無人機物理層網絡編碼研究

楊志民，胡永江，王長龍

(軍械工程學院，河北石家莊050003)

0 引言

未來戰場以網絡中心戰為發展趨勢已成為定論，無人機［1］作為信息化戰爭中的新秀，以其獨有的靈活特性和機動優勢，在網絡化戰爭中發揮著不可替代的地位。然而，要打贏這場戰爭，就要求無人機能夠提高網絡的吞吐量和傳輸速率，保證網絡通信的實時性;能夠提高網絡的抗欺騙能力，保證網絡的安全性;能夠減少傳輸的誤碼率，保證網絡的可靠性;能夠包容現有軟硬件和協議，保證網絡的兼容性。

很多國家的無人機在通信方面都使用擴頻技術［2］，雖然鏈路傳輸的數據具有魯棒性，但是網絡傳輸速率低，傳輸所需要的時間長，不能完全滿足無人機對網絡化戰爭的需求。本文就是在這個背景下將無人機作為中繼機進行研究，主要闡述將物理層網絡編碼應用到無人機通信的技術。通過對近幾年各個學者對物理層網絡編碼的研究，提出了無人機使用物理層網絡編碼進行通信的原理以及方法技術，為下一步在理論上對無人機通信方式的創新提供研究基礎。

1 模型的提取

目前，無人機的中繼通信模式多種多樣，典型的模式主要包括以下幾種情況。

①地面—無人機—地面。A和C代表地面發射機和接收機，B代表無人機，A和C之間需要進行通信，但是由于距離很遠或者收發者之間的信道條件很差，造成不能直接進行通信。為解決這一問題，可以將B看成中繼機［3］，A和C先將信息傳送給B，接著由B進行廣播，從而實現A和C之間的實時通信，如圖1所示。

圖1 地面—無人機—地面模型

②一點多機。地面A需要分別和無人機C1、C2和C3進行互相通信，但是由于距離遠，發送功率小，使得它們之間無法進行通信，而無人機B正好在它們之間，此時B就充當著中繼機的作用，方便地面與其他無人機進行通信，如圖2所示。

圖2 一點多機模型

③ 串行結構。A、B、D、E和F都是無人機，A和F之間要進行互相通信，此時B、D和E這3個無人機都將充當中繼機，如圖3所示。

圖3 串行結構模型

④ 環形結構。A、B、C、D和E這5架無人機之間需要相互通信，此時，每個無人機既是接收者又是發射者，都充當中繼機，如圖4所示。

通過對以上4個典型的通信模式進行比較，發現它們都有一個共同的特點:2個點(包括地面和無人機或者無人機和無人機)之間需要互相通信，但是由于相距比較遠或者信號發射功率小，需要借助中繼機進行轉發通信。將地面、無人機和中繼機都設成1個點，就可以提取出下面的模型，即雙向中繼系統傳輸模型［4］。所謂雙向中繼傳輸，就是2個源節點通過中繼節點相互交換信息，如圖5所示。

圖4 環形結構模型

圖5 雙向中繼系統模型

首先2個源節點A和C分別或同時向中繼節點B發送信息(這個過程稱為上行鏈路)，然后中繼節點B給2個目的節點A和C(也就是源節點)廣播信息(這個過程稱為下行鏈路)。A和B之間的信道設置為信道1，B和C之間的信道設置為信道2，信道的距離和類型不同，中繼節點處理信號的方式也就不同。因此，這個雙向中繼系統傳輸模型非常符合無人機之間的通信模型，下面將采用這個模型代替無人機通信模型進行研究。

2 物理層網絡編碼的原理

傳統的雙向中繼系統通信方式如圖6所示。在第1時隙，源節點A將信息bac傳給中繼節點B;在第2個時隙，源節點C將信息bca傳給中繼節點B;在第3個時隙中繼節點B將信息bac傳給目的節點C;在第4時隙中繼節點B將信息bca傳給目的節點A，經過4個時隙節點A和節點C才完成一次信息交換。

