LDPC-RS級聯(lián)碼在地空寬帶數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用

朱良彬，杜 丹，張婉萍

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

無人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈屬低仰角地空數(shù)據(jù)鏈，其信道屬于多徑信道[1-2]，所以在地空數(shù)據(jù)傳輸過程中不但存在隨機(jī)差錯，還存在由多徑衰落等因素引起的突發(fā)錯誤[3]；而且隨著鏈路對傳輸容量的需求越來越高，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)面臨著帶寬受限的嚴(yán)重壓力。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸性能要求，需要找到一種兼顧編碼效率和抗多徑衰落的信道糾錯編碼方式。

無人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈路常采用RS卷積級聯(lián)碼和LDPC碼的信道糾錯編碼方式。RS卷積級聯(lián)綜合了RS碼糾突發(fā)錯誤能力強(qiáng)和卷積碼糾隨機(jī)錯誤能力強(qiáng)[4]的優(yōu)點，具有很強(qiáng)的糾錯效果，但是其編碼效率相對較低；LDPC碼具有較高的編碼效率和譯碼性能，但是抗突發(fā)錯誤能力較差[5]。

本文在簡要分析了RS卷積級聯(lián)碼和LDPC碼原理的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用于無人機(jī)地空寬帶數(shù)據(jù)鏈LDPC-RS級聯(lián)碼[6-7]加數(shù)據(jù)交織的糾錯編碼方法，并結(jié)合寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸需求，設(shè)計實現(xiàn)了一種改進(jìn)的2幀并行的譯碼器實現(xiàn)方法，為無人機(jī)地空寬帶傳輸提供了技術(shù)支持。

1 RS卷積級聯(lián)碼及LDPC碼分析

1. 1 RS卷積級聯(lián)碼

級聯(lián)碼由Foreny在1966年提出，它在不增加譯碼復(fù)雜度的前提下，可以獲得較高的編碼增益以及和長碼一樣的糾錯能力，通常采用2級級聯(lián)的編碼方式，即內(nèi)碼和外碼[8]。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，多采用RS碼作為外碼，因為它有很強(qiáng)的糾突發(fā)錯誤的能力，而內(nèi)碼往往采用卷積碼。因為卷積碼中的維特比譯碼性能很好，糾隨機(jī)錯誤的能力很強(qiáng)。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸中隨機(jī)錯誤較多并伴隨有突發(fā)錯誤時，外碼RS碼可以很好地彌補(bǔ)內(nèi)碼卷積碼的不足，將卷積碼不能糾正的錯誤很容易地糾正過來，因為在卷積碼譯碼之后，錯誤比特通常是成組出現(xiàn)的。在信道質(zhì)量較差的情況下，相對單獨的分組碼或者分組碼與分組碼的級聯(lián)碼，RS卷積級聯(lián)碼[9]可以取得很好的糾錯性能，但這是以犧牲編碼效率為代價的。

1. 2 LDPC碼分析

LDPC碼是一種具有稀疏校驗矩陣的(n，k)線性分組碼，具有逼近香農(nóng)(Shannon)限的優(yōu)良性質(zhì)[10]。它具有編碼效率高、譯碼性能好的特點，而且由于其采用基于稀疏矩陣的并行迭代譯碼算法，硬件實現(xiàn)比較容易，更能適應(yīng)未來通信系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸和高性能的要求[11-12]。

LDPC碼糾隨機(jī)錯誤能力強(qiáng)，但是當(dāng)信道呈現(xiàn)多徑衰落特性時，多徑衰落引起的突發(fā)錯誤會超出其糾錯能力，譯碼性能惡化。

2 LDPC-RS級聯(lián)碼方案設(shè)計

為了兼顧數(shù)據(jù)傳輸效率和抗突發(fā)錯誤的能力，采用LDPC-RS級聯(lián)碼的信道糾錯編碼方式，RS碼作為外碼，LDPC碼作為內(nèi)碼，在內(nèi)外碼之間加入數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 采用LDPC-RS糾錯編碼的系統(tǒng)組成

由圖1可看出，在接收機(jī)譯碼時，內(nèi)碼LDPC碼糾正大部分隨機(jī)錯誤信息，外碼RS碼糾正剩余錯誤信息。

RS碼具有很強(qiáng)的糾突發(fā)錯誤能力，但是當(dāng)由多徑衰落引起的突發(fā)錯誤長度超出它的糾錯能力范圍時[13]，譯碼性能將急劇惡化。數(shù)據(jù)交織模塊可以很好地解決這一問題。交織模塊在內(nèi)碼與外碼之間，其主要作用是提供時間上的分集。在接收機(jī)解交織[14-15]后，信道上的突發(fā)錯誤在時間上得以擴(kuò)散。假設(shè)交織時間為TIL，信道相關(guān)時間為T0，需滿足：

