0 引言

    隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間探測任務(wù)正從近地勘察走向深空探測,，月球探測、火星探測已成為國際上熱門的空間活動,。目前，我國正積極開展深空探測和載人登月的規(guī)劃論證工作,，計劃開展火星探測、小行星探測和載人月球探測等各種深空探測活動,。在可以預(yù)見的未來,，空間領(lǐng)域?qū)⒅鸩叫纬捎傻鼗ㄐ?、近地衛(wèi)星,、月球中繼、月球接入網(wǎng),、火星中繼、火星接入網(wǎng)等構(gòu)成的深空網(wǎng)絡(luò),。

    隨著深空探測的不斷發(fā)展,，深空通信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)將會大幅度增長，且會存在大量數(shù)據(jù)交互需求,。另外,，由于深空探測器的造價昂貴，使得深空信道的帶寬資源尤為重要,。為了充分利用有限的帶寬資源,，提高深空數(shù)據(jù)傳輸效率，考慮將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)模型引入到深空網(wǎng)絡(luò)中,。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼作為一種新型的頻率復(fù)用技術(shù),，它可以與不同多址技術(shù)結(jié)合使用，允許兩個不同的航天器同時采用相同的時隙,、頻率和擴頻碼相互通信,，從而成倍地提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸效率,。

    物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的高吞吐量優(yōu)勢是十分誘人的,，在深空通信中，迫切需要提升系統(tǒng)的傳輸效率,。因此,，將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的系統(tǒng)模型引入深空通信網(wǎng)絡(luò)是非常具有前景和研究價值的。

1 國內(nèi)外深空通信的發(fā)展情況

1.1 國外情況

    美國從1958年啟動月球探測計劃至今,，已探測過太陽系內(nèi)的所有行星,。2015年7月14日，美國宇航局“新視野”號探測器歷經(jīng)近10年的飛行,，行程約50億千米,，成功飛掠冥王星，成為人類深空探測史上又一里程碑,。隨著深空探測范圍的擴大,，帶來最直接的影響是傳輸損耗以及傳輸時延的大大增加。例如,，火星距離地球的最遠距離為40 130萬公里,，海王星距地球最遠距離為469 410萬公里，相對于同步軌道衛(wèi)星到地面,，其路徑損耗分別增加80.94 dB與102.31 dB,，最大延時分別為22.294 min與260.78 min,。在如此巨大的鏈路傳輸損耗下，實現(xiàn)高效,、可靠的鏈路通信和測控具有很大的挑戰(zhàn),。針對這一問題，目前國外深空探測采用的主要技術(shù)手段包括^[1]：增加地球站和探測器天線口徑,、提高探測器的射頻功率,、采用更高效的信道編碼方式、采用壓縮比更高的壓縮技術(shù),、提高載波頻率和降低接收系統(tǒng)噪聲溫度,。如表1所示。

    由表1可以看出目前解決深空通信難點途徑是以點對點鏈路,、增加收發(fā)天線口徑及發(fā)射功率（這三項占表1總增益的44.6%）為主,，存在如下問題：首先，根據(jù)表1計算得到,，即使最大獲取鏈路增益92.64 dB,，對于海王星的探測通信仍有8.9~9.7 dB左右的路徑損耗未獲補償。信號能量隨著深空探測距離平方值衰減,，接收信號信噪比極低,，需要高增益、低復(fù)雜度的信道編碼方式和有效的檢測手段,；而傳輸距離的增加,，導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在深空大延時情況下吞吐量極低；70 m天線重量達到3 000 噸,、熱變形與負載變形嚴重,，且加工精度和調(diào)整精度要求很高，所以進一步加大天線口徑已經(jīng)不是目前研究發(fā)展的主要方向,；深空探測器的硬件條件使得射頻功率嚴格受限,；而且，受軌道運動和天體遮蔽的影響,，航天器與地球地面站無法保持24小時連續(xù)通信,。因此，如何提高深空通信的效率和可靠性成為關(guān)鍵問題,。

