無人機通信中的非對稱物理層網絡編碼研究*

袁全盛，胡永江，王長龍

(軍械工程學院 無人機工程系，河北 石家莊050003)

0 引言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)在通信、偵察、搜索、監測以及實時打擊等方面有著越來越多的應用，在未來戰場中將扮演重要的角色[1-2]。隨著無人機技術的發展，無人機的飛行高度、續航時間以及負荷能力有了很大的提高，同時，無人機機動性好、成本較低的特點使得無人機組網通信具有方式靈活、易于部署以及設備更新方便的優勢，因此無人機作為中繼平臺具有現實意義和很大的優勢[3]。在無人機組網通信中，任務無人機和中繼無人機之間的信道以及中繼無人機和地面控制終端之間的信道存在明顯差異[4]。因此，將地面終端-中繼無人機-任務無人機構成的無線中繼鏈路建模為非對稱雙向中繼信道(Two Way Relay Channel，TWRC)模型是符合實際應用環境的。

物理層網絡編碼 (Physical-layer Network Coding，PNC)可以提高通信系統的網絡吞吐量[5]。將物理層網絡編碼應用到無人機組網通信中，對于提高無人機通信系統的實時性具有重大意義。然而，要將物理層網絡編碼應用到無人機通信系統中，需要考慮非對稱條件下的物理層網絡編碼。文獻[6]提出基于重復累計(RA)編碼的非對稱速率協同分集網絡編碼方案，保證了較差鏈路傳輸的可靠性和較優鏈路傳輸的高效率，該方案進行一次信號傳輸需要3時隙。為提高吞吐量，文獻[7]提出了兩種2時隙的TWRC不對稱物理層網絡編碼傳輸方案。第一種方案采用級聯信道編碼，調制時兩個端節點仍然采用相同的調制方式，系統的復雜度較低；第二種方案采用子集編碼和子集調制，采用該方案時兩個端節點的調制和解調方式需作出相應的改變，復雜度較高，但性能較好。文獻[8]對非對稱調制物理層網絡編碼方案進行了研究，提出了基于符號映射的物理層網絡編碼方案，分析了BPSK-QPSK模式的非對稱調制方案的性能。

文獻[7]中第二種方案使用的是卷積碼，如果使用糾錯能力更強的信道編碼，如低密度奇偶校驗（Low Density Parity-Check，LDPC）碼，可以進一步提高系統的可靠性。從上面提到的文獻中可以看出，如何基于2時隙的傳輸模型，將物理層網絡編碼、信道編碼以及非對稱調制三者聯合設計，提出一種適應多種調制方式的方案，仍是一項具有挑戰性的工作。

為進一步提高系統的可靠性，研究不同非對稱調制模式的性能，本文針對無人機組網通信的實際環境，建立非對稱雙向中繼信道模型，提出了無人機通信中基于LDPC碼的非對稱調制物理層網絡編碼方案，即非對稱多階相移鍵控物理層網絡編碼方案(Asymmetric M-ary phaseshift keying Physical-layer Network Coding，AMPNC)。 本文分析了AMPNC的性能，進一步改善了系統的中斷性能等指標，更加符合無人機組網通信的實際環境，為物理層網絡編碼在無人機通信中的應用提供了理論依據。

1 系統模型

非對稱條件下的物理層網絡編碼可以分為四種：相位非對稱、上行鏈路非對稱、下行鏈路非對稱、節點非對稱[9]。因為非對稱調制發生在節點中，因此本文的研究主要基于節點非對稱的情形?；跓o人機組網通信的實際應用環境以及雙向中繼信道模型[10]，建立非對稱雙向中繼信道模型。如圖1所示，節點A為地面終端，節點R為中繼無人機，節點B為任務無人機。為提高遙控信號的抗干擾能力和遙測信號的傳輸速率，在節點A和節點B采取不同的調制方式，其中，節點A的調制方式為低階調制，節點B的調制方式為高階調制。香農分離定理表明，對確定的系統，獨立設計信源和信道編碼不會對最優性能帶來損失。根據該定理，本文不考慮具體的信源編碼方式。

圖1 系統模型

2 非對稱傳輸方案

基于無人機組網通信的實際環境，對非對稱條件下的物理層網絡編碼進行研究，提出物理層網絡編碼、信道編碼和非對稱調制三者結合的信號傳輸方案。不失一般性，為了方便闡述AMPNC方案，假設節點A的調制方式為QPSK，節點B的調制方式為8PSK。對于其他的非對稱MPSK調制方式，可采用類似的方法對方案進行闡述。

