胡永江，楊志民，袁全盛

(軍械工程學院，河北 石家莊 050003)

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無人機物理層網(wǎng)絡編碼聯(lián)合技術研究

胡永江，楊志民，袁全盛

(軍械工程學院，河北 石家莊 050003)

摘要目前的網(wǎng)絡接入傳輸模式無法滿足無人機在戰(zhàn)場環(huán)境中信息傳輸?shù)膶崟r性、安全性和可靠性要求，而物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式不僅可以大大提高網(wǎng)絡的吞吐量，還能夠獲取編碼增益。提出了將物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式應用在無人機通信中的方案，以滿足無人機在戰(zhàn)場環(huán)境中信息傳輸?shù)膶崟r性、安全性和可靠性等要求。

關鍵詞物理層網(wǎng)絡編碼；雙向中繼傳輸模型；調(diào)制技術；信道編碼

0引言

未來戰(zhàn)場以網(wǎng)絡中心戰(zhàn)為發(fā)展趨勢已成為定論[1]，無人機作為信息化戰(zhàn)爭中的新秀，以其獨有的靈活特性和機動優(yōu)勢，在網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭中具有不可替代的地位。

根據(jù)網(wǎng)絡通信中的最大流最小割定理[2]，端到端的最大容量是由網(wǎng)絡最小割決定的，尋找一種可以逼近或者達到網(wǎng)絡容量上界的方法，就成為了人們研究探索網(wǎng)絡通信的目標。但長期以來，網(wǎng)絡中繼節(jié)點只對接收到的信息進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，不會對網(wǎng)絡信息傳輸帶來性能增益，達不到網(wǎng)絡通信理論容量上限。Ahlswede在2000年提出了網(wǎng)絡編碼的概念，并從理論上證明了對組播網(wǎng)絡中的某些節(jié)點附加額外的編碼操作，能夠使得組播傳輸達到最大理論傳輸容量[3]。Zhang在2006年提出了物理層網(wǎng)絡編碼的概念，該編碼不僅轉(zhuǎn)發(fā)，還參與數(shù)據(jù)處理，提高了通信容量和吞吐量，是一種融合了路由和編碼的信息交換技術[4]。無人機物理層網(wǎng)絡編碼即把物理層網(wǎng)絡編碼的技術同無人機的通信結合起來，以達到無人機對網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭的需求。

1無人機物理層網(wǎng)絡編碼的原理

無人機的組網(wǎng)模式多種多樣，文獻[5]總結了無人機各種組網(wǎng)模式，其中繼節(jié)點可采用雙向中繼系統(tǒng)傳輸模型來進行研究，如圖1所示。2個源節(jié)點A和B分別或同時向中繼節(jié)點R發(fā)送信息，中繼節(jié)點R對接收的信息直接轉(zhuǎn)發(fā)，或者經(jīng)過一些處理后向2個目的節(jié)點B和A(也就是源節(jié)點)廣播信息。

圖1　雙向中繼系統(tǒng)傳輸模型

在雙向中繼系統(tǒng)傳輸模型中，假設所有的節(jié)點都工作在半雙工模式，即所有節(jié)點不能同時發(fā)送信號和接收信號[6]，則信號的傳輸模式分為3種：傳統(tǒng)信息傳輸模式、網(wǎng)絡編碼傳輸模式和物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式[7]。

3種傳輸模式完成一次信息交換所需時隙以及傳輸速率，如表1所示，可知物理層網(wǎng)絡編碼相對于傳統(tǒng)信息傳輸模式和網(wǎng)絡編碼傳輸模式，傳輸速率分別提高了100%和50%，這為無人機的實時通信提供了重要保證。因此，將物理層網(wǎng)絡編碼應用在無人機的通信系統(tǒng)中能夠滿足網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭對無人機的軍事需求。

