无人机物理层网络编码联合技术研究

胡永江，杨志民，袁全盛

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)



无人机物理层网络编码联合技术研究

胡永江，杨志民，袁全盛

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)

摘要目前的网络接入传输模式无法满足无人机在战场环境中信息传输的实时性、安全性和可靠性要求，而物理层网络编码传输模式不仅可以大大提高网络的吞吐量，还能够获取编码增益。提出了将物理层网络编码传输模式应用在无人机通信中的方案，以满足无人机在战场环境中信息传输的实时性、安全性和可靠性等要求。

关键词物理层网络编码；双向中继传输模型；调制技术；信道编码

0引言

未来战场以网络中心战为发展趋势已成为定论[1]，无人机作为信息化战争中的新秀，以其独有的灵活特性和机动优势，在网络化战争中具有不可替代的地位。

根据网络通信中的最大流最小割定理[2]，端到端的最大容量是由网络最小割决定的，寻找一种可以逼近或者达到网络容量上界的方法，就成为了人们研究探索网络通信的目标。但长期以来，网络中继节点只对接收到的信息进行存储转发，不会对网络信息传输带来性能增益，达不到网络通信理论容量上限。Ahlswede在2000年提出了网络编码的概念，并从理论上证明了对组播网络中的某些节点附加额外的编码操作，能够使得组播传输达到最大理论传输容量[3]。Zhang在2006年提出了物理层网络编码的概念，该编码不仅转发，还参与数据处理，提高了通信容量和吞吐量，是一种融合了路由和编码的信息交换技术[4]。无人机物理层网络编码即把物理层网络编码的技术同无人机的通信结合起来，以达到无人机对网络化战争的需求。

1无人机物理层网络编码的原理

无人机的组网模式多种多样，文献[5]总结了无人机各种组网模式，其中继节点可采用双向中继系统传输模型来进行研究，如图1所示。2个源节点A和B分别或同时向中继节点R发送信息，中继节点R对接收的信息直接转发，或者经过一些处理后向2个目的节点B和A(也就是源节点)广播信息。

图1　双向中继系统传输模型

在双向中继系统传输模型中，假设所有的节点都工作在半双工模式，即所有节点不能同时发送信号和接收信号[6]，则信号的传输模式分为3种：传统信息传输模式、网络编码传输模式和物理层网络编码传输模式[7]。

3种传输模式完成一次信息交换所需时隙以及传输速率，如表1所示，可知物理层网络编码相对于传统信息传输模式和网络编码传输模式，传输速率分别提高了100%和50%，这为无人机的实时通信提供了重要保证。因此，将物理层网络编码应用在无人机的通信系统中能够满足网络化战争对无人机的军事需求。

表1　3种传输模式的对比

同步条件下3种传输模式误码率随信噪比变化的关系图如图2所示。可以得到，传统信息传输模式的误码率最低，物理层网络编码传输模式误码率相对高一点，但是却比网络编码传输模式低。当误码率为10-5时，物理层网络编码传输模式需要增加0.3 dB的信噪比才可以使自己的误码率降低到跟传统信息传输模式相同的误码率水平，但是其吞吐量却比传统信息传输模式提高了100%，传输速率也提高了100%。因此，从整体角度考虑，物理层网络编码在3种传输模式下性能最好，这就为物理层网络编码传输模式应用在无人机上提供了理论依据。

图2　3种传输模式误码率随信噪比变化的关系

2无人机物理层网络编码的研究进展

2.1　编码映射模式

到目前为止，无人机物理层网络编码的主要编码映射模式有4种：基于比特的异或(XOR)[8,9]、基于符号级的叠加(Superposition,SUP)模式[10]、基于码字的向量模加(Vector modulo addition,VMA)模式[11,13]和基于排斥准则的近邻成簇(Closest-neighbor cluster,CNC)模式[14]。

4种编码映射方式的对比如表2所示。从表2中可以得到：CNC映射模式虽然性能最好，但是编码方式和译码方式都非常复杂，基本实现不了，而且只能用于QAM调制；VMA映射模式性能也不错，但是只适用于TCM调制，应用范围比较狭窄；SUP映射模式和XOR映射模式性能均属于次优，但是XOR映射模式的编码方式和译码方式都最简单，且应用最广泛，更利于工程上的实现，因此在中继节点处采用XOR的映射模式。

