薛睿，韓璐

哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)比較復(fù)雜的情況下，單架無(wú)人機(jī)逐漸開(kāi)始無(wú)法滿足信息遠(yuǎn)距離、任務(wù)繁重等需求[1]，因此集群通信開(kāi)始廣泛應(yīng)用。集群通信的有效性與可靠性需要依靠多無(wú)人機(jī)間的協(xié)作方式支持[2?3]。在實(shí)際通信系統(tǒng)當(dāng)中，多架無(wú)人機(jī)協(xié)作時(shí)往往存在多個(gè)源節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)，共同合作完成數(shù)據(jù)傳輸，而這與網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)構(gòu)具有很大的相似性；因此考慮將網(wǎng)絡(luò)編碼引入到無(wú)人機(jī)集群通信中。網(wǎng)絡(luò)編碼即允許網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)參與編譯碼[4]，其基本思想是通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，利用其計(jì)算能力來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、魯棒性以及提升傳輸安全等[5?6]。這種方法并不復(fù)雜，卻能夠帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)。目前，無(wú)人機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合時(shí)多采用的是隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼或物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，線性網(wǎng)絡(luò)編碼能在一定程度上提高吞吐量[7]，但在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下優(yōu)勢(shì)并不明顯；物理層網(wǎng)絡(luò)編碼要求信息完全同步，這一點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此該編碼方式的應(yīng)用價(jià)值并不高，然而復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼能夠解決這2個(gè)問(wèn)題[8]。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求各信源與中繼、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間均存在直連通路。但是在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，由于無(wú)人機(jī)具有高速移動(dòng)性，大多情況下信源無(wú)人機(jī)與中繼無(wú)人機(jī)以及目標(biāo)無(wú)人機(jī)之間可能存在山丘、建筑物等障礙物，阻擋無(wú)人機(jī)間的信息傳遞，因此不可能存在上述全聯(lián)通線路。由于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不適用性，提出了適用于實(shí)際場(chǎng)景的部分聯(lián)通結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)實(shí)際情況劃分為視距、非視距兩種場(chǎng)景，并提出2種相對(duì)應(yīng)的部分聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；將復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼引入到所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的的信號(hào)傳遞流程；推導(dǎo)異或網(wǎng)絡(luò)編碼、實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼、復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼等方式的吞吐量性能，仿真部分聯(lián)通結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)變化對(duì)其誤符號(hào)率性能影響；最后結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中的具體信號(hào)格式仿真[9]，進(jìn)行對(duì)比分析。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，集群通信是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的主要方式。根據(jù)信源無(wú)人機(jī)與地面指揮中心之間是否存在直連通路，可分為視距場(chǎng)景和非視距場(chǎng)景2種典型場(chǎng)景。視距場(chǎng)景即信源與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間存在直連通路，可以直接進(jìn)行信息傳遞；非視距場(chǎng)景指的是信源與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物，無(wú)法直接進(jìn)行信息交流，必須依靠中繼無(wú)人機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的情況[10]。

由于協(xié)作通信中存在很多離散的點(diǎn)，這與網(wǎng)絡(luò)編碼非常相似。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。若將該結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)看作是無(wú)人機(jī)，該圖中所有的信源與每一個(gè)中繼以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間均存在直連通路，可以進(jìn)行信息傳遞。

圖1 網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)

這種情況比較理想化，在實(shí)際應(yīng)用中，由于無(wú)人機(jī)的高速移動(dòng)特性，無(wú)法保證各信源與中繼以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都處于視距范圍內(nèi)，這也就意味著在多數(shù)情況下，各無(wú)人機(jī)之間是無(wú)法直接進(jìn)行通信的。那么在移動(dòng)過(guò)程中，原有的結(jié)構(gòu)以及傳遞方案并不適用。本文提出一種可應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的優(yōu)化方案，由于障礙物的阻隔，導(dǎo)致部分鏈路無(wú)法接通，視距場(chǎng)景下的實(shí)際傳遞路線如圖2所示。

圖2 視距場(chǎng)景下的部分聯(lián)通結(jié)構(gòu)

圖2中的結(jié)構(gòu)適用于視距場(chǎng)景下，即存在部分信源與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間有直連通路，可以直接進(jìn)行信息傳遞。在第一時(shí)隙中，信源向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其視距范圍內(nèi)的中繼傳遞信息；中繼解調(diào)后，在第二時(shí)隙將解調(diào)后的信息傳給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在非視距情況下，所有信源與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間均不存在直連通路，不能直接傳遞信息，必須依靠中繼來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在第一時(shí)隙中，各信源向其視距范圍內(nèi)的中繼無(wú)人機(jī)傳遞信息；中繼進(jìn)行解調(diào)后，在第二時(shí)隙將解調(diào)后的信息傳給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 非視距場(chǎng)景下的部分聯(lián)通結(jié)構(gòu)

2 傳輸方案研究

傳統(tǒng)的中繼方式進(jìn)行信息傳遞時(shí)，各信源需要分時(shí)隙傳遞信息，中繼也需要分別進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這樣會(huì)額外占用很多時(shí)間，從而導(dǎo)致信息的時(shí)效性不強(qiáng)[12]。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼逐漸開(kāi)始應(yīng)用到無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中。