表1　3種傳輸模式的對比

同步條件下3種傳輸模式誤碼率隨信噪比變化的關系圖如圖2所示?？梢缘玫?，傳統(tǒng)信息傳輸模式的誤碼率最低，物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式誤碼率相對高一點，但是卻比網(wǎng)絡編碼傳輸模式低。當誤碼率為10-5時，物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式需要增加0.3 dB的信噪比才可以使自己的誤碼率降低到跟傳統(tǒng)信息傳輸模式相同的誤碼率水平，但是其吞吐量卻比傳統(tǒng)信息傳輸模式提高了100%，傳輸速率也提高了100%。因此，從整體角度考慮，物理層網(wǎng)絡編碼在3種傳輸模式下性能最好，這就為物理層網(wǎng)絡編碼傳輸模式應用在無人機上提供了理論依據(jù)。

圖2　3種傳輸模式誤碼率隨信噪比變化的關系

2無人機物理層網(wǎng)絡編碼的研究進展

2.1　編碼映射模式

到目前為止，無人機物理層網(wǎng)絡編碼的主要編碼映射模式有4種：基于比特的異或(XOR)[8,9]、基于符號級的疊加(Superposition,SUP)模式[10]、基于碼字的向量模加(Vector modulo addition,VMA)模式[11,13]和基于排斥準則的近鄰成簇(Closest-neighbor cluster,CNC)模式[14]。

4種編碼映射方式的對比如表2所示。從表2中可以得到：CNC映射模式雖然性能最好，但是編碼方式和譯碼方式都非常復雜，基本實現(xiàn)不了，而且只能用于QAM調(diào)制；VMA映射模式性能也不錯，但是只適用于TCM調(diào)制，應用范圍比較狹窄；SUP映射模式和XOR映射模式性能均屬于次優(yōu)，但是XOR映射模式的編碼方式和譯碼方式都最簡單，且應用最廣泛，更利于工程上的實現(xiàn)，因此在中繼節(jié)點處采用XOR的映射模式。

表2　4種編碼映射模式的對比

2.2　與調(diào)制技術的聯(lián)合

將調(diào)制技術與物理層網(wǎng)絡編碼進行聯(lián)合，可以提高無人機在無線通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。其工作原理可以由表3所示的物理層網(wǎng)絡編碼映射關系進行說明。

表3　物理層網(wǎng)絡編碼的映射關系

表3以BPSK調(diào)制為例，源節(jié)點A和B的信號經(jīng)過BPSK調(diào)制后變成1和-1，然后將信息發(fā)送到中繼節(jié)點處。中繼節(jié)點得到2個信號的和信號{-2,0,2}，經(jīng)過解調(diào)映射后得到輸出{-1,1}，此時的1代表的含義是源節(jié)點A和B的信號不同，-1代表的含義是源節(jié)點A和B的信號相同。中繼節(jié)點將{-1,1}進行廣播，目的節(jié)點B和A根據(jù)自己緩存的信息使用異或算法得到源節(jié)點A和B的信息。

在同步條件下，將QPSK調(diào)制與物理層網(wǎng)絡編碼進行結合，可以提高通信系統(tǒng)的可靠性。將QPSK調(diào)制推廣到八進制相移鍵控(8PSK)以及多進制相移鍵控(MPSK)，通過仿真可以得到，隨著M值的增加，信道的容量逐漸接近Shannon邊界[15]。文獻[16]提出了基于MSK調(diào)制的雙向中繼物理層網(wǎng)絡編碼方案，雖然降低了中繼節(jié)點的解碼復雜度，但是誤碼率卻比MPSK調(diào)制高。QAM調(diào)制是調(diào)制技術中應用比較廣泛的方式，但是QAM調(diào)制和物理層網(wǎng)絡編碼的結合并沒有得到廣泛應用，原因是在星座圖中，隨著星座點數(shù)量的增加，星座點之間的距離變小，導致誤碼率上升。

在異步條件下，符號偏移和載波相位偏移會直接導致整個通信系統(tǒng)性能下降[17,18]。對于BPSK調(diào)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(diào)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。

為提高通信系統(tǒng)對符號偏移和相位偏移的魯棒性，在物理層網(wǎng)絡編碼和調(diào)制技術聯(lián)合的基礎上，中繼節(jié)點可使用置信傳播(Belief Propagation,BP)算法，通過構造Tanner圖，減少符號偏移和相位偏移對系統(tǒng)的影響[19]。

