Link-16戰術數據鏈系統糾錯性能分析

宋南瑩 溫東 劉翠海

摘要：本文研究了JTIDS戰術數據鏈系統的基本結構和原理。討論了系統的抗干擾性能，建立了系統的性能分析模型。分析了JTIDS戰術數據鏈中的RS糾錯編碼。研究了Rs碼的抗干擾性能。 利用Matlab仿真平臺實現了系統仿真，并對結果進行了分析。

關鍵詞：JTIDS;MSK調制解調;RS碼;CCSK;仿真

中圖分類號：TN973? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1引言

聯合戰術信息分布系統（JointTactical Information Distribution System。JTIDS）是美國軍方聯合作戰系統C4ISR的一個主要組成部分，被稱為“戰斗力倍增器”。JTIDS是一個大容量信息分發系統，以其優異的性能、連通性、數據相關性和系統耐用性在作戰應用方面， 為決策者提供了一個良好的指揮和控制工具。

JTIDS由于其采用RS（31，15）編碼和碼元交織技術，因此具有強大的抗突發干擾能力。 即使信號在傳輸過程中存在較多錯誤，也可以恢復所有正確的信息[1]。它使用加密技術實現安全可靠通信，并且是美國和北約當前及未來一段時間內的主要信息分發系統。對其抗干擾性能的研究是一項非常緊迫而重要的工作，具有重要的研究意義[2]。

本文針對16數據鏈使用的RS糾錯編碼和MSK調制的特點，對其抗干擾性能進行了仿真研究。通過研究系統的結構和過程，建立了仿真模型，得到了系統的信道信噪比與誤碼率之間的動態關系。為JTIDS系統的可靠性傳輸提供了有用的參考。

2 RS編碼

RS（Reed Solomon）編碼是目前最有效、應用最廣泛的差錯控制編碼方法之一。它是一種多進制本原BCH碼，既能糾錯隨機誤碼又能糾錯突發性誤碼。由于它的優良性能，所以，其被廣泛運用于軍事信息，衛星通信，光纖通信等通信系統中。

2.1有限域

僅含有限多個元素的域。它首先由E.伽羅瓦所發現，因而又稱為伽羅瓦域。對于任何質數p，存在一個含有p個元素的有限域，記作GF（p）。

一切有限域都有加法和乘法兩種運算，并必須滿足以下條件：[3]（1）封閉性：若任意兩元素a·b∈GF（p），則有a+b∈GF（p） a·b∈GF（p）; （2）結合律：若任意a、b、c∈GF（p），則有（a+b）+c=a+（b+c），（a·b）c=a（b·c）; （3）交換律：若任意a、b∈GF（p），則有a+b=b+a，a·b=b·a; （4）有乘法恒等元e和加法恒等0，使任意元素a∈GF（p）都有：a+0=a， a·e=a; （5）任意元素a∈GF（p）都有乘法逆元素a-1？和加法負元素（-a），使a+（-a）=0，a·a-1=e; （6）乘法分配律：任意a、b、c∈GF（p）有a（b+c）=a·b+a·c。

GF（p）可以擴展到pm個元素，記作GF（Pm），稱為GF（p）的擴展域，其中，m為正整數。在數字數據傳輸和存儲系統中，由于編碼總是二進制形式的，所以常使用二進制域GF（2）及其擴展域GF（2m）。