2.1 網(wǎng)絡(luò)編碼分類

從目前已有文獻(xiàn)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)編碼有幾種主要類型，分別是異或網(wǎng)絡(luò)編碼、實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼和復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼等。若要將網(wǎng)絡(luò)編碼與無(wú)人機(jī)協(xié)作通信相結(jié)合，必須要考慮無(wú)人機(jī)的效率問(wèn)題。由于信源傳遞的信息量過(guò)大，因此評(píng)估前面提出的2種結(jié)構(gòu)的吞吐量，具體分析如下。

一般情況下的網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于實(shí)數(shù)域，實(shí)現(xiàn)的是比特級(jí)操作。這種編碼方式可以在一定程度上提高吞吐量，但是隨著信源、中繼數(shù)量的增加，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸減小。具體而言，如圖1結(jié)構(gòu)所示：對(duì)于具有Ns個(gè)源、Nr個(gè)中繼和一個(gè)共同目標(biāo)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)（用 Ns?Nr?1 表示該設(shè)置），為了防止干擾，傳統(tǒng)中繼方案的Ns個(gè)源按時(shí)分多址方式發(fā)送，中繼無(wú)人機(jī)接收所有信源的消息需要Ns個(gè)時(shí)隙；隨后各中繼無(wú)人機(jī)再分別向D轉(zhuǎn)發(fā)所接收的消息，每中繼轉(zhuǎn)發(fā)需要Ns個(gè)時(shí)隙。這樣傳遞Ns則消息需要占用Ns(Nr+1)個(gè)時(shí)隙，吞吐量為1/(Ns(Nr+1)) (符號(hào)/信源/時(shí)隙，symbol/Source/Time Slot，sym/S/TS)。

實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼在信源傳遞時(shí)并無(wú)不同，分別傳遞Ns個(gè)信源無(wú)人機(jī)消息后，Nr個(gè)中繼每次可同時(shí)傳遞所收消息，每中繼轉(zhuǎn)發(fā)只需要一個(gè)時(shí)隙。這樣傳遞Ns則消息需要占用Ns+Nr個(gè)時(shí)隙，吞吐量為 1/(Ns+Nr) sym/S/TS。

若采用復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼，信源無(wú)人機(jī)和中繼無(wú)人機(jī)均可以同時(shí)發(fā)送消息，只占用2個(gè)時(shí)隙，吞吐量增加到 1/2 sym/S/TS。

實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼的吞吐量較傳統(tǒng)編碼而言，具有一定的性能優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)隨著信源、中繼數(shù)量的增加，逐漸減??；但復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼沒(méi)有這種弊端，其獨(dú)特的編碼方式，將吞吐量增加到1/2 sym/S/TS，系統(tǒng)的有效性大大提升。

同時(shí)，對(duì)比實(shí)數(shù)域與復(fù)數(shù)域2種網(wǎng)絡(luò)編碼方式的信號(hào)處理過(guò)程可知：實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼采用的是異或運(yùn)算，這種運(yùn)算導(dǎo)致接收端收到的消息與信源發(fā)送的消息并不滿足一一映射；但復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼可以解決這個(gè)問(wèn)題。

2.2 信號(hào)傳遞過(guò)程

根據(jù)2.1節(jié)理論分析可以得出，復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼具有很大的吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)，因此在本文提出的結(jié)構(gòu)中，采用復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)進(jìn)行信息回傳。在編碼的過(guò)程中，存在一個(gè)貫穿始終的參數(shù)，而復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼方案的關(guān)鍵在于的設(shè)計(jì)。

圖4 信號(hào)傳遞過(guò)程

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能分析

以上2種場(chǎng)景下的部分聯(lián)通模型與全聯(lián)通模型的有效性相同，本節(jié)將針對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的2種結(jié)構(gòu)，在視距與非視距2種場(chǎng)景下分別進(jìn)行了大量的仿真，并進(jìn)行可靠性分析?；贛ATLAB軟件仿真了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度n=600 bit時(shí)，信源數(shù)量Ns與中繼數(shù)量Nr的變化對(duì)誤符號(hào)率（symbol error probability，SEP）的影響。

在視距模式下，所有的信源、中繼與地面指揮中心之間均存在直連通路，可直接進(jìn)行信息傳遞。根據(jù)部分聯(lián)通結(jié)構(gòu)分別仿真了固定中繼數(shù)量改變信源個(gè)數(shù)與固定信源數(shù)量改變中繼個(gè)數(shù)的2種情況，其有效性在第2章已經(jīng)進(jìn)行了討論，分析結(jié)果如2.1節(jié)所示，其可靠性的具體仿真結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 視距模式 Ns?1?1 結(jié)構(gòu)中信源數(shù)量對(duì) SEP 的影響

