哈工大通信工程本科开题报告

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1、1. 课题来源与背景深空探测体现了一个国家的科技发展和综合实力。近些年来，深空探测取得 了惊人的成果1 2，而且世界各国都在争相推出深空探测计划。2004 年 1 月美 国发布“空间探索新构想”VSE, Vision for Space Exploration)计划,内容为2020 年前重返月球，随后深入太阳系进行探测，最终将人类送往火星或更远的深空； 2005 年 9 月美国宇航局(NASA, National Aeronautics and Space Administration) 公布了 20152025 年深空探测的路线图；2007 年 9 月，载人登月时间由 2018 年推迟至 2

2、021 年左右,载人火星探测时间推迟至 2030 年以后.2005 年 10 月 ,俄 罗斯制定了俄罗斯2006-2015太空探测计划.2004年2月，欧洲航天局(ESA, European Space Agency)宣布了“曙光女神超大规模星际探索计划；2005年4 月， ESA 公布了“20152025 年宇宙设想。而在我国深空探测是我国航天活动继发射人造地球卫星、载人航天之后的第 三大领域。2000 年 11 月，我国国务院新闻办公室发布了中国的航天白皮书， 明确提出未来 10 年将开展深空探测研究，重点开展月球探测.2004 年 2 月探月工 程的启动，标志着我国深空探测的开始。200

3、7 年 10 月 ,“嫦娥一号工程取得了 圆满成功,迈出了中国深空探测的第一步。2010 年 10 月“嫦娥二号发射升空,并 获得成功。在我国未来中长期科技发展规划中月球探测和载人航天已被列为 16 个重大专项之一.除此之外，随着我国综合国力的不断增强，逐步开展覆盖整个 太阳系的深空探测活动将是我国未来航天领域发展的必然选择。深空通信系统的成败对于探测器任务的完成起着至关重要的作用。根据国际 电信联盟(ITU，International Telecommunications Union)在其核心管理文件无 线电规则中的规定(第 1.177 款),深空的定义是指与地球的距离大于或等于 2 X 1

4、06km的空间.所以深空通信相对于地面通信和卫星通信具有很多难点,比如传 输损耗大、断续测控和传输时延大问题等3.其中传输损耗大问题最为显著.比如， 月球与地面静止轨道卫星相比增加的路径损耗为 21dB 左右；火星与地面静止轨 道卫星相比增加的路径损耗为 81dB 左右；冥王星与地面静止轨道卫星相比增加 的路径损耗为 106dB 左右。这时，信道纠错编码增益就显得十分重要了。好的 信道编码与未编码相比在误码率 106 时可以获得 10dB 以上的编码增益,在误码 率 1 08时可以获得 15dB 以上的编码增益。因此，信道编码技术在深空通信中非 常值得关注，并且实际中几乎所有深空通信均采用了信

5、道编码。自从十几年前 Turbo 码和低密度校验码(LDPC 码，Low Density Parity一Check Codes)被发现 和重新发现以来，信道编码的实际性能离香农定理的理论极限越来越近，目前最 好的信道编码离香农限只有0. 0045 dB,从而引起深空探测领域研究者对新型信 道编码的兴趣.2. 研究目的及意义深空通信领域是我国未来航天科技发展的重要组成部分 ,而实际中几乎所有 深空通信均采用了信道编码。目前最新的两种信道纠错编码方式是 Turbo 码和 LDPC 码。而与 Turbo 码相比,在长码时，设计良好的 LDPC 码性能优于 Turbo 码。 在二元输入加性白高斯噪声信

6、道下,Chung等人所设计的1/2码率的非规则LDPC 码离Shannon容量限只有0.04 dB 4.另外,LDPC码译码速度快，可以实现并行处 理，而且有着比 Turbo 码更大的设计自由度，使得设计者可以更有效地在译码阈 值和错误平层或者其它特性上取得折衷.因此， LDPC 码更适用于大吞吐量的应用 场合，很适合于长时延的深空通信领域。所以，目前越来越多的学者和机构开始 深入研究 LDPC 码的性能.甚至是航空航天权威机构 NASA 和 ESA 也开始在他们 的任务中使用 Turbo 码和 LDPC 码.在这样的趋势下，我国未来的深空探测计划 也必将更多地应用到 LDPC 码，所以 LD

7、PC 码相关理论的研究是十分必要的.本课题来源于国家自然科学基金项目面向深空探测的通信理论及关键技术 中的子课题面向深空探测通信的联合编码调制技术研究。其目的就在于，针对深 空信道环境,研究 LDPC 码不同校验矩阵的构造方式、不同编译码方式的性能， 对比其优缺点，选择出最适合深空信道环境的 LDPC 码构造方式及相应的编译码 方式，并对它进行系统的仿真和性能分析.以此为我国 2015 年左右实现环绕火星 计划，甚至更多的深空探测计划做好技术储备。3. 国内外在该方向上的研究现状与分析深空通信的信道特征是接收信噪比很低,而可用的信道带宽相对较宽.在这种 功率受限信道上进行可靠通信 ,采用信道编

8、码技术来提高深空通信系统的增益是 十分必要的。纠错码技术问世 50 多年来，已在深空通信系统中获得了许多极为 成功的应用。3。1 国外研究现状分析NASA 和 ESA 是国外两个重要的航空航天研究机构，他们对于深空探测的 研究最具有权威性.如表 31 是 NASA 历年码字使用表.从表中可以看出深空通 信编码方式从未编码发展到卷积码，RS码，直到Turbo码、LDPC码的出现， 信道纠错编码成为深空通信的关键技术之一。ESA在2003年9月发射的第一个 月球探测器 SMART-1 中也使用了基于 Turbo 码的数据传输设备。在与彗星会合 的罗塞塔（Rosetta）项目中也采用了 Turbo码

