Link-16战术数据链系统纠错性能分析

宋南莹 温东 刘翠海

摘要：本文研究了JTIDS战术数据链系统的基本结构和原理。讨论了系统的抗干扰性能，建立了系统的性能分析模型。分析了JTIDS战术数据链中的RS纠错编码。研究了Rs码的抗干扰性能。 利用Matlab仿真平台实现了系统仿真，并对结果进行了分析。

关键词：JTIDS;MSK调制解调;RS码;CCSK;仿真

中图分类号：TN973    文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

1引言

联合战术信息分布系统（JointTactical Information Distribution System。JTIDS）是美国军方联合作战系统C4ISR的一个主要组成部分，被称为“战斗力倍增器”。JTIDS是一个大容量信息分发系统，以其优异的性能、连通性、数据相关性和系统耐用性在作战应用方面， 为决策者提供了一个良好的指挥和控制工具。

JTIDS由于其采用RS（31，15）编码和码元交织技术，因此具有强大的抗突发干扰能力。 即使信号在传输过程中存在较多错误，也可以恢复所有正确的信息[1]。它使用加密技术实现安全可靠通信，并且是美国和北约当前及未来一段时间内的主要信息分发系统。对其抗干扰性能的研究是一项非常紧迫而重要的工作，具有重要的研究意义[2]。

本文针对16数据链使用的RS纠错编码和MSK调制的特点，对其抗干扰性能进行了仿真研究。通过研究系统的结构和过程，建立了仿真模型，得到了系统的信道信噪比与误码率之间的动态关系。为JTIDS系统的可靠性传输提供了有用的参考。

2 RS编码

RS（Reed Solomon）编码是目前最有效、应用最广泛的差错控制编码方法之一。它是一种多进制本原BCH码，既能纠错随机误码又能纠错突发性误码。由于它的优良性能，所以，其被广泛运用于军事信息，卫星通信，光纤通信等通信系统中。

2.1有限域

仅含有限多个元素的域。它首先由E.伽罗瓦所发现，因而又称为伽罗瓦域。对于任何质数p，存在一个含有p个元素的有限域，记作GF（p）。

一切有限域都有加法和乘法两种运算，并必须满足以下条件：[3]（1）封闭性：若任意两元素a·b∈GF（p），则有a+b∈GF（p） a·b∈GF（p）; （2）结合律：若任意a、b、c∈GF（p），则有（a+b）+c=a+（b+c），（a·b）c=a（b·c）; （3）交换律：若任意a、b∈GF（p），则有a+b=b+a，a·b=b·a; （4）有乘法恒等元e和加法恒等0，使任意元素a∈GF（p）都有：a+0=a， a·e=a; （5）任意元素a∈GF（p）都有乘法逆元素a-1？和加法负元素（-a），使a+（-a）=0，a·a-1=e; （6）乘法分配律：任意a、b、c∈GF（p）有a（b+c）=a·b+a·c。

GF（p）可以扩展到pm个元素，记作GF（Pm），称为GF（p）的扩展域，其中，m为正整数。在数字数据传输和存储系统中，由于编码总是二进制形式的，所以常使用二进制域GF（2）及其扩展域GF（2m）。

RS码使用的就是二进制域GF（2）={0，1}的扩展域GF（2m），GF（2m）域中，含有2m个元素，除0，1外，所有元素都可以用a幂表示，即F={0，a0， a1， a2… aj…}，也可以用多項式的形式表现出来：其幂次小于等于m-1。

ai（x）=ai，0+ai，1x+ai，2x2+…+ai，m-1xm-1

如果Xn+1式（n=2m-1）能被多项式p（x）整除，那么称p（x）为本原多项式。通常记作：

p（x）=1+X+Xm

2.2 RS码编码

RS编码属于循环码，RS编码过程就是用信息多项式m（x）除以生成多项式g（x），再用余式h（x）当做校验多项式，置于m（x）之后，即形成RS码[4]。

RS码的生成多项式g（x）形式如下：

g（x）=（x-a）（x-a^2） （x-a^3）…（x-a^2t）= ∏_（i=1）^2t？〖（x-a^i）〗

公式中，a为GF（2m）={ 0，a0， a1， a2… aj…}中的本原元素，t为RS码能够纠正的错码个数。

如果设信息多项式m（x）为：

m（x）=x^（k-1） m_（k-1）+x^（k-2） m_（k-2）+…+x^1 m_1+m_0

则经过RS编码后的码字多项式c（x）为：

c（x）=x^（n-k） m（x）+h（x）=x^（n-k） m（x）+[x^（n-k） m（x） ]modg（x）

2.3 RS码译码

RS码的译码原理就是由接收码r（x）中求出错误图样e（x），即找到错误的位置和错误的值，然后将接收码r（x）和错误图样e（x）求差，得到最可能发送的码字，完成译码。通常情况下，译码分为4步：（1）由r（x）计算伴随式;（2）由伴随式计算差错位置多项式;（3）求解差错位置多项式的根，得到差错数量，确定出错位置;（4）最后求出错误图样e（x），将接收码r（x）和错误图样e（x）求差，得到最可能发送的码字，完成译码。

3战术数据链系统仿真方案

JTIDS编码的系统模型如图1所示，该系统采用RS（31，15）和RS（16，7）编码，MSK调制技术和CCSK循环码移位键控相结合，分析了在高斯信道下误码率与Eb/E0的关系。

