CCSDS中RS编码设计研究与实现

摘要 ??? 空间数据系统咨询委员会(CCSDS)成立于1982年，至今已有20多年的历史，它是一个各空间局国际合作组织，致力于建立有助于空间信息交换的数据系统标准，在20多年的发展过程中，CCSDS制定了一系列应用于空间数据系统的建议书，已为世界上许多国家和组织采用，CCSDS已经成为具有空间信息技术标准的国际权威。RS纠错编码具有良好的纠突发错误能力，是目前最有效、应用最广泛的差错控制编码之一。 本文本课题期望通过对RS编码的应用情况的分析，抓住机遇，迎接挑战，以获得自己的研究成果，并进一步理解掌握RS码的本质和特性及其在各个领域中的应用。同时通过仿真设计，加深对RS编译码实现算法的理解，进一步掌握其实际应用的方法并针对现有技术提出可能的改进目标和方案，为今后深入研究RS编码打下良好的基础。 关键词：CCSDS、RS、仿真、纠错编码 1.1研究背景 数字通信系统中为了提高通信可靠性、减少传输误码率，一般都采用纠错编码技术。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)成立于1982年，至今已有20多年的历史，它是一个各空间局国际合作组织，致力于建立有助于空间信息交换的数据系统标准，在20多年的发展过程中，CCSDS制定了一系列应用于空间数据系统的建议书，已为世界上许多国家和组织采用，CCSDS已经成为具有空间信息技术标准的国际权威。RS纠错编码具有良好的纠突发错误能力，是目前最有效、应用最广泛的差错控制编码之一。由于它构造方便、编码简单、具有严格的代数结构，再加上它具有成熟的译码算法，已经在空间技术、卫星通信、数字电视、DVB、CD存储、磁记录系统等领域得到了广泛应用。前向纠错是指发送端发送能够纠正错误的码，接收端收到后自动纠正传输中的错误，特点是单向传输。本课题针对CCSDS中前向纠错方案进行研究，重点分析RS码的应用情况。深入研究RS码的性能问题，不但在学术上具有很好的研究前景，更具有相当的经济价值和社会意义。 RS（reed-solomom）码是一种非常重要的循环码（crc,cyclic redundancy check），1960年，reed和solomom将bch码扩展到非二元（q＞2）的情况，得到了rs码。1967年，berlekamp给出了一个非常有效的译码算法后，rs码得到广泛的应用。此后，rs码在cd播放器、dvd播放器中得到了很好的应用。 CCSDS协议的设计目标是提供空间通信系统的国际标准，方便实现各个空间数据通信系统之间的互联。提高重用性，缩短通信协议和应用软件的开发周期，提高空间通信系统的研究和开发效率。因此，空间数据系统咨询委员会CCSDS借鉴了开放系统互联参考模型OSI／RM 的分层设计思想，同时又吸收了因特网TCP／lP协议体系结构简洁高效的优点。针对特定的空间通信应用要求．进行跨层设计，有利于提高应用性能，如文件传输协议CFDP。 从制定的协议标准来看，CCSDS仅仅提供了空间通信系统的协议参考模型，其主要思想是提供一个空问数据通信系统及其互联的协议框架．便于实现各个空间通信系统之间的互联，也便于空间通信系统进行完备的空间通信系统的开 发．还可以针对具体的空间链路特性和特定的空间应用需求，进行定制和优化设计。在系统兼容和网络互联方面，CCSDS协议体系支持基于空间分组协议SPP、SCPS联网协议SCPS．NP或因特网IPV4／v6的互联，便于实现各种异构系统之间的互联互通。但值得注意的是．异构系统互联中进行的协议转换和适配可能会极大地降低中间系统的处理效率，从而影响端到端应用性能的提高。在安全性方面，CCSDS协议体系在运输层设计了SCPS安全协议SCPS．SP，是现有因特网安全协议IPSec在空间网络环境下的扩展。当IP协议作为网络互联协议或在地面网络段使用时，也可采用IPSec作为安全增强协议。安全协议采用的加密算法可以由用户选择定制。