    考慮到空間通信所面臨的大時延和大損耗問題主要是由信息傳輸?shù)拈L距離引起,，所以采用分段中繼的思想構(gòu)建類似于地面因特網(wǎng)的行星際互聯(lián)網(wǎng)，以減小信息傳輸?shù)木嚯x,。美國從上個世紀九十年代就開始行星際互聯(lián)網(wǎng)研究,，本世紀開始更是以深空探測領(lǐng)跑，加速了這個領(lǐng)域的研究和實踐的步伐,。如NASA已建成的深空網(wǎng)絡(luò)(DSN),、先進的多任務(wù)軌道運行計劃^[2](AMMOS)與NASA的火星觀測計劃（MSP）的行星際互聯(lián)網(wǎng)（IPN：Inter Planetary Internet）,，NASA的JPL實驗室開發(fā)的用來支持星際互聯(lián)網(wǎng)通信的仿真系統(tǒng)(MACHETE: Multi-mission Advance Communications Hybrid Environment for Test and Evaluation）。

1.2 國內(nèi)情況

    與美國等發(fā)達國家相比,，我國在深空探測領(lǐng)域的研究起步較晚,。2004年1月，中國探月工程正式立項,，標志著我國邁向深空探測的第一步,。目前，我國已建成2個深空站,，南美35 m的深空站計劃于2016年建成，屆時能夠初步形成全球布站,，基本能夠完成連續(xù)測控覆蓋的深空測控網(wǎng),；實現(xiàn)下行天線組陣技術(shù)，正在研發(fā)上行天線組陣技術(shù),；編譯碼技術(shù)從卷積碼,、RS編碼向Turbo碼、LDPC編碼發(fā)展,；調(diào)制方式從BPSK/PM向GMSK調(diào)制發(fā)展,；通信頻段上從S頻段過渡到X頻段、Ka頻段,；信號處理上從模擬化逐步過渡到全數(shù)字處理?，F(xiàn)階段，我國深空通信技術(shù)基本上解決了點對點通信技術(shù)問題,，并在探月一期和探月二期中得到成功應(yīng)用,。后續(xù)為開展載人登月、火星探測,、先導(dǎo)計劃等深空探測任務(wù),，深空通信技術(shù)將逐步由點對點、端對端通信向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,。

    隨著探測目標的距離以及對數(shù)據(jù)傳輸效率的需求增加,，需要積極探索深空測控新技術(shù)，為我國未來更復(fù)雜,、更遙遠的深空探測任務(wù)提供更堅實的技術(shù)基礎(chǔ),。當(dāng)前物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)是提高無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的新興技術(shù)，在未來深空探測中也有著很大的應(yīng)用前景,。

2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

2.1 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼基本原理

    2006年,，張勝利教授等人將網(wǎng)絡(luò)編碼^[3]的思想應(yīng)用于物理層，首次提出了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼^[4],。下面通過介紹其在雙向中繼信道（TWRC）中的應(yīng)用來簡要介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理,。如圖1所示TWRC是一個具有3個節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò),，節(jié)點A和節(jié)點B之間沒有直接鏈路，必須通過中繼R互相通信,。這種模型常出現(xiàn)在各種通信系統(tǒng)中,，例如，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,，節(jié)點A和節(jié)點B是地面上相距很遠的基站,，中繼節(jié)點R是衛(wèi)星。

    如圖1所示,，在雙向中繼信道中,，分別說明采用傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式、網(wǎng)絡(luò)編碼方式,、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方式如何進行通信,。

    當(dāng)采用傳統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式時，為避免互相干擾,，傳輸方案總共需要4個時隙來交換2數(shù)據(jù)包,，如圖1(a)所示。吞吐量是1/4符號/信源/時隙(Sym/S/TS),。

