文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.006
中文引用格式: 董光亮,,崔健雄,,李海濤,等. 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空通信中的應(yīng)用展望[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(5):21-23,31.
英文引用格式: Dong Guangliang,,Cui Jianxiong,,Li Haitao,et al. A survey on application of physical layer network coding in deep space communication[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(5):21-23,31.
0 引言
隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,空間探測(cè)任務(wù)正從近地勘察走向深空探測(cè),,月球探測(cè),、火星探測(cè)已成為國(guó)際上熱門的空間活動(dòng)。目前,,我國(guó)正積極開展深空探測(cè)和載人登月的規(guī)劃論證工作,,計(jì)劃開展火星探測(cè)、小行星探測(cè)和載人月球探測(cè)等各種深空探測(cè)活動(dòng),。在可以預(yù)見的未來(lái),,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(cè)的不斷發(fā)展,,深空通信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)將會(huì)大幅度增長(zhǎng),且會(huì)存在大量數(shù)據(jù)交互需求,。另外,,由于深空探測(cè)器的造價(jià)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(gè)不同的航天器同時(shí)采用相同的時(shí)隙,、頻率和擴(kuò)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?jī)?yōu)勢(shì)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?jī)r(jià)值的,。
1 國(guó)內(nèi)外深空通信的發(fā)展情況
1.1 國(guó)外情況
美國(guó)從1958年啟動(dòng)月球探測(cè)計(jì)劃至今,,已探測(cè)過(guò)太陽(yáng)系內(nèi)的所有行星。2015年7月14日,,美國(guó)宇航局“新視野”號(hào)探測(cè)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(cè)史上又一里程碑,。隨著深空探測(cè)范圍的擴(kuò)大,帶來(lái)最直接的影響是傳輸損耗以及傳輸時(shí)延的大大增加,。例如,,火星距離地球的最遠(yuǎn)距離為40 130萬(wàn)公里,海王星距地球最遠(yuǎn)距離為469 410萬(wàn)公里,,相對(duì)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(shí)分別為22.294 min與260.78 min。在如此巨大的鏈路傳輸損耗下,,實(shí)現(xiàn)高效,、可靠的鏈路通信和測(cè)控具有很大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題,,目前國(guó)外深空探測(cè)采用的主要技術(shù)手段包括[1]:增加地球站和探測(cè)器天線口徑,、提高探測(cè)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(diǎn)途徑是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路,、增加收發(fā)天線口徑及發(fā)射功率(這三項(xiàng)占表1總增益的44.6%)為主,存在如下問(wèn)題:首先,,根據(jù)表1計(jì)算得到,,即使最大獲取鏈路增益92.64 dB,對(duì)于海王星的探測(cè)通信仍有8.9~9.7 dB左右的路徑損耗未獲補(bǔ)償,。信號(hào)能量隨著深空探測(cè)距離平方值衰減,,接收信號(hào)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(cè)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(shí)情況下吞吐量極低,;70 m天線重量達(dá)到3 000 噸,、熱變形與負(fù)載變形嚴(yán)重,且加工精度和調(diào)整精度要求很高,,所以進(jìn)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(cè)器的硬件條件使得射頻功率嚴(yán)格受限;而且,,受軌道運(yùn)動(dòng)和天體遮蔽的影響,,航天器與地球地面站無(wú)法保持24小時(shí)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(wèn)題,。
考慮到空間通信所面臨的大時(shí)延和大損耗問(wèn)題主要是由信息傳輸?shù)拈L(zhǎng)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(guó)從上個(gè)世紀(jì)九十年代就開始行星際互聯(lián)網(wǎng)研究,本世紀(jì)開始更是以深空探測(cè)領(lǐng)跑,加速了這個(gè)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐的步伐,。如NASA已建成的深空網(wǎng)絡(luò)(DSN),、先進(jìn)的多任務(wù)軌道運(yùn)行計(jì)劃[2](AMMOS)與NASA的火星觀測(cè)計(jì)劃(MSP)的行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN:Inter Planetary Internet),NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用來(lái)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(guó)內(nèi)情況