圖6 傳統信息傳輸模式

雖然傳統的信息傳輸模式誤碼率很低，但卻造成其吞吐量不能達到香農提出的“最大流、最小割”定理［5］的上界，其接入容量、吞吐量和頻譜利用率嚴重受限。為了解決上述問題，R.Alshwede等在2000年提出網絡編碼［6］的概念。網絡編碼是指允許中繼節點同時向多個節點發送多個信息流的某種組合信息，同時每個接收節點可以利用這種組合信息和自身已存儲信息進行各種處理，得到所需目標信息的一種通信方式。如圖7所示，在第1時隙，源節點A將信息bac傳給中繼節點B;在第2個時隙，源節點C將信息bca傳給中繼節點B，中繼節點B對接收到的信息進行網絡編碼(如進行模2和運算得到bac⊕bca);在第3個時隙將處理之后的信息進行廣播，節點A(節點C)依靠自身存儲的信息將節點C(節點A)的信息恢復出來，即完成了一次信息交換。網絡編碼的通信模式和傳統的通信模式相比，減少了一個時隙，其網絡吞吐量提高了33%。由此可見，網絡編碼充分利用了數據包之間的關聯性，提高了網絡的吞吐能力。

圖7 網絡編碼模式

但是網絡編碼要在無線網絡中得以應用，除了要考慮無線信道環境的廣播所帶來的干擾、信道衰落所帶來的損失以及噪聲干擾外，同時要兼顧現有已存的無線網絡軟硬件設備和傳輸協議，這就要求必須在中繼節點處的物理層實現網絡編碼［7］。物理層網絡編碼的原理是中繼節點通過選擇適當的調制/解調技術，將互相疊加的電磁波信號映射為相應的數字比特流，然后進行異或處理(即進行了網絡編碼)，使得所有多徑、多播干擾變成網絡編碼算法操作的一部分，充分利用干擾來提高通信系統的性能，而不是成為通信的負面因素。上行鏈路流程圖(即第1個時隙)如圖8所示:A節點的信號a和C節點的信號c在f(·)函數作用下由網絡層映射到物理層分別得到a'和c'，接著將2個信號同時傳輸到中繼節點B進行處理得到b'=a'Θc'。b'經過h(·)函數作用后由物理層映射到網絡層得到b，此時第1個時隙(即上行鏈路)才完成。需要注意的是f(·)函數和h(·)函數的選取需要滿足一定的條件，具體參考文獻［7］。在第2個時隙(即下行鏈路)和直接網絡編碼的第3個時隙相同，這里就不再贅述。

圖8 上行鏈路流程

物理層網絡編碼的簡化模式如圖9所示，完成一次信息交換只需要2個時隙，相對于傳統信息傳輸模式和網絡編碼模式其吞吐量分別提高了100%和50%。此外，物理層網絡編碼利用中繼節點計算能力和調制/解調技術，能夠進一步提高無線網絡的傳輸速率、頻譜利用率、安全性、可靠性、魯棒性和分集增益，可以徹底解決廣播特性帶來的不安全性、干擾特性和不可靠性。因此，將物理層網絡編碼應用在無人機的通信方面能夠滿足網絡化戰爭下對無人機的軍事需求。

圖9 物理層網絡編碼的簡化模式

3 物理層網絡編碼的分類和技術

根據編碼域的大小將物理層網絡編碼分為有限域上的物理層網絡編碼和無限域上的物理層網絡編碼［8］。在無人機通信網絡中，由于要將無線電磁波信號的疊加映射到伽羅華域(GF(2))上的數據比特流運算，使得干擾變成網絡編碼中算法操作的一部分，因此本文研究的編碼域是有限域，即研究有限域上的無人機物理層網絡編碼。

網絡戰爭環境復雜，為了便于研究，假設無人機的傳輸過程工作在半雙工模式，即一個節點不能同時進行發送和接收信號，另外假設A和C之間無直傳鏈路，它們之間只能通過中繼節點B進行通信。由于信道1和信道2的信道條件［9］以及信號的傳輸方式不同，將無人機物理層網絡編碼分為3種情況。

