基于5G极化码的无人机通信系统设计

周杰 袁春梅 刘思念

摘   要：随着科技的进步，5G（5th-generation）时代的到来，无人机、自动驾驶等成了热门。文章从实际应用的角度出发，结合最新的5G极化码技术研究出一套低时延安全的无人机通信系统。

关键词：5G;极化码;无人机通信;安全

1    研究现状

无人机主要包括两方面，无人机机体和无人机通信系统。无人机通信系统包含数据通信和控制通信。目前国内著名的无人机生产商大疆所推出的无人机通信系统主要采用WiFi、蓝牙、蜂窝网络等无线收发模块来实现通信。这些无人机通信系统传输距离短，传输带宽窄，时延高，安全性能差。随着无人机应用于越来越多领域，如军事、运输、侦查等。迫切需要开发出一套时延低、传输速度快、安全可靠的无人机通信系统。

2    空中通信信道分析

根据地空空地信道特性分析，无人机与地面之间的通信存在多径传播，考虑到无人机相对于地面之间是快速移动的[1]，信号在移动中传播受到衰落和白噪声干扰，通信系统可用公式1表示为：

其中n（t）是高斯白噪声，h（t，τ）表示信道对信号的作用，用于描述信道的衰落特征，移动信道中衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度的衰落表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化呈现的缓慢变化。小尺度的衰落表征了接收信号短距离或短时间内的快速波动，是移动通信的主要特征[2]。

3    极化码

信道极化基于信道组合和分离过程，信道组合过程为：通过对n个信道进行有规律的组合，得到一个新的信道的过程，而信道分离则是将新的信道进行分离，分离成n个相互之间具有一定关系的信道。当有足够多的信道经历这两个过程后，这些信道会出现两极分化的现象，即一部分信道的信道容量趋于1，而另一部分信道的信道容量趋于0。信道容量趋于1的信道被称为无噪信道，信道容量趋于0的信道被称为全噪信道。极化码基于信道极化现象，选择无噪信道传输信息数据，而剩下的信道传输固定比特，以此来提高信息数据的传输可靠性[3]。极化现象如图1所示。

3.1  极化码编码

极化码的编码思想是利用信道的极化现象，尽量选择信道容量大的信道进行信息传输，Arikan教授选择陪集码进行极化码编码。编码规则如公式2所示：

3.2  译码

本设计采用的是串行消去SC（successive cancellation）解码方法，解码原理是：（1）如图3所示，把下半部分（x3，x4）看成噪声，计算出t1和t2。（2）把下半部分（t2）看成噪声，去解出u1。

以此类推，这样就会使得每一个节点的信息可以通过另外两个点计算出来，降低了算法的复杂度，提高了解码的算法效率。

4    系统设计

相比于地面通信，无人机通信有两个特点，一个是无人机运动速度快，随着无人机的不斷运动，通信信道会不断地改变。同时信道容量也会随之改变，当信道容量大时我们希望能够尽可能地提高传输的码率，当信道容量小时，我们希望能够降低传输的码率。这种码率的自适应在无人机通信系统中相当的重要。为了解决码率自适应的问题引入新技术。混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），当前一次尝试传输失败时，就要求重传数据分组，这样的传输机制就称之为自动请求重传（Automatic Repeat reQuest，ARQ）。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的衰落以及其他用户带来的干扰使得信道传输质量很差，所以应该对数据分组加以保护来抑制各种干扰[4]。

5    总体框架

根据无人机通信系统的需求设计的方案如图4所示。

本设计主要分为3个部分：地面发送端，空中传输信道和无人机接收端。发射端主要包括信源极化编码，删余控制以及加密运算。信源信息首先利用极化码的编码矩阵进行极化编码，根据控制速率的需要进行适当的删余操作，将编码后的信号与随机序列生成器生成的随机序列进行加密运算，最后通过发射端发射出去[5]。

接收端接收到信号后首先利用获得的随机序列，对信号进行解密，将解密后的信号序列进行SC译码获得相应的信息，同时接收端要将信道质量信息CQI发送回发送端。

6    仿真

利用Matlab进行仿真，在码长为128，码率为1/2时利用SC解码，结果如图5所示。

7    结语

从仿真图中可知本实验5G极化码方案具有比4GTurbo更低的误码率。本设计利用极化码设计出的一套低时延、传输速率快、安全可靠的无人机通信系统。为无人机未来的通信方式提供了可靠的解决方案。

[参考文献]

[1]王继伟，王学东，李斌，等.极化码在信道下性质研究[J].通信技术，2012（45）：33-35.

[2]H Mahdavifar，A Vardy.Achieving the secrecy capacity of wiretap channels using polar codes[J].IEEE Transactions on Information Theory，2011（10）：6428–6443.

[3]陆婷婷.极化码的编解码研究及仿真[D].南京：南京理工大学，2013.

[4]王铮勐，饶浩，梁显锋.一种低成本高可靠无人机机载数据通信系统设计[J].电讯技术，2018（8）：970-975.

[5]夏永平，陈自力，林旭斌.无人机数据链发展现状及关键技术研究[J].飞航导弹，2016（11）：50-53.

Abstract：With the advancement of technology， the arrival of the 5G era， drones and automatic driving have become popular. In this paper， from the perspective of practical application， combined with the latest 5G polarization code technology， a set of low-latency safety UAV communication system is developed.

Key words：5G; polarization code; UAV communication; security