通過物理層網(wǎng)絡編碼和調(diào)制技術聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，使用調(diào)制技術可以提高信道容量，但是卻不能明顯降低符號偏移和相位偏移對系統(tǒng)的影響，因此，需要將信道編碼聯(lián)合起來。

2.3　與調(diào)制技術、信道編碼的聯(lián)合編碼

調(diào)制技術與物理層網(wǎng)絡編碼的結合并不能解決異步條件下通信系統(tǒng)誤碼率高的問題，因此將物理層網(wǎng)絡編碼與調(diào)制技術、信道編碼同時聯(lián)合起來，以改善通信系統(tǒng)的性能。物理層網(wǎng)絡編碼聯(lián)合技術原理如圖3所示。

圖3　物理層網(wǎng)絡編碼聯(lián)合技術原理

如圖3所示，在多址接入過程中，2個源節(jié)點A和B將信號經(jīng)過信道編碼、調(diào)制后發(fā)送到中繼節(jié)點R。中繼節(jié)點對接收到的信號進行處理，如XOR映射，在廣播過程中將信號發(fā)射出去。目的節(jié)點B和A利用自身緩存的信息對廣播信號進行處理，從而得到源節(jié)點A和B的信息。信道編碼可采用LDPC信道編碼、RA信道編碼以及卷積信道編碼，在同步條件下可以得到圖4、圖5和圖6的仿真結果。

物理層網(wǎng)絡編碼與RA信道編碼的聯(lián)合對通信系統(tǒng)的影響如圖4所示。圖中的3條曲線分別是迭代次數(shù)為2、3、5的條件下誤碼率隨信噪比的關系，同樣可以發(fā)現(xiàn)，在同一信噪比下，隨著迭代次數(shù)的增加，系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低。RA編碼比較簡單，迭代次數(shù)雖然增加，但是通信信息的傳輸時間并沒有增加太多。

圖4　與RA信道編碼的聯(lián)合

物理層網(wǎng)絡編碼與卷積信道編碼的聯(lián)合對通信系統(tǒng)的影響如圖5所示。圖中的2條曲線分別是編碼率為1/2、1/3的條件下誤碼率隨信噪比的關系，可以發(fā)現(xiàn)，在同一信噪比下，隨著編碼率的減少，系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低。 但是隨著編碼率的降低，系統(tǒng)產(chǎn)生的碼字增加，因而增加了系統(tǒng)的復雜度。

圖5　與卷積信道編碼的聯(lián)合

同步條件下不同信道編碼方式下誤碼率隨信噪比的關系如圖6所示?？梢缘玫绞褂眯诺谰幋a相比于未使用信道編碼降低了通信的誤碼率，提高了系統(tǒng)的可靠性。在同一信噪比下卷積信道編碼的效果最明顯，誤碼率最低。

在異步條件下，研究了物理層網(wǎng)絡編碼分別與LDPC信道編碼、RA信道編碼以及卷積信道編碼的聯(lián)合編碼。

圖6　同步條件下各種信道編碼方式的比較

在物理層網(wǎng)絡編碼與LDPC信道編碼的聯(lián)合編碼中，根據(jù)LDPC碼的生成矩陣設計一個編碼器，在編碼器的基礎上設計一個Tanner圖，在此基礎上中繼節(jié)點使用和積解碼算法得到物理層網(wǎng)絡編碼的輸出信號；在物理層網(wǎng)絡編碼與RA信道編碼的聯(lián)合編碼中，設計了聯(lián)合信道譯碼與網(wǎng)絡編碼的方案，中繼節(jié)點根據(jù)MAP或MMSE判決準則對接收到的疊加電磁信號進行判決，經(jīng)過信道譯碼與網(wǎng)絡編碼后得到2個信源節(jié)點的網(wǎng)絡編碼信息，在第2個時隙廣播給2個目的節(jié)點；在物理層網(wǎng)絡編碼與卷積信道編碼的聯(lián)合編碼中，通過樣本層(中繼節(jié)點對信號進行采樣)、BP層(中繼節(jié)點使用BP算法解決符號偏移)、解交織層(對信號的序列進行還原)、Jt-CNC層(中繼節(jié)點對信號進行信道譯碼和網(wǎng)絡編碼)4層后解決了符號偏移和相位偏移對通信系統(tǒng)的影響。