與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,,我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的研究起步較晚。2004年1月,,中國(guó)探月工程正式立項(xiàng),,標(biāo)志著我國(guó)邁向深空探測(cè)的第一步。目前,,我國(guó)已建成2個(gè)深空站,,南美35 m的深空站計(jì)劃于2016年建成,屆時(shí)能夠初步形成全球布站,,基本能夠完成連續(xù)測(cè)控覆蓋的深空測(cè)控網(wǎng),;實(shí)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(guò)渡到X頻段、Ka頻段,;信號(hào)處理上從模擬化逐步過(guò)渡到全數(shù)字處理。現(xiàn)階段,,我國(guó)深空通信技術(shù)基本上解決了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)問(wèn)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(cè),、先導(dǎo)計(jì)劃等深空探測(cè)任務(wù),深空通信技術(shù)將逐步由點(diǎn)對(duì)點(diǎn),、端對(duì)端通信向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,。
隨著探測(cè)目標(biāo)的距離以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率的需求增加,需要積極探索深空測(cè)控新技術(shù),,為我國(guó)未來(lái)更復(fù)雜,、更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)提供更堅(jiān)實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的新興技術(shù),,在未來(lái)深空探測(cè)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(guò)介紹其在雙向中繼信道(TWRC)中的應(yīng)用來(lái)簡(jiǎn)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(gè)具有3個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間沒(méi)有直接鏈路,,必須通過(guò)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(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B是地面上相距很遠(yuǎn)的基站,中繼節(jié)點(diǎn)R是衛(wèi)星,。
如圖1所示,,在雙向中繼信道中,分別說(shuō)明采用傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(jìn)行通信。
當(dāng)采用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí),,為避免互相干擾,,傳輸方案總共需要4個(gè)時(shí)隙來(lái)交換2數(shù)據(jù)包,如圖1(a)所示,。吞吐量是1/4符號(hào)/信源/時(shí)隙(Sym/S/TS),。
而采用網(wǎng)絡(luò)編碼模型時(shí),同樣為了避免相互干擾,,節(jié)點(diǎn)R必須在不同的時(shí)隙接收A與B發(fā)送的數(shù)據(jù)包,,然后對(duì)收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼如SASB,再?gòu)V播出去,。源節(jié)點(diǎn)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(jìn)行異或運(yùn)算,,從而得到對(duì)方的數(shù)據(jù)包,如圖2(b)所示,。如此需要3個(gè)時(shí)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)提升了33%,。
而當(dāng)采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí),,中繼R可以在第一個(gè)時(shí)隙同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)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(yùn)算的一部分,。其基本思想是在第一個(gè)時(shí)隙時(shí),,節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B同時(shí)分別向節(jié)點(diǎn)R傳輸信號(hào)SA和SB,中繼R收到疊加的信號(hào)SA+SB,;在第二個(gè)時(shí)隙,,節(jié)點(diǎn)R對(duì)疊加的信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼,如SASB得到信號(hào)SR,并廣播信號(hào)SR,,源節(jié)點(diǎn)A和B根據(jù)自身的信號(hào)以及接收到的廣播信號(hào),,解出對(duì)方的信號(hào)。
如此,,利用無(wú)線信道的廣播特性和電磁波的疊加特性,,只需要兩個(gè)時(shí)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(shì)
采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼主要有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì):
(1)傳輸頻譜效率高:傳統(tǒng)方式需要4個(gè)時(shí)隙,,物理層網(wǎng)絡(luò)編碼只需要2個(gè)時(shí)隙,,傳輸效率提高一倍。
(2)物理安全性好:中繼節(jié)點(diǎn)收到的是兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的疊加信息,,中繼不能得到兩個(gè)用戶的任何實(shí)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(huì)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(zhǎng)中繼的壽命。