3.1 同種信道同步傳輸

條件是:2個源節點發射功率相等，采用相同的調制方式，信號發射完全同步，2個源節點到中繼節點的距離相等，信道為加性高斯白噪聲信道，噪聲方差為σ2，雙邊功率譜密度為N0/2。

3.1.1 物理層網絡編碼與調制技術相結合的技術

文獻［7］于2006年第一次提出物理層網絡編碼后就開始對雙向中繼物理層網絡編碼進行研究。他將物理層網絡編碼和調制相結合，在源節點通過QPSK調制將信號由網絡層映射到物理層，在中繼節點對接收到的混合信號進行解調映射后再重新調制，從而完成上行鏈路。在下行鏈路中，中繼節點將處理之后的信號廣播出去，目的節點通過對信號進行解調，依靠緩存自身的信號恢復出源節點的數據。將QPSK調制推廣到8進制相移鍵控(8PSK)以及多進制相移鍵控(MPSK)，系統的性能會隨之改變。仿真結果表明，隨著信噪比的提高，相位鍵控的進制越高，得到的信道容量就越接近香農邊界［10］。

3.1.2 物理層網絡編碼、調制和信道編碼結合技術

將物理層網絡編碼和調制技術結合起來雖然對信道容量有很大地提升，但是對系統的誤碼率并沒有很大地改善，因此，有些學者就考慮將信道編碼融入進去。

文獻［11］最早提出將信道編碼和XOR網絡編碼聯合研究，他們提出了一種Turbo網絡編碼，研究發現這種機制可以大大地改進物理層網絡編碼在無線系統中的可靠性。接著陳志成［12］等提出了基于QAM的物理層網絡編碼與信道編碼聯合設計的方案，該方案巧妙地引入一種去噪映射方法，同時利用卷積碼和異或網絡編碼的線性性質，使得中繼節點的解調和譯碼的復雜度減少50%，而且使得信道容量大大提高，但是誤碼率并沒有顯著地降低。彭汐單［13］基于Turbo碼提出了一種聯合信道與物理層網絡編碼的實施機制，提出的機制和Turbo碼多用戶檢測器組成的自適應機制與傳統的機制相比至少能夠獲得1.58倍的增益，不僅減少了譯碼復雜度，而且在高信噪比情況下獲得良好的性能。顧云［14］則提出了一種結合LDPC信道編碼的物理層網絡編碼方案。LDPC碼是一種容量能夠逼近香農限的編碼方式。由于其簡單的數學定義，利于硬件實現并行譯碼算法，且當碼長足夠長時，具有比Turbo碼更優良的性能。在中繼節點采用LDPC和積譯碼算法［15］，極大地降低了誤碼率。

在同種信道同步傳輸條件下對物理層網絡編碼的研究很多，不論是在傳輸速率方面還是在網絡吞吐量方面和傳統的通信方式相比都有極大地提高，這滿足了信息化戰爭中對無人機的需要，保證無人機網絡通信的實時性。但是上述條件比較苛刻，在實際環境中難以實現。

3.2 同種信道異步傳輸

條件是:2個源節點發射功率相等，但是信號不同步，包括載波頻率不同步以及相位偏移和符號不同步，信道均為加性高斯白噪聲信道，噪聲方差為σ2，雙邊功率譜密度為N0/2，2個節點到中繼節點的距離相同。

從文獻［7，16，17］可以得出:符號偏移和載波相位偏移會直接導致整個通信系統性能下降。對于BPSK調制方式，由于符號偏移和載波相位偏移導致誤比特率(BER)在最壞的情況下會下降3 dB;對于QPSK調制方式，若載波相位偏移π/4，在沒有信道編碼時，BER在最壞情況下會有6 dB的損失。雖然國內外有很多學者都在研究異步問題，但是成果卻不多。