如圖2所示，在多址接入階段，節點A首先將未編碼信息xA進行LDPC編碼，編碼后的信息為cA，將cA進行QPSK調制(調制星座圖如圖3所示)，調制后的信息為sA，并將sA通過節點A到節點R之間鏈路發送到中繼。在節點 B，首先將未編碼信息xB進行LDPC編碼，編碼后的信息為cB，將cB進行8PSK調制(調制星座圖如圖4所示)，調制后的信息為sB，并將sB通過節點 B到節點 R之間鏈路發送到中繼。假設節點A到節點R之間的信道參數為hAR，節點B到節點R之間的信道參數為hBR。

圖2 多址接入階段傳輸模型

圖3 QPSK調制星座圖

圖4 8PSK調制星座圖

節點R接收到的疊加和信號可以表示為：

節點R接收到節點A和節點B發送的疊加和信息xR，通過解調得到信息dR（解映射星座圖如圖 5所示），將dR通過BP算法解碼后得到解碼后信息bR。

圖5 中繼解映射星座圖

3 性能分析

3.1 中斷概率分析

從信息論的角度出發，定義中斷事件為無法支持在速率R上可靠傳輸的一組信道事件。在圖2中，節點R的信道容量為：

其中，E[·]表示取 期望；PA(B)是 節點 A(B)發送信號功率；N0是信道噪聲的方差。

根據式(4)，對應于一個非各態歷經信道的設置，一次衰落實現的中斷條件可以表示為：

節點R處的中斷概率為：

其中，Pr[·]表示取概率。

在圖1所示系統模型中，系統的互信息量可以寫為信道衰落的函數：

其中，Γ=P/N0，min操作是考慮到系統的性能被節點 A到節點R之間的鏈路和節點R到節點B之間的鏈路中較差的鏈路所限制，只有中繼譯碼正確時才能實現準確的轉發操作。

因為lb是個單調函數，則中斷事件等價于：

節點A到節點R，再到節點B，鏈路的中斷概率為：

在式(7)中，R是鏈路的傳輸速率。將各個節點的發射功率以及各條信道的信道衰落的包絡代入式(7)，可得到節點A到節點B的中斷概率。節點B到節點A的中斷概率的分析方法與上面類似。

3.2 誤碼性能分析

首先分析MPSK調制下無線通信系統的誤碼率表達式：

其中，ρ是信噪比；bpsk=sin2(π/M)。

假設節點R能以可接受的誤碼率解調譯碼，則以功率PR向節點A和節點B廣播信號sR，否則中繼無法廣播。下面以節點A為例進行分析。中繼譯碼錯誤的概率為ΦPSK(PA|hAR|2/N0)，譯碼正確的概率為 1-ΦPSK(PA|hAR|2/N0)。計算系統的條件BER如下：

因此，得到圖1所示系統的BER如下所示：

其中：

節點B到節點A的鏈路的BER計算與節點A到節點B類似。

4 實驗結果

在圖6中，還給出了AMPNC方案與傳統傳輸方案的中斷性能的對比。從圖中可以看出，在低信噪比時，傳統傳輸方案的中斷性能較好；在信噪比約大于10 dB時，AMPNC的中斷性能明顯優于傳統傳輸方案。

圖6 不同傳輸方式下的中斷概率曲線

圖7給出了節點A和節點B發射功率相同時，不同調制方式對誤碼率的影響比較圖。通過圖中可以得出，隨著信噪比的增加，系統的誤碼率逐漸降低。分析圖中3條曲線可以得出，BPSK-QPSK模式的AMPNC方案的誤碼性能最好，這是因為在中繼傳輸過程中，兩個可能傳輸的符號之間的距離主要由中繼處的星座距離決定，發送的符號很有可能被誤判為該符號在中繼節點星座映射圖中相鄰的符號。在BPSK-QPSK模式中，無論是節點A和節點B的調制星座圖，還是節點R的聯合解調星座圖，其星座距離都是幾種模式中最大的，由此造成歐式距離最大，因此該模式的誤碼性能最好。

圖7 不同傳輸方式下的誤碼率曲線

5 結束語

本文基于無人機通信的實際環境，建立了無人機組網通信的非對稱模型，提出了一種非對稱多階相移鍵控物理層網絡編碼方案，研究了非對稱衰落信道中不同節點采用不同的PSK調制模式對物理層網絡編碼性能的影響，在理論分析系統中斷性能和誤碼性能的基礎上，對于不同的非對稱調制模式對系統中斷性能和誤碼性能的影響進行了實驗。仿真結果表明，與傳統傳輸方案相比，AMPNC的中斷性能得到很大提高，節點之間發射功率之比對系統的中斷性能有很大的影響；BPSK-QPSK模式的AMPNC方案的誤碼性能最好。在實際應用中，需要根據理論研究成果以及無人機通信對于中斷性能、誤碼性能等具體指標的要求，對系統的調制方案進行設計。本文為物理層網絡編碼在無人機組網通信中的設計以及性能評估提供了理論依據。

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