表2　4种编码映射模式的对比

2.2　与调制技术的联合

将调制技术与物理层网络编码进行联合，可以提高无人机在无线通信系统的可靠性和有效性。其工作原理可以由表3所示的物理层网络编码映射关系进行说明。

表3　物理层网络编码的映射关系

表3以BPSK调制为例，源节点A和B的信号经过BPSK调制后变成1和-1，然后将信息发送到中继节点处。中继节点得到2个信号的和信号{-2,0,2}，经过解调映射后得到输出{-1,1}，此时的1代表的含义是源节点A和B的信号不同，-1代表的含义是源节点A和B的信号相同。中继节点将{-1,1}进行广播，目的节点B和A根据自己缓存的信息使用异或算法得到源节点A和B的信息。

在同步条件下，将QPSK调制与物理层网络编码进行结合，可以提高通信系统的可靠性。将QPSK调制推广到八进制相移键控(8PSK)以及多进制相移键控(MPSK)，通过仿真可以得到，随着M值的增加，信道的容量逐渐接近Shannon边界[15]。文献[16]提出了基于MSK调制的双向中继物理层网络编码方案，虽然降低了中继节点的解码复杂度，但是误码率却比MPSK调制高。QAM调制是调制技术中应用比较广泛的方式，但是QAM调制和物理层网络编码的结合并没有得到广泛应用，原因是在星座图中，随着星座点数量的增加，星座点之间的距离变小，导致误码率上升。

在异步条件下，符号偏移和载波相位偏移会直接导致整个通信系统性能下降[17,18]。对于BPSK调制方式，由于符号偏移和载波相位偏移导致误比特率(BER)在最坏的情况下会下降3 dB；对于QPSK调制方式，若载波相位偏移π/4，在没有信道编码时，BER在最坏情况下会有6 dB的损失。

为提高通信系统对符号偏移和相位偏移的鲁棒性，在物理层网络编码和调制技术联合的基础上，中继节点可使用置信传播(Belief Propagation,BP)算法，通过构造Tanner图，减少符号偏移和相位偏移对系统的影响[19]。

通过物理层网络编码和调制技术联合研究发现，使用调制技术可以提高信道容量，但是却不能明显降低符号偏移和相位偏移对系统的影响，因此，需要将信道编码联合起来。

2.3　与调制技术、信道编码的联合编码

调制技术与物理层网络编码的结合并不能解决异步条件下通信系统误码率高的问题，因此将物理层网络编码与调制技术、信道编码同时联合起来，以改善通信系统的性能。物理层网络编码联合技术原理如图3所示。

图3　物理层网络编码联合技术原理

如图3所示，在多址接入过程中，2个源节点A和B将信号经过信道编码、调制后发送到中继节点R。中继节点对接收到的信号进行处理，如XOR映射，在广播过程中将信号发射出去。目的节点B和A利用自身缓存的信息对广播信号进行处理，从而得到源节点A和B的信息。信道编码可采用LDPC信道编码、RA信道编码以及卷积信道编码，在同步条件下可以得到图4、图5和图6的仿真结果。

物理层网络编码与RA信道编码的联合对通信系统的影响如图4所示。图中的3条曲线分别是迭代次数为2、3、5的条件下误码率随信噪比的关系，同样可以发现，在同一信噪比下，随着迭代次数的增加，系统的误码率逐渐降低。RA编码比较简单，迭代次数虽然增加，但是通信信息的传输时间并没有增加太多。

图4　与RA信道编码的联合

物理层网络编码与卷积信道编码的联合对通信系统的影响如图5所示。图中的2条曲线分别是编码率为1/2、1/3的条件下误码率随信噪比的关系，可以发现，在同一信噪比下，随着编码率的减少，系统的误码率逐渐降低。 但是随着编码率的降低，系统产生的码字增加，因而增加了系统的复杂度。

