基于CCSDS建议的纠错码技术研究

雷光雄 王赛宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081)

基于CCSDS建议的纠错码技术研究

雷光雄 王赛宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081)

CCSDS标准的信道编码技术包括级联码和低密度奇偶校验码2种。论文首先介绍了级联码的基本原理和性能，然后深入研究了低密度奇偶校验码的体系结构和纠错性能，最后比较了CCSDS标准与DVB-S2标准、IESS标准信道编码技术在航天系统中的优势。相比于DVB-S2标准，CCSDS标准LDPC码的FPGA实现更加简单和灵活，相比于IESS标准级联码，CCSDS标准LDPC码拥有更高的编码增益和更高的编码效率。

CCSDS 纠错码 LDPC码 级联码

1 引言

空间数据系统咨询委员会（CCSDS）是1982年1月由美国国家航空航天局、欧洲空间局和许多其他国家的空间组织管理部门共同倡导成立的国际协调机构[1]。

CCSDS的主要任务是负责开发和采纳适用于航天通信和数据处理系统的各种通信协议和数据处理规范，以适应航天器复杂化的发展趋势，使未来的空间任务能以标准化的方式进行数据交换与处理，促进国际间的相互交流、支持与合作。十多年来，CCSDS推出的一系列技术建议书，一部分已经成为正式的国际标准被广泛使用，CCSDS标准不仅为实现开放互连的国际空间数据系统奠定了技术基础，而且反映了世界空间数据系统的最新技术发展动态。由于种种原因，CCSDS标准在我国航天测控通信领域，还未被全面和系统采用，如何在我国实施CCSDS标准的问题，已经摆在面前。文章将以CCSDS标准总体结构为背景，详细研究CCSDS纠错编码技术。

2 CCSDS协议总体架构

CCSDS组织制定的空间数据通信协议是分层的，相比于大多数地面网络，OSI模型中的会话层与表示层协议极少在空间链路中使用。该协议并不完全符合OSI的7层模型，但这里仍然使用类OSI的7层模型来描述[2]。

如图1所示，CCSDS协议可分为应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。下面对各层作简要介绍。物理层标准包括无线射频和调制系统以及Proximity-1两部分[3]。无线射频和调制系统对星地之间使用的频段和调制方式等作出了定义。Proximity-1是个跨层协议，包含物理层和数据链路层。数据链路层是空间数据系统的核心层，它包括了CCSDS数据链路层协议和信道编码。CCSDS为网络层制定了2个协议：空间包协议衣SCPS-NP，这些协议用于航天器和地面站之间的数据交互，传输层中的空间链路协议为用户提供端对端的传输服务。CCSDS制定了3个应用层协议：无损数据压缩、无损图像压缩和SCPS-FP。

图1 CCSDS空间链路协议

3 CCSDS信道编码

信道编码是CCSDS标准中的一个重要协议，信道编码方案的优劣也直接关系到数据传输的效率和性能。CCSDS标准从诞生至今，制订了一系列信道编码标准，先后有BCH码、RS码、卷积码、Turbo码和LDPC码[4]，这里主要研究广泛应用具有极强代表性的级联码和LDPC码。

3.1级联码

为了克服早期单一纠错码性能有限的弱点，CCSDS标准提出了将卷积码和RS码级联使用的方案，在基本不降低编码效率的前提下，极大地改善了信道性能，提高了数据传输的可靠性，成为半个世纪以来纠错码领域发展的经典之作，至今仍然由于其出色的纠错性能和简单的实现方案被广泛使用。

为了得到较好的编码增益，在级联码的设计过程中，充分考虑了天地传输信道的特点，分别研究了突发错误和随机错误的应对措施。外码采用RS（255，223）码，主要针对突发错误，内码采用（2，1，7）卷积码，主要纠随机错误。为了进一步减小突发连续误码对性能的影响，级联的过程中还引入了交织。通过交织和解交织，将连续突发误码分散，使信道恶化状况不至于超出RS码的译码门限。经过上述级联处理，有效的克服了星地信道噪声的干扰，极大的提高了编码增益，在误码率为1×10-7时编码增益接近9 dB。

级联码的另一个优点是理论成熟，实现简单，性能可靠。RS码和卷积码投入使用已经数十年，经过不断地改进和优化，不仅充分发挥了潜在的性能，而且极大的简化了实现方案，这一特点非常有利于在体积、重量、功耗受限和可靠性要求极高的宇航飞行器中实现。

3.2 LDPC码

LDPC（低密度奇偶校验）码是Gallager于1962年提出的一种性能接近于香农限的好码[5]，限于当时计算机水平和硬件技术，LDPC码在很长一段时间内一直未受到人们重视，直到Berrou等人提出Turbo码后，LDPC码才重新引起人们的研究兴趣并成为研究的热点。研究结果显示，对于二元输入的AWGN信道，码率为1/2的非规则LDPC码可以具有距容量不到0.06 dB的门限[6]。