通過研究發(fā)現(xiàn)：對于LDPC信道編碼，隨著發(fā)送幀數(shù)和迭代次數(shù)的增加，減少了符號偏移和相位偏移對系統(tǒng)的影響，降低了通信系統(tǒng)的誤碼率；對于RA信道編碼，其編碼方式最簡單，而且還可以進一步改善通信系統(tǒng)的性能，提高信息傳輸?shù)目煽啃?；對于卷積信道編碼，雖然在3種信道編碼中誤碼率最低，但是譯碼方式卻最復雜。物理層網(wǎng)絡編碼與各種信道編碼方式相結合下誤碼率隨信噪比變化的關系如圖7和圖8所示，其中圖7是在相位偏移為π/4條件下得到的，圖8是在符號偏移為0.2條件下得到的。

通過對物理層網(wǎng)絡編碼、調(diào)制技術、信道編碼的聯(lián)合技術研究，可以得到：信道編碼不僅降低了通信系統(tǒng)的誤碼率，提高了通信系統(tǒng)的可靠性，而且還增強了系統(tǒng)對各種異步條件的魯棒性，可以滿足無人機在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的需求。

圖7　φ=π/4條件下各種信道編碼方式的比較

圖8　Δ=0.2條件下各種信道編碼方式的比較

3無人機物理層網(wǎng)絡編碼的未來發(fā)展

3.1　信道條件更加復雜

網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭條件下戰(zhàn)場環(huán)境更加復雜，中繼節(jié)點接收到的2個源節(jié)點的信號會存在不同程度的符號偏移、相位偏移以及載波頻率偏移，而且由于信道不同導致的信道衰落和干擾程度也不同，接收端接收到的兩個信號的信噪比也會存在很大差別。這對于無人機物理層網(wǎng)絡編碼的研究提出了巨大挑戰(zhàn)，下一步的工作也將圍繞著這種信道條件進行研究。

3.2　中繼節(jié)點處理信號方法的創(chuàng)新

目前中繼節(jié)點從接收到的混合信號中提取所需要的信息一般通過MAP算法、ML算法以及MUSE算法，MAP和ML算法計算起來比較簡單，應用比較廣泛，但這種算法并不是最優(yōu)的，而MUSE算法雖然精度高，但是計算起來非常麻煩，應用并不是很廣泛。因此研究一種計算簡單的最優(yōu)算法是下一步研究的重點。

4結束語

目前已經(jīng)建立了物理層網(wǎng)絡編碼、信道編碼和調(diào)制技術聯(lián)合設計的數(shù)學模型，并已實現(xiàn)其編解碼算法，而且大量的仿真實驗已經(jīng)證明無人機物理層網(wǎng)絡編碼的理論研究是可行的，接下來的工作就是進行實驗論證。由于戰(zhàn)場環(huán)境模擬復雜程度高，無人機物理層網(wǎng)絡編碼和解碼硬件實現(xiàn)難度大，實驗實現(xiàn)起來十分困難，所以其實驗論證也是下一步的研究重點。

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胡永江男，(1977—)，講師，博士研究生。主要研究方向：無人機信息處理與傳輸技術。

楊志民男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：無人機信息處理與傳輸技術。

Researchon Physical-layer Network Coding Technology for UAVs

HU Yong-jiang,YANG Zhi-min,YUAN Quan-sheng

(OrdnanceEngineeringCollege,ShijiazhuangHebei050003,China)

AbstractThe current network access and transmission mode cannot meet the real-time,safety and reliability requirements of UAV information transmission in battlefield environment,while physical-layer network coding transmission model can not only greatly improve the throughput of the network,but also obtain the coding gain.A scheme of applying physical-layer network coding transmission mode in UAV communications is proposed to meet the requirements of UAV battlefield environment for real-time,secure and reliable transmission of information.

Key wordsphysical-layer network coding;TWRC;modulation;channel coding

作者簡介

收稿日期：2015-03-11

中圖分類號TN911.22

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0020-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.06

引用格式：胡永江，楊志民，袁全盛.無人機物理層網(wǎng)絡編碼聯(lián)合技術研究[J].無線電工程，2015，45(6)：20-24.