图5　与卷积信道编码的联合

同步条件下不同信道编码方式下误码率随信噪比的关系如图6所示。可以得到使用信道编码相比于未使用信道编码降低了通信的误码率，提高了系统的可靠性。在同一信噪比下卷积信道编码的效果最明显，误码率最低。

在异步条件下，研究了物理层网络编码分别与LDPC信道编码、RA信道编码以及卷积信道编码的联合编码。

图6　同步条件下各种信道编码方式的比较

在物理层网络编码与LDPC信道编码的联合编码中，根据LDPC码的生成矩阵设计一个编码器，在编码器的基础上设计一个Tanner图，在此基础上中继节点使用和积解码算法得到物理层网络编码的输出信号；在物理层网络编码与RA信道编码的联合编码中，设计了联合信道译码与网络编码的方案，中继节点根据MAP或MMSE判决准则对接收到的叠加电磁信号进行判决，经过信道译码与网络编码后得到2个信源节点的网络编码信息，在第2个时隙广播给2个目的节点；在物理层网络编码与卷积信道编码的联合编码中，通过样本层(中继节点对信号进行采样)、BP层(中继节点使用BP算法解决符号偏移)、解交织层(对信号的序列进行还原)、Jt-CNC层(中继节点对信号进行信道译码和网络编码)4层后解决了符号偏移和相位偏移对通信系统的影响。

通过研究发现：对于LDPC信道编码，随着发送帧数和迭代次数的增加，减少了符号偏移和相位偏移对系统的影响，降低了通信系统的误码率；对于RA信道编码，其编码方式最简单，而且还可以进一步改善通信系统的性能，提高信息传输的可靠性；对于卷积信道编码，虽然在3种信道编码中误码率最低，但是译码方式却最复杂。物理层网络编码与各种信道编码方式相结合下误码率随信噪比变化的关系如图7和图8所示，其中图7是在相位偏移为π/4条件下得到的，图8是在符号偏移为0.2条件下得到的。

通过对物理层网络编码、调制技术、信道编码的联合技术研究，可以得到：信道编码不仅降低了通信系统的误码率，提高了通信系统的可靠性，而且还增强了系统对各种异步条件的鲁棒性，可以满足无人机在现代化战争中的需求。

图7　φ=π/4条件下各种信道编码方式的比较

图8　Δ=0.2条件下各种信道编码方式的比较

3无人机物理层网络编码的未来发展

3.1　信道条件更加复杂

网络化战争条件下战场环境更加复杂，中继节点接收到的2个源节点的信号会存在不同程度的符号偏移、相位偏移以及载波频率偏移，而且由于信道不同导致的信道衰落和干扰程度也不同，接收端接收到的两个信号的信噪比也会存在很大差别。这对于无人机物理层网络编码的研究提出了巨大挑战，下一步的工作也将围绕着这种信道条件进行研究。

3.2　中继节点处理信号方法的创新

目前中继节点从接收到的混合信号中提取所需要的信息一般通过MAP算法、ML算法以及MUSE算法，MAP和ML算法计算起来比较简单，应用比较广泛，但这种算法并不是最优的，而MUSE算法虽然精度高，但是计算起来非常麻烦，应用并不是很广泛。因此研究一种计算简单的最优算法是下一步研究的重点。

4结束语

目前已经建立了物理层网络编码、信道编码和调制技术联合设计的数学模型，并已实现其编解码算法，而且大量的仿真实验已经证明无人机物理层网络编码的理论研究是可行的，接下来的工作就是进行实验论证。由于战场环境模拟复杂程度高，无人机物理层网络编码和解码硬件实现难度大，实验实现起来十分困难，所以其实验论证也是下一步的研究重点。

参考文献

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胡永江男，(1977—)，讲师，博士研究生。主要研究方向：无人机信息处理与传输技术。

杨志民男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：无人机信息处理与传输技术。

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

作者简介

收稿日期：2015-03-11

中图分类号TN911.22

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0020-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.06

引用格式：胡永江，杨志民，袁全盛.无人机物理层网络编码联合技术研究[J].无线电工程，2015，45(6)：20-24.