)（CCITT）的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)具有更廣泛、先進(jìn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。目前的CCSDS標(biāo)準(zhǔn)仍然處于繼續(xù)開(kāi)發(fā)與完善的過(guò)程中，它將支持空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸與交換將走向更高的速率、更高的頻段、更有效的調(diào)制體制、更寬的業(yè)務(wù)面。它將逐步超越航天業(yè)務(wù)的范疇而參與未來(lái)的全球高速信息網(wǎng)。因此，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)將不僅僅是航天測(cè)控與通信的天基網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它也是天基ISDN標(biāo)準(zhǔn)，并與地基ISDN標(biāo)準(zhǔn)一起形成21世紀(jì)的全球ISDN標(biāo)準(zhǔn)。

二、深空通信信道碼研究的意義

（一）CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的軍事應(yīng)用情況

CCSDS建議書(shū)最初是為民用目的開(kāi)發(fā)的"但由于其良好的性能，效益和適應(yīng)性。近年來(lái)，CCSDS建議書(shū)越來(lái)越引起軍方的重視。同時(shí)將CCSDS標(biāo)準(zhǔn)用于軍用目的并不需要做更多的工作，也不會(huì)由其本身帶來(lái)特別的問(wèn)題。研究軍用航天器實(shí)施CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的途徑及可行性，對(duì)提高軍用航天器的效能和效益，促進(jìn)軍用航天技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

（二） CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中信道碼研究的意義

深空通信信道有以下特點(diǎn)：第一，深空通信信道與無(wú)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(nóng)噪聲信道編碼理論基礎(chǔ)信道，所以在這個(gè)信道上進(jìn)行的理論研究和仿真研究基本上可以直接應(yīng)用于實(shí)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(jìn)制的調(diào)制方案；第三，由于傳輸距離非常遠(yuǎn)，信號(hào)能量衰減嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，通信距離到達(dá)月球時(shí)，距離損失比 GEO的距離損失增加 21.03dB；到達(dá)火星的時(shí)候，距離損失比 GEO 的距離損失增加 89.04dB。如此巨大的信號(hào)衰減，需要用各種措施來(lái)彌補(bǔ)，其中就包括高增益、低編碼效率的編碼和復(fù)雜的譯碼技術(shù)，這導(dǎo)致傳輸速率很低。由于具有以上特點(diǎn)，可以說(shuō)，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(duì)較寬”。

在這種功率受限信道上實(shí)現(xiàn)可靠通信，需要采用高增益的信道編碼技術(shù)，為此CCSDS建立了包括卷積碼，RS碼，級(jí)聯(lián)碼，TURBO碼以及LDPC碼[1][2][3][4]的信道碼標(biāo)準(zhǔn)。

三、CCSDS各種信道碼介紹

（一）卷積碼

CCSDS標(biāo)準(zhǔn)推薦采用約束長(zhǎng)度為7，編碼效率為1/2的卷積碼，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)中只給出了所推薦RS碼的各參數(shù)，并沒(méi)有詳細(xì)解釋其中的原因，這些規(guī)定多數(shù)都源于NASA早期對(duì)RS碼在空間通信應(yīng)用的研究。由于RS碼編譯碼器中有限域乘法器為主要運(yùn)算單元，其數(shù)量和性能決定了譯碼器的面積和運(yùn)算速。因此，在20世紀(jì)90年代研究RS碼的空間應(yīng)用和制定CCSDS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主要的關(guān)注點(diǎn)是如何降低乘法器的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。CCSDS建議中的RS為（255，223）線性分組碼，信息碼由223個(gè)碼符號(hào)組成，監(jiān)督碼由32個(gè)碼符號(hào)組成，每一個(gè)碼符號(hào)是8比特的二進(jìn)制碼。

（三）Turbo碼

CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的Turbo碼編碼器的第1個(gè)分量碼編碼器（a）對(duì)沒(méi)有改變順序的數(shù)據(jù)編碼，而第2個(gè)分量碼編碼器（b）接收經(jīng)過(guò)交織器置換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)中推薦TURBO譯碼采用 log-APP算法。

（四）LDPC

LDPC是一種性能非常優(yōu)異的信道碼，其相比于Turbo碼具有無(wú)理論誤碼平層，以及易于實(shí)現(xiàn)高速并行譯碼。CCSDS中也專(zhuān)門(mén)定義了近地和深空通信的兩種LDPC碼。

四、總結(jié)

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(huán)境下應(yīng)用，在我國(guó)深空測(cè)控通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，將為后續(xù)工作的開(kāi)展作了良好的鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

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.