(4)緩解中繼的存儲(chǔ)壓力:中繼只需要存儲(chǔ)疊加的信號(hào),,不需要分別存儲(chǔ)兩個(gè)信號(hào),,將存儲(chǔ)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(cè),、火星探測(cè)等深空探測(cè)中,,組建行星表面網(wǎng)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。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(diǎn)之間相互通信的問(wèn)題[5],。當(dāng)星體表面兩個(gè)目標(biāo)相距甚遠(yuǎn),,無(wú)法進(jìn)行直接通信時(shí),中繼轉(zhuǎn)發(fā)是一種有效的方式,。如在未來(lái)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(guò)月球中繼進(jìn)行相互通信[6]。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?,可以參考物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的思想,,把通過(guò)中繼互相通信的用戶兩兩分組,對(duì)同一組內(nèi)的用戶使用完全相同的頻率,、時(shí)隙或擴(kuò)頻碼字,,進(jìn)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(shí)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(yuǎn),,無(wú)法進(jìn)行直接通信時(shí),,需要通過(guò)近月軌道器進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā),然而軌道器的有效過(guò)境時(shí)間是十分有限的,。需要在軌道器的有效過(guò)境時(shí)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(chǎng)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(jiǎn)單轉(zhuǎn)發(fā),,則系統(tǒng)需要收發(fā)4次,;如果進(jìn)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€(gè)時(shí)隙內(nèi),著陸器和月球基地同時(shí)向軌道器發(fā)送信息,,軌道器收到兩個(gè)信號(hào)的疊加信號(hào),;第二個(gè)時(shí)隙內(nèi),軌道器對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理,,得到著陸器和月球基地的信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)編碼信號(hào),,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(hào)和自身發(fā)送的信號(hào)解出對(duì)方發(fā)送的信號(hào),。
通過(guò)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(shí)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(biāo),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(lái)時(shí)變密鑰的效果,外來(lái)的偷聽者無(wú)法獲得真實(shí)傳輸?shù)男畔?,從而大大增?qiáng)了通信的安全性,。
該方法在后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)中,比如火星探測(cè)任務(wù),、小行星探測(cè)任務(wù),,星體表面航天員或探測(cè)器需要借助中繼互通信息的情況下均適用。隨著未來(lái)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(chǎng)景將會(huì)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(shí)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(yàn)證,,對(duì)于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)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(shí)現(xiàn)了異步PNC的原型機(jī)。該原型機(jī)借助通用軟件無(wú)線電平臺(tái)USRP,,配合GNU Radio軟件無(wú)線電工具,,利用OFDM技術(shù)使子載波碼元變長(zhǎng),在中繼節(jié)點(diǎn)處理符號(hào)載波同步,,信道估計(jì),,最終實(shí)現(xiàn)頻域物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼實(shí)際通信系統(tǒng)[7-8]。但是該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求很高,,僅限于實(shí)驗(yàn)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(wèn)題:
(1)深空通信具有長(zhǎng)延時(shí),、弱信號(hào),、易中斷等特點(diǎn)。需要研究適應(yīng)于深空通信特點(diǎn)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù),。
(2)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)同步要求較高,,如果不采用一定的同步機(jī)制來(lái)保證兩航天器所發(fā)送的信號(hào)在中繼處盡可能疊加,則物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)將很難體現(xiàn),。但要保證完全同步是很難實(shí)現(xiàn)的,,并且具有很大的代價(jià)。因此,,需要研究在非完全同步下,物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)現(xiàn)方案[9],。
(3)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的實(shí)現(xiàn)涉及到通信理論,、信號(hào)檢測(cè)與處理等多學(xué)科融合,,打破了傳統(tǒng)的信號(hào)處理方式,需要對(duì)原有的協(xié)議做出一系列的改進(jìn),。
4 總結(jié)
隨著深空探測(cè)的不斷發(fā)展,,網(wǎng)絡(luò)化是深空通信的發(fā)展趨勢(shì)。深空通信難題,,如亟需提高深空數(shù)據(jù)傳輸能力等問(wèn)題,,可以考慮利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)解決。當(dāng)前,,網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)——物理層網(wǎng)絡(luò)編碼通過(guò)使收發(fā)雙方使用相同的頻帶同時(shí)進(jìn)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(shí)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(yàn)證,,其在深空通信中的工程實(shí)現(xiàn)還需要攻克一系列技術(shù)難題,。
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