3.2.1 物理層網絡編碼與調制技術的結合

香港中文大學的張勝利教授根據如圖10所示的模型，在中繼節點首先對接收到的信號采用過采樣的方式獲取信息，通過信任擴散(Belief Propagation，BP)［18］算法對信息進行迭代，從2個信號的和信號中得到網絡編碼的信息［19］。研究結果顯示，隨著相位偏移的增加，信息傳輸的誤碼率越來越大，但是符號偏移卻可以加快誤碼率的下降，提高系統的性能。

圖10 異步條件下中繼節點接收信號模型

3.2.2 物理層網絡編碼、調制和信道編碼結合技術

文獻［19］在QPSK調制的基礎上將重復累計碼(RA)信道編碼與物理層網絡編碼聯合起來，在中繼節點同樣采用BP算法迭代信息，使用最大后驗概率(MAP)的方法獲取2個源節點的網絡編碼信息，研究發現不論是相位偏移還是符號偏移都可以提高整個系統的性能，降低誤碼率。

信道編碼的使用減少了信號異步帶來的各種缺失，甚至使相位偏移和符號偏移提升系統的性能，因此使用信道編碼是提高通信系統性能的重要方法。但是這方面的成果卻很少，原因是必須要尋找一種合適的算法(如BP算法)才能夠將信道編碼和物理層網絡編碼聯合起來。因此下一步的工作就是尋找合適的算法將更多的信道編碼方式(如卷積碼、Turbo碼［20］)使用在物理層網絡編碼上，以改善系統的性能。

3.2.3 OFDM技術和物理層網絡編碼的結合

正交頻分復用(OFDM)技術由于其高效的頻譜利用率、良好的抗多徑衰落性和頻率選擇性被廣泛地應用于通信的各個方面［21］，但是和物理層網絡編碼結合起來研究的卻很少。文獻［22］表明任何時域中的符號偏移通過OFDM將會轉化成頻域中的相位量。因此下一步的工作就是將OFDM和物理層網絡編碼聯合起來應用在無人機的通信中。

3.2.4 MIMO技術和物理層網絡編碼的結合

MIMO技術和物理層網絡編碼結合有2個優點:①提高系統的吞吐量;② 減少系統處理的復雜性［23］。文獻［24］提出了物理層網絡編碼和空時編碼聯合方案，如圖11所示。源節點和中繼節點都有2根天線。中繼節點將收到的信息通過最大似然檢測(ML)后進行物理層網絡編碼。研究表明，雙天線技術不僅保證了網絡編碼帶來的編碼增益，還利用了空時編碼獲得很大的分集增益。文獻是在同步條件下研究的，下一步的研究就是在異步的條件下將MIMO技術和信道編碼聯合解決異步傳輸的問題。

圖11 物理層網絡編碼與空時編碼聯合方案

同種信道異步傳輸方式在無人機通信中很常見，多個飛機與中繼機在平流層上進行信號的傳輸就符合這種狀況。因此，研究同種信道異步傳輸方式對無人機的通信有很大的意義。

3.3 不同種信道異步傳輸

條件是:信道不同，發射信號不同步。隨著信息化的不斷發展，很多局部戰爭將在城市中進行。城市建筑物比較高，無人機發送的信號多數被反射，產生多徑效應，其信道可以抽象為賴斯信道［25］。另外，地面發射站一般離中繼機比較遠，而且是在視野寬闊的地帶，其信道可以抽象為高斯信道。信道不同，且信號發射也不同步，中繼機進行信號處理的難度無形間加大了很多。

不同種信道異步傳輸的條件最符合無人機的實際通信情況，但是國內外在物理層網絡編碼的研究很少，這也是下一步研究的工作重點。

4 結束語

無人機在現代軍事中發揮著越來越重要的作用，戰場環境復雜多變，無人機通信質量的好壞對戰爭的影響很大。在研究中，將無人機的通信模型簡化成雙向中繼信道的模型是符合要求的。信道的條件從理想環境到一步步復雜，研究的人越來越少，技術也越來越不成熟，所以就很有必要研究在復雜信道條件下物理層網絡編碼的聯合技術，提高無人機在實際環境下的通信容量和抗干擾性能。

［1］楊萬君，崔艷華，王旭寧.無人機多機并行測控與數傳技術研究［J］.無線電工程，2013，43(8):16 －18.