TIL>T0，

交織才能起到好的效果。

同時，針對寬帶數(shù)據(jù)處理需求和傳統(tǒng)LDPC碼譯碼器硬件資源利用效率較低的問題，一種2幀數(shù)據(jù)同時譯碼、譯碼計算單元交替處理2幀不同外信息的并行譯碼器設(shè)計方法被提出，該方法下設(shè)計的譯碼器接近傳統(tǒng)設(shè)計方法的2倍，大大提高了譯碼效率[16-18]。改進(jìn)后的2幀并行譯碼更新時序圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的2幀并行譯碼時序圖

以CCSDS(5120，4096)LDPC碼為例，若整個譯碼器的工作主頻穩(wěn)定在200 MHz，采用校驗節(jié)點12路并行處理，變量節(jié)點44路并行處理，迭代次數(shù)取20次，對應(yīng)子矩陣串行128次處理，采用2幀并行譯碼器的譯碼速率應(yīng)保持在300 Mbps，完全可以滿足無人機(jī)地空寬帶數(shù)據(jù)傳輸需求。

3 LDPC-RS級聯(lián)碼性能仿真

多徑Rice信道模型如圖3所示，將無人機(jī)信道抽象成由一個視距傳播(Los)成分和多條散射成分組成萊斯(Rice)衰落信道模型進(jìn)行分析[19]。其中，a*ej2πfDloskTsmol為主徑；cn*hk為第n條副徑分量；a為Los徑幅度；cn為第n條副徑幅度，對應(yīng)于不同的飛行階段可取不同的實數(shù)值；τn為主徑和第n條副徑之間的時延差；fDlos為視距傳播分量的多普勒頻移；Tsmpl為符號周期。

圖3 多徑Rice信道模型

為了驗證文中提出的級聯(lián)編碼性能，分別將LDPC-RS級聯(lián)碼與RS卷積級聯(lián)編碼和LDPC編碼的差錯控制性能進(jìn)行對比仿真分析。仿真采用典型的山區(qū)信道模型。模型參數(shù)如表1所示。

表1 信道模型參數(shù)

仿真時分別選擇CCSDS標(biāo)準(zhǔn)定義的LDPC(5120，4096)，RS(255，239)，(2，1，7)卷積編碼，在QPSK調(diào)制體制下進(jìn)行，信息速率設(shè)定為65. 536 Mbps，多普勒變化范圍：-5～+5 kHz。

3. 1 LDPC-RS與RS卷積級聯(lián)碼

LDPC-RS級聯(lián)碼與RS卷積級聯(lián)碼性能仿真如圖4所示。

圖4 LDPC-RS與RS卷積級聯(lián)碼性能仿真

由圖4可以看出，RS卷積級聯(lián)碼解調(diào)靈敏度為Eb/N0=3. 0 dB時BER≤1×10-5，而LDPC-RS解調(diào)靈敏度為Eb/N0=2. 4 dB時BER≤1×10-5，編碼增益相對RS卷積級聯(lián)碼提高了約0. 6 dB。

信息經(jīng)LDPC-RS和RS卷積級聯(lián)碼編碼后，占用信道帶寬分別為70 MHz和130 MHz。前者的帶寬利用率提高了約46%。

3. 2 LDPC-RS級聯(lián)碼與LDPC碼

LDPC-RS級聯(lián)碼與LDPC編碼性能仿真如圖5所示。

圖5 LDPC-RS級聯(lián)碼與LDPC碼性能仿真

由圖5可以看出，LDPC碼解調(diào)靈敏度為Eb/N0=4. 2 dB時BER≤1×10-5。與它相比，LDPC-RS級聯(lián)碼在編碼效率損失不大的前提下，解調(diào)靈敏度提高了約1. 8 dB。

4 結(jié)束語

針對RS卷積級聯(lián)碼和LDPC碼在無人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用存在的問題，提出了LDPC-RS級聯(lián)編碼的設(shè)計方案，并將其性能與RS卷積級聯(lián)碼和LDPC碼進(jìn)行了對比仿真分析。結(jié)果表明，在無人機(jī)地空復(fù)雜信道條件下，LDPC-RS級聯(lián)碼在保證較高編碼效率的前提下獲得較高的編碼增益。在無人機(jī)地空高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中具有重大的工程應(yīng)用價值。

級聯(lián)編碼中RS碼以及LDPC碼的碼長以及編碼效率對級聯(lián)碼的性能影響很大，如何選擇相關(guān)參數(shù)使得編碼復(fù)雜度最低、性能最優(yōu)化等問題是需要進(jìn)一步開展的工作。