LDPC-RS级联码在地空宽带数据链中的应用

朱良彬，杜 丹，张婉萍

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.陆军北京军代局驻石家庄地区军代室，河北 石家庄 050081)

0 引言

无人机地空数据链属低仰角地空数据链，其信道属于多径信道[1-2]，所以在地空数据传输过程中不但存在随机差错，还存在由多径衰落等因素引起的突发错误[3]；而且随着链路对传输容量的需求越来越高，数据链系统面临着带宽受限的严重压力。为了满足数据传输性能要求，需要找到一种兼顾编码效率和抗多径衰落的信道纠错编码方式。

无人机地空数据链路常采用RS卷积级联码和LDPC码的信道纠错编码方式。RS卷积级联综合了RS码纠突发错误能力强和卷积码纠随机错误能力强[4]的优点，具有很强的纠错效果，但是其编码效率相对较低；LDPC码具有较高的编码效率和译码性能，但是抗突发错误能力较差[5]。

本文在简要分析了RS卷积级联码和LDPC码原理的基础上，提出了一种应用于无人机地空宽带数据链LDPC-RS级联码[6-7]加数据交织的纠错编码方法，并结合宽带高速数据传输需求，设计实现了一种改进的2帧并行的译码器实现方法，为无人机地空宽带传输提供了技术支持。

1 RS卷积级联码及LDPC码分析

1. 1 RS卷积级联码

级联码由Foreny在1966年提出，它在不增加译码复杂度的前提下，可以获得较高的编码增益以及和长码一样的纠错能力，通常采用2级级联的编码方式，即内码和外码[8]。在实际应用系统中，多采用RS码作为外码，因为它有很强的纠突发错误的能力，而内码往往采用卷积码。因为卷积码中的维特比译码性能很好，纠随机错误的能力很强。

当数据传输中随机错误较多并伴随有突发错误时，外码RS码可以很好地弥补内码卷积码的不足，将卷积码不能纠正的错误很容易地纠正过来，因为在卷积码译码之后，错误比特通常是成组出现的。在信道质量较差的情况下，相对单独的分组码或者分组码与分组码的级联码，RS卷积级联码[9]可以取得很好的纠错性能，但这是以牺牲编码效率为代价的。

1. 2 LDPC码分析

LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的(n，k)线性分组码，具有逼近香农(Shannon)限的优良性质[10]。它具有编码效率高、译码性能好的特点，而且由于其采用基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，硬件实现比较容易，更能适应未来通信系统高速数据传输和高性能的要求[11-12]。

LDPC码纠随机错误能力强，但是当信道呈现多径衰落特性时，多径衰落引起的突发错误会超出其纠错能力，译码性能恶化。

2 LDPC-RS级联码方案设计

为了兼顾数据传输效率和抗突发错误的能力，采用LDPC-RS级联码的信道纠错编码方式，RS码作为外码，LDPC码作为内码，在内外码之间加入数据交织环节。系统组成如图1所示。

图1 采用LDPC-RS纠错编码的系统组成

由图1可看出，在接收机译码时，内码LDPC码纠正大部分随机错误信息，外码RS码纠正剩余错误信息。

RS码具有很强的纠突发错误能力，但是当由多径衰落引起的突发错误长度超出它的纠错能力范围时[13]，译码性能将急剧恶化。数据交织模块可以很好地解决这一问题。交织模块在内码与外码之间，其主要作用是提供时间上的分集。在接收机解交织[14-15]后，信道上的突发错误在时间上得以扩散。假设交织时间为TIL，信道相关时间为T0，需满足：

TIL>T0，

交织才能起到好的效果。

同时，针对宽带数据处理需求和传统LDPC码译码器硬件资源利用效率较低的问题，一种2帧数据同时译码、译码计算单元交替处理2帧不同外信息的并行译码器设计方法被提出，该方法下设计的译码器接近传统设计方法的2倍，大大提高了译码效率[16-18]。改进后的2帧并行译码更新时序图如图2所示。

图2 改进的2帧并行译码时序图

以CCSDS(5120，4096)LDPC码为例，若整个译码器的工作主频稳定在200 MHz，采用校验节点12路并行处理，变量节点44路并行处理，迭代次数取20次，对应子矩阵串行128次处理，采用2帧并行译码器的译码速率应保持在300 Mbps，完全可以满足无人机地空宽带数据传输需求。

3 LDPC-RS级联码性能仿真

多径Rice信道模型如图3所示，将无人机信道抽象成由一个视距传播(Los)成分和多条散射成分组成莱斯(Rice)衰落信道模型进行分析[19]。其中，a*ej2πfDloskTsmol为主径；cn*hk为第n条副径分量；a为Los径幅度；cn为第n条副径幅度，对应于不同的飞行阶段可取不同的实数值；τn为主径和第n条副径之间的时延差；fDlos为视距传播分量的多普勒频移；Tsmpl为符号周期。

图3 多径Rice信道模型

为了验证文中提出的级联编码性能，分别将LDPC-RS级联码与RS卷积级联编码和LDPC编码的差错控制性能进行对比仿真分析。仿真采用典型的山区信道模型。模型参数如表1所示。

表1 信道模型参数

仿真时分别选择CCSDS标准定义的LDPC(5120，4096)，RS(255，239)，(2，1，7)卷积编码，在QPSK调制体制下进行，信息速率设定为65. 536 Mbps，多普勒变化范围：-5～+5 kHz。

3. 1 LDPC-RS与RS卷积级联码

LDPC-RS级联码与RS卷积级联码性能仿真如图4所示。

图4 LDPC-RS与RS卷积级联码性能仿真

由图4可以看出，RS卷积级联码解调灵敏度为Eb/N0=3. 0 dB时BER≤1×10-5，而LDPC-RS解调灵敏度为Eb/N0=2. 4 dB时BER≤1×10-5，编码增益相对RS卷积级联码提高了约0. 6 dB。

信息经LDPC-RS和RS卷积级联码编码后，占用信道带宽分别为70 MHz和130 MHz。前者的带宽利用率提高了约46%。

3. 2 LDPC-RS级联码与LDPC码

LDPC-RS级联码与LDPC编码性能仿真如图5所示。

图5 LDPC-RS级联码与LDPC码性能仿真

由图5可以看出，LDPC码解调灵敏度为Eb/N0=4. 2 dB时BER≤1×10-5。与它相比，LDPC-RS级联码在编码效率损失不大的前提下，解调灵敏度提高了约1. 8 dB。

4 结束语

针对RS卷积级联码和LDPC码在无人机地空数据链中的应用存在的问题，提出了LDPC-RS级联编码的设计方案，并将其性能与RS卷积级联码和LDPC码进行了对比仿真分析。结果表明，在无人机地空复杂信道条件下，LDPC-RS级联码在保证较高编码效率的前提下获得较高的编码增益。在无人机地空高速数据传输系统中具有重大的工程应用价值。

级联编码中RS码以及LDPC码的码长以及编码效率对级联码的性能影响很大，如何选择相关参数使得编码复杂度最低、性能最优化等问题是需要进一步开展的工作。