［2］呂金龍，陳樹新.無人機衰落信道擴頻通信性能研究［J］.電子技術應用，2010(3):120 －123.

［3］封立斌，王永生，姚如貴.無人機中繼通信系統中信息傳輸調度算法研究［J］.微處理機，2006，5:46 －49.

［4］苗金華.TWRC中物理層差分網絡編碼［D］.天津:天津大學，2010:9－37.

［5］徐光聯，邢永中.網絡分析中應用最大流最小割的初值［J］.通信技術，2008，9(41):130 －133.

［6］AHLSWEDE R，CAI N，LI S Y R，et al.Network Information Flow［J］.IEEE Trans.on Information Theory，2000，46(4):1 204－1 216.

［7］ZHANG S L，LIEW S C，LAM P.Physical-layer Network Coding［C］∥The Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(ACM Mobi-Com)，2006:358－365.

［8］ZHANG S L，LIEW S C，LU L.Physical Layer Network Coding Schemes over Finite and Infinite Fields［C］∥Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference，Piscataway，NJ:IEEE Press，2008:1 － 6.

［9］金 石，張曉林，周 琪.無人機通信信道的統計模型［J］.航空學報，2004(1):62 －65.

［10］王 靜，劉向陽，王新梅.無線網絡中基于MPSK的物理層網絡編碼［J］.高技術通訊，2009，19(2):147 －150.

［11］HAUSL C，HAGENAUER J.Iterative Network and Channel Decoding for the Two-way Relay Channel［C］∥ In Proc IEEE International Conference on Communications(ICC)，Istanbul，2006:1 568 －1 573.

［12］陳志成，鄭寶玉，吉曉東.一種信道編碼與物理層網絡編碼的聯合設計［J］.信號處理，2011，27(5):658 －663.

［13］彭汐單，楊濟海，楊璐.信道編碼與物理層網絡編碼的聯合設計［J］.通信技術，2009，42(4):35－40.

［14］顧 云.雙向中繼網絡中的物理層網絡編碼方案［J］.研究與設計微型電腦應用，2012，28(6):17－19.

［15］DAVID J C.Good Error-correcting Codes Based on Very Sparse Matrices［J］.IEEE Trans.Inform.Theory，1999，45:399－431.

［16］HAO Y，GOECKEL D，DING Z.Achievable Rates of Physical Layer Network Coding Schemes on the Exchange Channel［C］∥ Proceedings of 2007 IEEE Mil Comm Conf，2007:1 －7.

［17］ZHANG S L，LIEW S C，LAM P.On the Synchronization of Physical-layer Network Coding［C］∥ Proceedings of 2006 IEEE Information Theory Workshop，2006:404 －408.

［18］YEDIDIA J S，FREEMAN W T，WEISS Y.Understanding Belief Propagation and Its Generalizations［J］.TechnicalReport TR2001 －22，MERL，2001.

［19］LU L，ZHANG S L.Asynchronous Physical-layer Network Coding［J］.Wireless Communications，IEEE Transactions，2012，11(2):819 －831.

［20］HUI J.Analysis and Design of Turbo Like Code ［D］.California:California Institute of Technology，2001.

［21］姚春鳳，修春娣，齊電海.無人機信道下OFDM系統同步研究及仿真［J］.通信技術，2010，01(43):17 －19.

［22］ROSSETTO F，ZORZI M.On the Design of Practical A-synchronous Physical Layer Network Coding［J］.IEEE SPAWC，2009:469 －473.

［23］ZHANG S L，LIEW S C.Physical Layer Network Coding with Multiple Antennas［J］.IEEE WCNC，2010:1 －6.

［24］XU N，FU S.On the Performance of Two-way Relay Channels using Space – time Codes［C］∥ Int.J.Commun.Syst.，2011.

［25］李 冰，陳自力，邱金剛.無人機通信信道模型研究［J］.裝備環境工程，2009，6(3):25－29.