視距模式下，根據(jù)圖5可知，在中繼無(wú)人機(jī)數(shù)量固定時(shí)，同時(shí)傳遞的信息數(shù)量越多，信息間的干擾也就越大，目標(biāo)接收的可靠性也就隨之降低；根據(jù)圖6可知，在源節(jié)點(diǎn)傳遞的消息數(shù)量固定時(shí)，中繼無(wú)人機(jī)數(shù)量越多，分集增益越大，信息接收的可靠性也就越高。

圖6 視距模式 2?Nr?1 結(jié)構(gòu)中中繼數(shù)量對(duì) SEP 的影響

換言之，在信息量固定時(shí)，隨著中繼數(shù)量的增加，可靠性逐漸下降；在中繼數(shù)量固定時(shí)，隨著信息量的增加，可靠性逐漸下降；其吞吐量均為1/2 sym/S/TS。

在非視距模式下，由于建筑物、山丘等障礙物的存在，導(dǎo)致信源與地面指揮中心之間不存在直連通路，無(wú)法直接進(jìn)行信息傳遞。此時(shí)，信息的回傳完全依靠中繼無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成。根據(jù)圖3所示結(jié)構(gòu)分別仿真固定中繼數(shù)量改變信源個(gè)數(shù)與固定信源數(shù)量改變中繼個(gè)數(shù)的2種情況，其有效性分析見(jiàn)第2章；其可靠性具體仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 非視距模式 Ns?2?1 結(jié)構(gòu)中信源數(shù)量對(duì) SEP 影響

圖8 非視距模式 2?Nr?1 結(jié)構(gòu)中中繼數(shù)量對(duì) SEP 影響

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在非視距模式下，其傳遞規(guī)律與視距模式相同。根據(jù)圖7，在中繼無(wú)人機(jī)數(shù)量固定時(shí)，同時(shí)傳遞的信息數(shù)量越多，信息間的干擾也就越大，目標(biāo)接收的可靠性也就隨之降低；根據(jù)圖8，在回傳信息數(shù)量固定時(shí)，中繼無(wú)人機(jī)數(shù)量越多，分集增益越大，信息接收的可靠性就越高。

4 復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)碼與信道編碼聯(lián)合

根據(jù)以上分析可以得出，復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼具有很高的可靠性與吞吐量性能，將其與無(wú)人機(jī)特有的數(shù)據(jù)鏈“RA+BPSK”相結(jié)合，進(jìn)行聯(lián)合編碼調(diào)制后仿真，其結(jié)果與具體分析如下。

將無(wú)人機(jī)分布位置視為網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)所傳信息進(jìn)行編碼，結(jié)合無(wú)人機(jī)特有的編碼調(diào)制方式進(jìn)行信息傳遞，這樣可以減少部分時(shí)隙，增加消息的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際場(chǎng)景模擬下，將網(wǎng)絡(luò)編碼與無(wú)人機(jī)編碼調(diào)制（以RA碼+BPSK調(diào)制為例）結(jié)合后，仿真結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 視距模式下 RA+CFNC 性能仿真對(duì)比

圖10 非視距模式下 RA+CFNC 性能仿真對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可知，原有視距與非視距結(jié)構(gòu)均在信噪比達(dá)到近30 dB時(shí)，才將誤符號(hào)率降到10?5；在加入無(wú)人機(jī)編碼調(diào)制之后，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景改進(jìn)的結(jié)構(gòu)在6~8 dB時(shí)就可以將誤符號(hào)率降低到10?5。根據(jù)實(shí)際情況所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與原有網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)構(gòu)相比，也有一定的性能提升。因此將本文所提出的結(jié)構(gòu)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼與RA碼聯(lián)合編碼的傳遞方式，應(yīng)用到無(wú)人機(jī)協(xié)作通信當(dāng)中后，在信噪比為6~8 dB時(shí)，誤符號(hào)率有3~4倍的增益。與此同時(shí)，與未加入網(wǎng)絡(luò)編碼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，將吞吐量從 1/(Ns(Nr+1)) sym/S/TS，提升到 1/2 sym/S/TS，故本方案在吞吐量以及誤符號(hào)率方面均優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

無(wú)人機(jī)集群將成為未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，無(wú)人機(jī)間的交互信息量也將大幅度增長(zhǎng)，引入CFNC可有效提升無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量。

1）針對(duì)無(wú)人機(jī)工作時(shí)視距與非視距2種典型場(chǎng)景，提出2種適用于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的部分連通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

2）基于所提無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)基于CFNC的信息傳遞方案；

3）比較分析了異或網(wǎng)絡(luò)編碼、實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼以及復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼在所提無(wú)人機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的吞吐量性能，理論分析結(jié)果表明復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼的吞吐量可以達(dá)到1/2 sym/S/TS；

4）探討了CFNC結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈“RA+BPSK”信號(hào)體制的可靠性，MATLAB軟件的仿真結(jié)果表明：CFNC中繼方式可以充分獲得空間分集增益，與全聯(lián)通結(jié)構(gòu)相比，在所提結(jié)構(gòu)中相同參數(shù)的RA+BPSK+CFNC信號(hào)可以取得更優(yōu)的誤符號(hào)率性能。

綜上，復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼在提升無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量與可靠性方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。