鉴于LDPC码的优异性能，CCSDS标准也提出了自己的LDPC码方案[7]。CCSDS标准的LDPC码方案由多个码字组成，码率从1/2到4/5，码长从1 280到32 768。CCSDS标准LDPC码具有以下优点：

①CCSDS标准LDPC码性能优异，编码效率高。CCSDS标准最高码率达4/5，当码长为32 768时，在误码率为1E-7时，仅为2.9 dB；

于CCSDS标准的LDPC码形成了一个完整的系列。码率从1/2到4/5,码长从1 280到32 768，各种码字编码增益差距相对均匀，便于与不同的调制方式配合，完全可以满足不同信道情况下各种航天应用的需求；

③码字结构合理，便于实现。CCSDS标准码字采用数学方法构造，具有准循环结构，便于硬件实现，不同码字之间结构相似，便于自适应编译码，符合未来发展需求。

4 与DVB-S2标准比较

DVB-S2标准中LDPC码分长码和短码2种[8]，长码码长为64 800，码率有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种，短码码长为16 200，码率有1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9一共10种，长码与短码性能相差不大。

虽然DVB-S2标准LDPC码性能优异，码率齐全，但是CCSDS标准LDPC码与之相比，在航天应用中仍然具有自身独特的优点。首先，在航天应用中，由于特殊应用环境导致特定的格式要求，以及设备用量少等原因，编译码一般无法使用商业芯片，需用FPGA实现。相对于CCSDS标准，DVB-S2标准码字长度过长，结构相对复杂，而纠错性能却提高不多，FPGA硬件实现难度较大。码长8 176，码率7/8的CCSDS码字和码长16 200，码率8/9的DVB-S2标准码字性能对比如图2所示，二者编码效率基本一致，性能基本一致，码长却几乎相差一倍。因此，CCSDS标准码字实现更为简便。

图2 DVB-S2-8/9码字和CCSDS-7/8码字性能对比

其次，DVB-S2低码率码字虽然性能很好，但要达到理想性能需要较多迭代次数，迭代次数少时，性能下降很快，反而不如CCSDS标准高码率码字。DVB-S2短帧1/4码率译码迭代15次相比迭代50次性能恶化了将近2 dB，如图3所示。另一方面，要想获得理想性能，必须加大迭代次数，增大了译码延迟，实时性不是很理想，也导致传输效率过低，造成有限频谱资源的浪费。

图3 DVB-S2短帧1/4码率不同迭代次数性能对比

最后，DVB-S2系统纠错码方案的优异性能是依靠LDPC和BCH级联实现的，DVB-S2系统的LDPC码是双对角线矩阵结构，有一定性能缺陷，抗突发错误性能较差，所以还需要级联BCH码。而CCSDS标准LDPC码具备抗突发噪声能力，无需级联新的码字，实现更为简单。

5 与IESS标准比较

在IESS标准中[9]，纠错码主要采用卷积码、RS码或者二者结合的级联码方案。卷积码主要有1/2和3/4等码率，RS码有（219，210）、（219，201）等码型。当二者级联时，外码采用RS码以应对突发误码，内码采用卷积码以纠正随机错误，通过二者的级联，提高纠错性能。该级联码由于原理与方法与CCSDS标准基本相同，所以整体性能基本一样。

但是，相对于CCSDS标准纠错码方案，IESS标准的整体纠错性能仍有一定差距，主要体现在2个方面：首先，IESS标准中采用的级联码虽然性能出色，已在卫星通信中广泛使用。但与CCSDS标准中的LDPC码相比，在编码增益，带宽利用率，抗突发噪声等方面仍有较大的差距。级联码和CCSDS标准码长8192，码率2/3的性能曲线，如图4所示。可知，在同等带宽条件下，该CCSDS标准码字相对级联码有效信息传输能力可提高45%，在相同传输速率条件下，可获得0.4 dB左右的编码增益。特别是在低信噪比传输时，CCSDS标准具有更大的优势，更适用于对传输性能要求极高的对地高分辨率遥感观测和深空探测等航天业务。

图4 IESS级联码和CCSDS-8192-2/3码字性能对比

其次，CCSDS标准中LDPC码由于校验矩阵的特殊结构，极具高速译码潜力，非常适合于未来高速星间通信和星地数据传输业务。

6 结束语

在深入研究CCSDS标准纠错码技术的体系结构和纠错性能的基础上，通过与DVB-S2系统和IESS标准信道编码方案的比较分析，充分证明了CCSDS标准纠错码方案在码字结构、纠错性能和硬件实现等方面的独特优势，能够更好的适应未来我国航天应用的需求。

[1]于志坚,房鸿瑞.在我国实施CCSDS标准的基本构想[J].遥测遥控,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