目前，为了适应空间通信中长时延、高误码率等优化设计还包括：数据链路层协议的优化、运输层传输空间链路特性，对CCSDS传输协议进行的控制协议的优化．以及运输协议增强网关的设计等。 随着计算机技术和相关理论的不断发展，前向纠错编码逐渐为人们所重视，并且成为编码领域的研究热点，国内国外的各大院校和研究所也纷纷投入到RS编码理论的研究之中。自1948年香农在其开创性论文《通信的数学理论》中建立信息论以来，信道编码技术历经60余年的发展历程，从早期的线性分组码、BCH码、卷积码，到后来的RS码、代数几何码、级联码、Turbo码和LDPC码，编码的性能越来越接近信道编码定理中的香农限，而寻找逼近香农限的“好”码则始终是广大编码研究者孜孜以求的目标。RS码恰恰是这样一种“好”码，其性能非常接近香农极限，具有相当强的纠错能力，而且适用范围很广。采用RS编码技术可以大大降低信号的发射与接收成本并且提高通信的可靠性与有效性，而且RS编码技术在实现过程中的复杂度与性能相同的其它编码方案相比是最低的。由于RS编码不像Turbo码那样需要使用交织器，这大大减少了处理时间和成本，并且使得它对多径信道下的突发差错具有更强的纠错能力，且其编码性能随着码长的增加而提高。因此RS编码非常适用于图像和视频等数据量大、编码长度长的高速传输系统之中。 ?????? 在“创新国家”战略提出之后，我国从国家战略的高度上将“宽带无线通信网络技术”作为重大项目，投入大量的研究资金和力量，以实现关键技术的突破和自主创新，TD-SCDMA和CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）两个技术标准就是这一战略的初步成果。国内企业创毅视讯顺应市场需求，率先研发出了IF208/308系列芯片，为国内TD终端厂商占领TD市场提供了有力的武器，并带动了TD/CMMB这两大民族产业融合市场的蓬勃兴起，为“创新国家”再添光辉的一笔。先进的信道编码技术是未来宽带无线通信传输中必须采用的关键技术。RS码在许多方面具有比其它编码更加优秀的性能，是迄今为止比较接近香农限的信道编码，更是下一代宽带无线通信系统中纠错编码的主要备选方案。而且RS编码能够随着处理技术的发展而获得更好的性能和更低的成本这，减少了其在未来被新技术替代的可能性，降低了编码技术更新换代的成本和风险，这更加说明了研究RS编码的重要性、价值和意义。目前的CMMB正处于试运营阶段，必然存在很多不成熟的地方，在其于国内普及和进一步发展的过程中，也暴露出了一些技术上的缺陷和运营中的弊端。但这些都是正常的，并且从侧面体现了《2006年手机电视市场研究及策略分析报告》里划分的三个阶段（导入期2004~2006；成长期2007~2010；成熟期2011~2016）的正确性。RS编码的优异性能和广泛的应用前景吸引着人们，这必将推动国内LDPC编码研究高潮的到来。 1.2研究目的和意义 ?????? RS码是一种性能优良的极大距离码，有极强的纠随机错误和突发错误能力，而且缩短RS码其纠错能力也不变，因而可根据实际的通信系统要求设计码率。就RS码的编译码技术而言，存在时域和频域两种算法：其中时域编译码算法出现较早，由于比较成熟而被广泛采用；频域编译码算法虽然出现较晚，但由于可借助快速傅立叶正反变换(H ／IFI )提高编译码速度，具有较大的发展潜力。 ?????? RS纠错码能够与脉冲位置调制符号相匹配，具有很强的纠正随机错误和突发错误的能力，理论成熟，是目前空间光通信的理想编码方案 。但是由于事物毕竟存在着多面性，因此必然存在许多不成熟和未开拓的领域。当信噪比较低时，RS码的纠错性能会大幅下降。随着计算机技术的发展和相关理论的成熟，RS码将迎来新的研究热潮。这既是机遇，也是挑战。本课题期望通过对RS编码的应用情况的分析，抓住机遇，迎接挑战，以获得自己的研究成果，并进一步理解掌握RS码的本质和特性及其在各个领域中的应用。同时通过仿真设计，加深对RS编译码实现算法的理解，进一步掌握其实际应用的方法并针对现有技术提出可能的改进目标和方案，为今后深入研究RS编码打下良好的基础。