    而采用網(wǎng)絡(luò)編碼模型時,，同樣為了避免相互干擾，節(jié)點R必須在不同的時隙接收A與B發(fā)送的數(shù)據(jù)包,，然后對收到的兩個數(shù)據(jù)包進行編碼如S_AS_B,，再廣播出去。源節(jié)點A和B根據(jù)收到的編碼數(shù)據(jù)包與自身的數(shù)據(jù)包進行異或運算,，從而得到對方的數(shù)據(jù)包,，如圖2(b)所示。如此需要3個時隙完成2 bit的信息交換,。吞吐量為1/3 Sym/S/TS,，相比于傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)提升了33%。

    而當(dāng)采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼時,，中繼R可以在第一個時隙同時接收節(jié)點A與B的數(shù)據(jù)包,，將數(shù)據(jù)包的自然疊加當(dāng)成網(wǎng)絡(luò)編碼運算的一部分。其基本思想是在第一個時隙時,，節(jié)點A和節(jié)點B同時分別向節(jié)點R傳輸信號S_A和S_B,，中繼R收到疊加的信號S_A+S_B；在第二個時隙,，節(jié)點R對疊加的信號進行網(wǎng)絡(luò)編碼,，如S_AS_B得到信號S_R，并廣播信號S_R，源節(jié)點A和B根據(jù)自身的信號以及接收到的廣播信號,，解出對方的信號,。

    如此，利用無線信道的廣播特性和電磁波的疊加特性,，只需要兩個時隙就可以完成2 bit信息的交換,，其吞吐量為1/2 Sym/S/TS，相比于傳統(tǒng)方式提升了100%,，比網(wǎng)絡(luò)編碼方式提升了50%,。

2.2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢

    采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼主要有以下4點優(yōu)勢：

    (1)傳輸頻譜效率高：傳統(tǒng)方式需要4個時隙，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼只需要2個時隙,，傳輸效率提高一倍,。

    (2)物理安全性好：中繼節(jié)點收到的是兩個用戶節(jié)點的疊加信息，中繼不能得到兩個用戶的任何實際信息,。因此,，即使中繼被黑客控制或者被第三方竊聽，都不會泄露任何有用信息,。

    (3)系統(tǒng)的能量效率高：利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，中繼下行僅需要一次廣播,，可以將傳輸能量消耗降低50%,，延長中繼的壽命。

    (4)緩解中繼的存儲壓力：中繼只需要存儲疊加的信號,，不需要分別存儲兩個信號,，將存儲效率提高50%。

3 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空通信中的應(yīng)用展望

3.1 應(yīng)用展望

    在后續(xù)的月球探測,、火星探測等深空探測中,，組建行星表面網(wǎng)是未來發(fā)展的趨勢。行星表面網(wǎng)由布設(shè)在行星表面的著陸器,、巡視器以及基站等構(gòu)成,。行星表面網(wǎng)主要解決行星表面節(jié)點之間相互通信的問題^[5]。當(dāng)星體表面兩個目標相距甚遠,，無法進行直接通信時,，中繼轉(zhuǎn)發(fā)是一種有效的方式。如在未來載人登月任務(wù)中,，月球著陸器,、月球車、航天員,、月球基地之間可以利用UHF鏈路,，通過月球中繼進行相互通信^[6]。為了進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩梢詤⒖嘉锢韺泳W(wǎng)絡(luò)編碼的思想,，把通過中繼互相通信的用戶兩兩分組,，對同一組內(nèi)的用戶使用完全相同的頻率、時隙或擴頻碼字,，進而提升了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率,，并且成倍減少傳輸?shù)臅r隙，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸效率,。

    以著陸器與月球基地之間的信息交互為例,。當(dāng)著陸器和月球基地之間相距甚遠，無法進行直接通信時,，需要通過近月軌道器進行中繼轉(zhuǎn)發(fā),，然而軌道器的有效過境時間是十分有限的。需要在軌道器的有效過境時間內(nèi)盡可能多地交互數(shù)據(jù),。參照物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理,，將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用到該場景。