RS碼使用的就是二進制域GF（2）={0，1}的擴展域GF（2m），GF（2m）域中，含有2m個元素，除0，1外，所有元素都可以用a冪表示，即F={0，a0， a1， a2… aj…}，也可以用多項式的形式表現出來：其冪次小于等于m-1。

ai（x）=ai，0+ai，1x+ai，2x2+…+ai，m-1xm-1

如果Xn+1式（n=2m-1）能被多項式p（x）整除，那么稱p（x）為本原多項式。通常記作：

p（x）=1+X+Xm

2.2 RS碼編碼

RS編碼屬于循環碼，RS編碼過程就是用信息多項式m（x）除以生成多項式g（x），再用余式h（x）當做校驗多項式，置于m（x）之后，即形成RS碼[4]。

RS碼的生成多項式g（x）形式如下：

g（x）=（x-a）（x-a^2） （x-a^3）…（x-a^2t）= ∏_（i=1）^2t？〖（x-a^i）〗

公式中，a為GF（2m）={ 0，a0， a1， a2… aj…}中的本原元素，t為RS碼能夠糾正的錯碼個數。

如果設信息多項式m（x）為：

m（x）=x^（k-1） m_（k-1）+x^（k-2） m_（k-2）+…+x^1 m_1+m_0

則經過RS編碼后的碼字多項式c（x）為：

c（x）=x^（n-k） m（x）+h（x）=x^（n-k） m（x）+[x^（n-k） m（x） ]modg（x）

2.3 RS碼譯碼

RS碼的譯碼原理就是由接收碼r（x）中求出錯誤圖樣e（x），即找到錯誤的位置和錯誤的值，然后將接收碼r（x）和錯誤圖樣e（x）求差，得到最可能發送的碼字，完成譯碼。通常情況下，譯碼分為4步：（1）由r（x）計算伴隨式;（2）由伴隨式計算差錯位置多項式;（3）求解差錯位置多項式的根，得到差錯數量，確定出錯位置;（4）最后求出錯誤圖樣e（x），將接收碼r（x）和錯誤圖樣e（x）求差，得到最可能發送的碼字，完成譯碼。

3戰術數據鏈系統仿真方案

JTIDS編碼的系統模型如圖1所示，該系統采用RS（31，15）和RS（16，7）編碼，MSK調制技術和CCSK循環碼移位鍵控相結合，分析了在高斯信道下誤碼率與Eb/E0的關系。

3.1字符交織模塊

在數字信號的傳輸過程中，信號碼元波形會受到噪聲干擾，導致在到接收端的傳輸中可能發生錯誤判斷。也就是說，“0”被誤認為是“1”，或“1”被錯誤地判斷為“0”，因此每個錯誤發生一次。有時，由于突發的脈沖干擾，錯誤代碼有可能成串地出現，當連續錯誤個數超過糾錯編碼的承受能力，就會導致無法通過糾錯編碼糾正過來。

交織技術的基本思想是： 由預定規則代替已經經過糾錯編碼的碼元的順序，這個替換處理的過程稱為交織編碼。如果在傳輸中發生連續錯誤，則這些錯誤肯定會集中在交織碼符號序列的某個部分中。由于交替碼的符號序列被打亂，因為在接收端的逆置換，所以集中的誤差可以被原始碼序列分散和替換。可以通過使用糾錯編碼技術來糾正這些錯誤代碼[5]。

為了提高抗突發錯誤的能力，JTID系統在進行RS編碼后對報頭和消息字進行了字符交織。標準格式的3個（31，15）RS碼字包含93個碼元，2倍封裝格式的6個（31，15）RS碼字包含186個碼元，4倍封裝格式的12個（31，15）RS碼字包含372個碼元。對于每一種封裝結構，報頭的16個碼元均按照預定順序與消息字數據碼元交織排列。

3.2循環移位鍵控（CCSK）編碼[6]

JTIDS系統中的循環移位鍵控（CCSK）編碼，通過選用一個具有良好自相關特性的偽隨機序列S0，用其循環移位表示數據。在JTIDS系統消息格式中，利用5bit碼元組成的RS編碼報頭和經過交織后的數據碼元信息進行CCSK編碼，即（32，5）編碼。通過對長度為32bit的CCSK碼字S0循環左移n次，就可生成第n個碼元對應長度為32位的CCSK碼字，n為被編碼碼元（00000～11111）。CCSK解擴是CCSK（n，k）編碼的逆過程，即（k，n）編碼。對JTIDS系統而言，CCSK解碼即為（5，32）編碼，編碼和解碼采用同一映射關系。