9、.表 3-1 NASA 常用码字使用时间表采用的编码任务时间表未编码探测器探测器，水手1985今(25，1/2)卷积码先锋,金星19681978（32，6）Reed Muller水手,海盗19691975Golay旅行者1977今RS（255,223）+（7，1/2）旅仃者，Galileo1977今RS（255，223）+（7，1/3）旅行者1977今RS（255，var）+（14,1/4）Galileo19892003RS+（15，1/6）Gassini1996今TurboStereo， MRO1996今LDPCMSL20091993年Turbo码的提出被看作是信道编码理论研究的重要里程碑。

10、Berrou 等人将卷积码和随机交织器相结合，同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译 码，取得了超乎寻常的性能,并一举超越了截至速率，直接逼近 Shannon 信道容 量极限。空间数据系统咨询委员会(CCSDS, Consultative Committee for Space Data System)于1999年提出了深空探测中Turbo码的相关标准。Turbo码的主 要问题在于译码复杂度较高，目前只能应用于数据速率较低的场合.随着 Turbo 码的深入研究，人们重新发现由麻省理工学院 R。 G Gallager 于 1962 年发明的 LDPC 码67也是一种具有渐进特性的非常好码。上世纪

11、 90 年 代后期,Mackay，Neal等人通过大量仿真表明，LDPC的译码性能同样可以逼近 Shannon 信道容量限。而且 LDPC 码在中长码长时具有超过 Turbo 码的性能，并 且具有译码性能复杂度更低，能够进行并行译码及译码错误可检测等特点 ,成为 目前信道编码理论的研究热点。研究表明,Turbo码只是LDPC码的一个特例。Mackay， Luby 在 1997 年提出的非正则 LDPC 码10将 LDPC 码的概念推广。 非正则 LDPC 码的性能不仅优于正则 LDPC 码,甚至还优于 Turbo 码的性能,是目 前已知的最接近 Shannon 限的好码.1998 年，Divs

12、alar 等提出了 RA (Repeat Accumulate)码 11，即重复累积码。 RA 码具有线性时间编码和线性时间译码的好码.2000 年他们受到不规则 LDPC 码的启发，提出了不规则码重复累积码12，即 IRA(Irregular Repeat Accumulate) 码，他们证明了二进制 IRA 码可以取得不规则 LDPC 码同样优越的性能,而编码 复杂度远远低于 LDPC 码。2001 年， Richardson 等人应用密度进化理论来测度 LDPC 码的性能13。他 们在研究中发现,译码信息的迭代传递过程中存在着译码阈值现象。译码阈值的 大小与 LDPC 码的构造参数密切相

13、关,采用优化度序列设计的非正则 LDPC 码可 以有效地改善阈值。Tanner 和 Fossorier 等人在 2004 年提出了基于循环移位矩阵构造的 LDPC (QC一LDPC， Quasi一Cyclic LowDensity Parity-Check)码，这类码容易消 除小环，并且同样适宜用循环移位寄存器实现编码。ARA 码(Accumulate一Repeat-Accumulate Codes)作为 RA 码的改进，也是 LDPC 码的一种子类.它是深空通信中的一类非常有潜力的编码方法。2004 年， 洛杉矶大学和J PL (Jet Propulsion Laboratory)实验室开始

14、对ARA码进行研究14。2007年，CCSDS发布了一份LDPC码的编码标准，包括这些LDPC码的结 构、编码方式和性能试验结果。在当年 9 月发布的桔黄书中， CCSDS 提出了 2 类LDPC码：一类是基于有限几何(FG)构造的高码率LDPC码，推荐应用于近地 轨道航天器；另一类是ARA码，推荐应用于深空通信系统。3。2 国内研究现状分析近年来，西安电子科技大学在 LDPC 码基础理论及深空通信相关问题进行了 持续、深入的研究。如王单博士在其博士学位论文中系统地总结了现代编码理论 的发展历程和LDPC码的编译码原理，推导了不同测度下LDPC码和积译码算 法的消息迭代更新公式。孙蓉博士对系统

15、规则RA码和CT码的渐进性能界进行 了计算分析，从理论和仿真结果两个方面说明“度”的选取对系统规则码的性能 影响很大，而对系统规则码的性能影响相对较小16 。张桂华博士在其博士论文 中对深空测控系统通信体制的特点进行分析，并研究了高增益信道编码和微弱信 号的接收处理等关键技术，提出了一系列适用于深空探测的信道编码和微弱信号 接收的新方法。陈汝伟博士把Lan等所提出基于有限域构造准循环LDPC码的 方法在素域上进行推广，给出了一类更广泛的基于素域构造的准循环LDPC码。 通过仿真结果证实这一类准循环 LDPC 码在深空信道上采用迭代译码时具有优 良的纠错性能17.另外，在深空通信信道纠错编码方面

16、，香港城市大学李坪博士所提出的CT码 (Concatenated Tree Codes)是重复累积码(RA codes, Repeat-Accumulate Codes) 中的一例。CT码可以看成是一种LDPC码，其译码复杂度很低，但是性能却和同 样码长的 Turbo 码相当。中国科学院研究生院夏国江博士针对 CCSDS 提出的 AR4A 码译码复杂度较高的问题，结合空间通信的特点，构造了一族新的基于原 型图的码率兼容LDPC码。这族码的译码门限距信道容量都在0。5dB内，而且 最小码距随码长线性增长，从而有利于降低误码平台18。4. 研究内容(1) LDPC 码性能研究主要研究 LDPC 码各类校验矩阵构造方法，如有限几何构造方法、组合设计