    如圖2所示,，月球基地和著陸器之間經(jīng)軌道器互傳信息,。如果軌道器僅簡單轉(zhuǎn)發(fā)，則系統(tǒng)需要收發(fā)4次,；如果進行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼,，則系統(tǒng)只須工作2次?；舅枷霝椋旱谝粋€時隙內(nèi),，著陸器和月球基地同時向軌道器發(fā)送信息，軌道器收到兩個信號的疊加信號,；第二個時隙內(nèi),，軌道器對收到的信號進行處理，得到著陸器和月球基地的信號的網(wǎng)絡(luò)編碼信號,，比如異或,，然后將其廣播至月球基地和著陸器。月球基地和著陸器根據(jù)得到的網(wǎng)絡(luò)編碼信號和自身發(fā)送的信號解出對方發(fā)送的信號,。

    通過采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的方式,，將大大提升系統(tǒng)的傳輸性能。首先,，傳輸時隙成倍減少,，將成倍提升系統(tǒng)傳輸效率；其次,，由于中繼下行僅需要一次廣播,，而之前的中繼需要分別傳輸信息至各目標，從而使得月球中繼的能耗減半；最后,，由于混合信息的存在帶來時變密鑰的效果,，外來的偷聽者無法獲得真實傳輸?shù)男畔ⅲ瑥亩蟠笤鰪娏送ㄐ诺陌踩浴?/p>

    該方法在后續(xù)的深空探測任務(wù)中,，比如火星探測任務(wù),、小行星探測任務(wù)，星體表面航天員或探測器需要借助中繼互通信息的情況下均適用,。隨著未來月球和火星導(dǎo)航通信網(wǎng)絡(luò)的建立,，雙向中繼的通信場景將會更加普遍的存在，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空通信中將有著廣闊的應(yīng)用前景,。

3.2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的工程實現(xiàn)

    目前物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究大多基于理論分析與仿真驗證,，對于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的實現(xiàn)研究還比較匱乏。香港中文大學(xué)的Lu Lu等人首次在頻域上實現(xiàn)了異步PNC的原型機,。該原型機借助通用軟件無線電平臺USRP,，配合GNU Radio軟件無線電工具，利用OFDM技術(shù)使子載波碼元變長,，在中繼節(jié)點處理符號載波同步,，信道估計，最終實現(xiàn)頻域物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼實際通信系統(tǒng)^[7-8],。但是該系統(tǒng)對實驗環(huán)境的要求很高,，僅限于實驗室的研究。

    若將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于深空通信,，還需要考慮一系列問題：

    (1)深空通信具有長延時、弱信號,、易中斷等特點,。需要研究適應(yīng)于深空通信特點的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。

    (2)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼對同步要求較高,，如果不采用一定的同步機制來保證兩航天器所發(fā)送的信號在中繼處盡可能疊加,，則物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢將很難體現(xiàn)。但要保證完全同步是很難實現(xiàn)的,，并且具有很大的代價,。因此，需要研究在非完全同步下,，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的實現(xiàn)方案^[9],。

    (3)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機制的實現(xiàn)涉及到通信理論、信號檢測與處理等多學(xué)科融合,，打破了傳統(tǒng)的信號處理方式,，需要對原有的協(xié)議做出一系列的改進。

4 總結(jié)

    隨著深空探測的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化是深空通信的發(fā)展趨勢,。深空通信難題,，如亟需提高深空數(shù)據(jù)傳輸能力等問題，可以考慮利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決,。當(dāng)前,，網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點——物理層網(wǎng)絡(luò)編碼通過使收發(fā)雙方使用相同的頻帶同時進行通信，成倍地提高了系統(tǒng)的頻帶利用率,，并且減少系統(tǒng)傳輸時隙,，在深空通信中擁有廣闊的應(yīng)用前景。然而,，目前物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究大多基于理論分析與仿真驗證,，其在深空通信中的工程實現(xiàn)還需要攻克一系列技術(shù)難題。

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