3.3 RS糾錯編碼

在JTIDS系統中使用的是前向糾錯編碼，J序列消息中的每條固定格式消息均含有1個報頭和3個消息字，報頭35bit，每個消息字75bit，共260bit。報頭、固定格式消息、可變格式消息和自由文本消息都采用了RS信道編碼實現前向糾錯。系統使用RS（31，15）和RS（16，7）編碼。其中RS（16，7）是RS（31，15）的縮短碼，將最高位8位信息位置置為0，形成15個碼字，然后進行RS（31，15）編碼，最后再將后面的7位校驗位刪除。因此，RS（31，15）和RS（16，7）碼都是在GF（25）域中生成，編碼過程相同。

4仿真結果分析

在加性高斯白噪聲信道中，使用RS（31，15）碼，并且在 MSK調制和解調模式中，在 JTIDS系統上進行性能仿真，以獲得不同信噪比（SNR）下的誤碼率（BER）曲線，如圖2所示。

從仿真結果圖中可以看出，在 MSK調制模式下，當信噪比大于-4 dB時，并且在相同信噪比的情況下，使用 RS編碼的系統具有最低的誤碼率，并且經過軟擴頻碼元交織之后的誤碼率次之，直接 MSK解調后的誤碼率最高。這表明經過RS糾錯編碼的性能得到了很大的提高，取得了滿意的效果。當信噪比小于-5 dB時，誤碼率明顯高于未編碼時的誤碼率和軟擴頻， 信道編碼不再提高系統性能，性能降低，原因是解調輸出中的錯誤數量已超過（31，15）RS碼的糾錯能力，通過解碼增加了冗余碼元反而消耗能量。

因此，在糾錯碼的實際應用中，必須估計信噪比，如果信噪比過低，則有必要嘗試改善信道質量，否則不能應用糾錯編碼來改善信道質量。

5結語

隨著信息技術的不斷發展，對JTIDS信息傳輸的有效性和可靠性的要求也越來越高，這肯定會對JTIDS的抗噪性能提出更高的要求。本文利用Matlab對JTIDS系統進行了仿真，通過交織編碼，軟擴頻和RS信道糾錯編碼有效地提高了JTIDS系統的傳輸質量。

參考文獻

[1] 呂義東，周銘.JTIDS系統RS碼性能分析與仿真[J].實驗科學與技術，2015.8：1672-4550.

[2] 劉鵬，郭全，王燕.JTIDS的誤碼率性能分析[J]. 艦船電子對抗，2011.1：1673-9167.

[3] 楊爵，郎宗棪.高等學校教學參考書 實用糾錯編碼[D]中國鐵道出版社，1988，03.

[4] 趙愛萍，王文利.RS碼的譯碼算法及軟件實現[J]電子測量與儀器學報，2008，2：1000-7105.

[5] 劉吉超，王靜，杜力坤·蘇來曼.通信中的交織編碼及其MATLAB仿真.新疆師范大學物理與電子工程學院，2010.

[6] 朱文婷.基于CCSK的JTIDS數據鏈研究與仿真[D].西安電子科技大學，2015.

Error Correction Performance Analysis of? Link-16 Tactical Data Link System

SONG Nan-ying ，WEN Dong，LIU Cui-hai

（Navy Submarine Academy， Qingdao Shandong? 266100）

Abstract： This paper studies the basic structure and principle of the JTIDS tactical data link system. The anti-jamming performance of the system is discussed and the performance analysis model of the system is established. The RS error correction coding in the JTIDS tactical data link is analyzed. The anti-interference performance of Rs code is studied. The system simulation was realized by Matlab simulation platform， and the results were analyzed.

Key words：JTIDS;MSK;RS code;certification of cloud security knowledge（CCSK）;simulation