CCSDS标准的信道码研究

康欣

摘要：随着各国对外层空间资源的探索、开发和利用，空间通信系统及其互联技术的研究和开发受到越来越多的重视。空间数据系统咨询委员会（CCSDS）为遥测、遥控和高级在轨系统（AOS）制定了一系列建议标准。本文将分析该标准中的各类信道码技术，对其性能进行探讨，为以后该标准的应用提供参考。

关键词：空间数据系统咨询委员会；卷积码；RS码；Turbo码；级联码

一、 CCSDS标准概述

美国空间数据系统咨询委员（CCSDS）标准是当代航天测控、通信标准的最新成就，为航天大国所公认，在国际上已经广泛应用的通信标准。该标准以国际相互支援与空间数据实时分层动态调控为特色，建立了针对常规在轨系统（COS），高级在轨系统（AOS）的数据通信标准，为有人空间站、无人空间平台及空间运输系统提供支撑服务，它是航天测控与通信进入国际合作时代的产物，也是航天测控与通信技术发展的必然。CCSDS标准建立了CCSDS版本包、空间信道编码、虚拟信道概念，采用统一数据流思想，实现了航天测控、通信数据的综合传输与交换，将大大简化空地设备与任务保障系统，为航天任务的动态调控与国际合作奠定基础.。

除了能适应IRIG、ESA的有关标准外，CCSDS标准尽量沿用了国际标准化组织（ISO）及国际电话电报咨询委员会（CCITT）的有关标准，因此 CCSDS标准具有更广泛、先进的国际标准基础。目前的CCSDS标准仍然处于继续开发与完善的过程中，它将支持空间数据结构传输与交换将走向更高的速率、更高的频段、更有效的调制体制、更宽的业务面。它将逐步超越航天业务的范畴而参与未来的全球高速信息网。因此，CCSDS标准将不仅仅是航天测控与通信的天基网标准，它也是天基ISDN标准，并与地基ISDN标准一起形成21世纪的全球ISDN标准。

二、深空通信信道码研究的意义

（一）CCSDS标准的军事应用情况

CCSDS建议书最初是为民用目的开发的"但由于其良好的性能，效益和适应性。近年来，CCSDS建议书越来越引起军方的重视。同时将CCSDS标准用于军用目的并不需要做更多的工作，也不会由其本身带来特别的问题。研究军用航天器实施CCSDS标准的途径及可行性，对提高军用航天器的效能和效益，促进军用航天技术的发展具有重要的意义。

（二） CCSDS标准中信道码研究的意义

深空通信信道有以下特点：第一，深空通信信道与无记忆的高斯信道（AWGN）非常相似，而这种信道正是 Shannon 编码理论的信道模型，这恰好是香农噪声信道编码理论基础信道，所以在这个信道上进行的理论研究和仿真研究基本上可以直接应用于实际；第二，深空通信信道的频带帶宽很丰富，允许使用低频带利用率的编码和二进制的调制方案；第三，由于传输距离非常远，信号能量衰减严重，根据相关数据计算，通信距离到达月球时，距离损失比 GEO的距离损失增加 21.03dB；到达火星的时候，距离损失比 GEO 的距离损失增加 89.04dB。如此巨大的信号衰减，需要用各种措施来弥补，其中就包括高增益、低编码效率的编码和复杂的译码技术，这导致传输速率很低。由于具有以上特点，可以说，从信道编码的角度看深空信道是一种很理想的信道。因此，深空通信的信道特征是“接收信噪比很低，而可用的信道带宽相对较宽”。

在这种功率受限信道上实现可靠通信，需要采用高增益的信道编码技术，为此CCSDS建立了包括卷积码，RS码，级联码，TURBO码以及LDPC码[1][2][3][4]的信道码标准。

三、CCSDS各种信道码介绍

（一）卷积码

CCSDS标准推荐采用约束长度为7，编码效率为1/2的卷积码，通过打孔抽取可以得到2/3，3/4，5/6，7/8四种码率。

（二） RS码

CCSDS标准中只给出了所推荐RS码的各参数，并没有详细解释其中的原因，这些规定多数都源于NASA早期对RS码在空间通信应用的研究。由于RS码编译码器中有限域乘法器为主要运算单元，其数量和性能决定了译码器的面积和运算速。因此，在20世纪90年代研究RS码的空间应用和制定CCSDS标准时，主要的关注点是如何降低乘法器的实现复杂度。CCSDS建议中的RS为（255，223）线性分组码，信息码由223个码符号组成，监督码由32个码符号组成，每一个码符号是8比特的二进制码。

（三）Turbo码

CCSDS标准中的Turbo码编码器的第1个分量码编码器（a）对没有改变顺序的数据编码，而第2个分量码编码器（b）接收经过交织器置换后的数据进行编码，通过删余和选择输出Turbo码编码器可以有r=1/2，1/3，1/4或者1/6共4种码率供选择。标准中推荐TURBO译码采用 log-APP算法。

（四）LDPC

LDPC是一种性能非常优异的信道码，其相比于Turbo码具有无理论误码平层，以及易于实现高速并行译码。CCSDS中也专门定义了近地和深空通信的两种LDPC码。

四、总结

本文介绍了CCSDS推荐的各种信道码，适合于适合在深空通信的环境下应用，在我国深空测控通信系统中具有广阔的应用前景，将为后续工作的开展作了良好的铺垫。

参考文献：

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.