基于LDPC编码的卫星通信技术的优点

【摘要】LDPC码是一种线性分组码，它于1962年由Gallager提出，之后很长时间没有受到人们的重视。近几年LDPC码以其接近香农极限的优异性能及巨大的潜在应用价值而成为目前信道编码领域最热门的研究方向之一，本文主要介绍LDPC码，以及采用LDPC编码的卫星路由器的关键技术及其相对于其他VSAT卫星路由器的技术优点。

【关键词】LDPC码；卫星通信；优点；带宽效率；编码；译码

一、LDPC码的优势

1.LDPC码的译码算法，是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，运算量要低于Turbo码译码算法，并且由于结构并行的特点，在硬件实现上比较容易。

因此在大容量通信应用中，ldpc码更具有优势。

2.LDPC码的码率可以任意构造，有更大的灵活性。

3.LDPC码具有更低的错误平层，可以应用于有线通信、深空通信以及磁盘存储工业等对误码率要求更加苛刻的场合。

二、LDPC码编码方法

LDPC码所面临的一个主要问题是其较高的编码复杂程度和编码时延。对其采用普通的编码方法，LDPC码具有二次方的编码复杂度，在码长较长时这是难以接受的，幸运的是校验矩阵稀疏性使得LDPC码的编码成为可能。目前，好的编码方法一般有如下几种情况：

1.RICHARDSON等提出的利用校验矩阵的稀疏性对校验矩阵进行一定的预处理后，在进行编码。

2.设计LDPC码时，同时考虑编码的有效性，使H矩阵具有半随机矩阵的格式。

3.H矩阵具有某种不变特性所采用的其他编码方法，例如基于删除译码算法提出的编码方案。这几种编码方案都是在线性时间内编码的有效算法，初步解决了LDPC码的应用所面临的一个主要问题。

三、LDPC码译码方法

LDPC码有很多种译码方法，本质上大都是基于TANNER图的消息迭代译码算法。根据消息迭代过程中传送消息的不同形式，可以将LDPC的译码方法分为硬判决译码和软判决译码。

如果在译码过程中传送的消息是比特值，称之为硬判决译码；如果在译码过程中传送的消息是与后验概率相关的消息，称之为软判决译码，有时也称为和积译码算法。硬判决译码计算比较简单，但性能稍差；软判决译码计算比较复杂，但性能较好。为了平衡性能和计算复杂度，可以将两者结合使用，称之为混合译码算法。

四、基于LDPC码的新一代VSAT卫星通信关键技术及优点

1.优异的解调器信噪比（Eb/No）特性

为达到一个给定误码率所需要的信噪比是衡量一个解调器性能的基本指标。对于给定误码率所需的Eb/No越低，就意味着卫星容量的利用率越好。

在VSAT网络中，很多出向信道MODEM中的解调器，由于都采用基于DVB-S/S2标准的芯片装置，其性能都基本接近。

但是对于TDMA入向信道或回传信道的解调器，采用LDPC编码的解调器将当今公认的性能最优异的LDPC前向纠错编码技术在TDMA回传信道上得以实现。

在达到误码率BER=10-7前提下，所需门限信噪比Eb/No仅为4.2dB（QPSK，FEC=2/3）。这比相同条件下基于所罗门级联卷积码的编码方式，门限信噪比Eb/No低2.0dB；比采用较具竞争力的Turbo编码技术，门限信噪比Eb/No还要低大约1.0dB左右。

因此，相比于其他VSAT卫星路由器的许多竞争技术，采用LDPC编码的卫星网络中其回传信道解调器所需更低的信噪比Eb/No这一特性，在卫星容量上又多转换为多达40%的额外增益。

2.出向信道的高带宽效率

采用LDPC编码的卫星路由器由于仅是利用DVB-S2的物理层信令，而传输依然是用原始的IP数据包传输，因而封装开销就可以非常低。相比目前流行的DVB-S/S2系统，因其需要将IP数据包封装成MPEG的包格式后，再在空间链路上传输；因而采用LDPC编码的卫星路由器省去了这一开销，大约得到显著的30%的出向带宽效率增益。其出向效率经测算可高达98%。

3.入向信道的高带宽效率

入向信道也采用LDPC编码的卫星路由器，相比其他VSAT卫星路由器，因其他VSAT卫星路由器在采用TDM/TDMA通信体制的时候，回传链路的编码技术大都采用所罗门或者Turbo方式。因此相对于DBV-RCS标准和IPoS标准等，入向信道采用LDPC编码的卫星路由器没有Aloha和Burst的封装开销，这使得回传信道的开销非常低。入向信道的带宽利用率可高达95%。

在卫星网络中，大部分基于动态分配带宽的方法，都基于时分多址时隙的变化。一个TDMA系统的效率取决于其帧结构，包开销大小，以及时隙资源管理器的性能等，是否能够迅速地和有效地给每一个单一单元的有效业务分配到可用的容量，避免协议转换的消费以及数据填充和重传。

基于LDPC编码的卫星路由器系统里执行的TDMA算法接近TDMA性能可能的最高理论值。快速有效的polling和预约方法，通用的封装以及在回传链路上接近零开销的数据包传输都是它的优点。

与“纯信道”模式的SCPC方式比较，基于LDPC编码的卫星路由器的TDMA的算法提供高达95%的信道利用率。与其他的VSAT相比，在带宽利用率方面，大约优于15%以上。

五、载波和占用带宽应用分析

回传信道采用LDPC编码技术的卫星通信系统，相同误码率和FEC速率下，回传解调门限比所罗门编码低大约2dB，比Turbo编码大约低1dB左右。这样在远端站相同的配置下，卫星系统对功率的利用率更高。在一个以TDM/TDMA为基本通信体制，组成一个小型的星状网。

根据业务需求，若出向速率定为512Kbps，采用调制方式为QPSK，FEC=3/4，带宽保护系数取1.4，1个512Kbps的出向载波占用卫星带宽为：

（512×4/3）÷2（调制系数）×1.4≈ 477KHZ

根据业务需求，如果回传载波配置1个512Kbps的回传信道，采用调制方式为QPSK，FEC=2/3，带宽保护系数取1.4，1个512Kbps的回传载波占用卫星带宽为：

（512×3/2）÷2（调制系数）×1.4≈ 537.6KHZ

出向、入向占用卫星总带宽示意图如图1所示。

参考文献

[1]袁东风.LDPC码理论与应用[M].人民邮电出版社，2008.04.

[2]王秉钧.VSAT小型站卫星通信系统[M].天津：天津科学技术出版社，1992.