3.1字符交织模块

在数字信号的传输过程中，信号码元波形会受到噪声干扰，导致在到接收端的传输中可能发生错误判断。也就是说，“0”被误认为是“1”，或“1”被错误地判断为“0”，因此每个错误发生一次。有时，由于突发的脉冲干扰，错误代码有可能成串地出现，当连续错误个数超过纠错编码的承受能力，就会导致无法通过纠错编码纠正过来。

交织技术的基本思想是： 由预定规则代替已经经过纠错编码的码元的顺序，这个替换处理的过程称为交织编码。如果在传输中发生连续错误，则这些错误肯定会集中在交织码符号序列的某个部分中。由于交替码的符号序列被打乱，因为在接收端的逆置换，所以集中的误差可以被原始码序列分散和替换。可以通过使用纠错编码技术来纠正这些错误代码[5]。

为了提高抗突发错误的能力，JTID系统在进行RS编码后对报头和消息字进行了字符交织。标准格式的3个（31，15）RS码字包含93个码元，2倍封装格式的6个（31，15）RS码字包含186个码元，4倍封装格式的12个（31，15）RS码字包含372个码元。对于每一种封装结构，报头的16个码元均按照预定顺序与消息字数据码元交织排列。

3.2循环移位键控（CCSK）编码[6]

JTIDS系统中的循环移位键控（CCSK）编码，通过选用一个具有良好自相关特性的伪随机序列S0，用其循环移位表示数据。在JTIDS系统消息格式中，利用5bit码元组成的RS编码报头和经过交织后的数据码元信息进行CCSK编码，即（32，5）编码。通过对长度为32bit的CCSK码字S0循环左移n次，就可生成第n个码元对应长度为32位的CCSK码字，n为被编码码元（00000～11111）。CCSK解扩是CCSK（n，k）编码的逆过程，即（k，n）编码。对JTIDS系统而言，CCSK解码即为（5，32）编码，编码和解码采用同一映射关系。

3.3 RS纠错编码

在JTIDS系统中使用的是前向纠错编码，J序列消息中的每条固定格式消息均含有1个报头和3个消息字，报头35bit，每个消息字75bit，共260bit。报头、固定格式消息、可变格式消息和自由文本消息都采用了RS信道编码实现前向纠错。系统使用RS（31，15）和RS（16，7）编码。其中RS（16，7）是RS（31，15）的缩短码，将最高位8位信息位置置为0，形成15个码字，然后进行RS（31，15）编码，最后再将后面的7位校验位删除。因此，RS（31，15）和RS（16，7）码都是在GF（25）域中生成，编码过程相同。

4仿真结果分析

在加性高斯白噪声信道中，使用RS（31，15）码，并且在 MSK调制和解调模式中，在 JTIDS系统上进行性能仿真，以获得不同信噪比（SNR）下的误码率（BER）曲线，如图2所示。

从仿真结果图中可以看出，在 MSK调制模式下，当信噪比大于-4 dB时，并且在相同信噪比的情况下，使用 RS编码的系统具有最低的误码率，并且经过软扩频码元交织之后的误码率次之，直接 MSK解调后的误码率最高。这表明经过RS纠错编码的性能得到了很大的提高，取得了满意的效果。当信噪比小于-5 dB时，误码率明显高于未编码时的误码率和软扩频， 信道编码不再提高系统性能，性能降低，原因是解调输出中的错误数量已超过（31，15）RS码的纠错能力，通过解码增加了冗余码元反而消耗能量。

因此，在纠错码的实际应用中，必须估计信噪比，如果信噪比过低，则有必要尝试改善信道质量，否则不能应用纠错编码来改善信道质量。

5结语

随着信息技术的不断发展，对JTIDS信息传输的有效性和可靠性的要求也越来越高，这肯定会对JTIDS的抗噪性能提出更高的要求。本文利用Matlab对JTIDS系统进行了仿真，通过交织编码，软扩频和RS信道纠错编码有效地提高了JTIDS系统的传输质量。

參考文献

[1] 吕义东，周铭.JTIDS系统RS码性能分析与仿真[J].实验科学与技术，2015.8：1672-4550.

[2] 刘鹏，郭全，王燕.JTIDS的误码率性能分析[J]. 舰船电子对抗，2011.1：1673-9167.

[3] 杨爵，郎宗棪.高等学校教学参考书 实用纠错编码[D]中国铁道出版社，1988，03.

[4] 赵爱萍，王文利.RS码的译码算法及软件实现[J]电子测量与仪器学报，2008，2：1000-7105.

[5] 刘吉超，王静，杜力坤·苏来曼.通信中的交织编码及其MATLAB仿真.新疆师范大学物理与电子工程学院，2010.

[6] 朱文婷.基于CCSK的JTIDS数据链研究与仿真[D].西安电子科技大学，2015.

Error Correction Performance Analysis of  Link-16 Tactical Data Link System

SONG Nan-ying ，WEN Dong，LIU Cui-hai

（Navy Submarine Academy， Qingdao Shandong  266100）

Abstract： This paper studies the basic structure and principle of the JTIDS tactical data link system. The anti-jamming performance of the system is discussed and the performance analysis model of the system is established. The RS error correction coding in the JTIDS tactical data link is analyzed. The anti-interference performance of Rs code is studied. The system simulation was realized by Matlab simulation platform， and the results were analyzed.

Key words：JTIDS;MSK;RS code;certification of cloud security knowledge（CCSK）;simulation