文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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(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(kuò)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(yuǎn)距離為40 130萬公里，海王星距地球最遠(yuǎn)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(shí)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(diǎn)途徑是以點(diǎn)對點(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(bǔ)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(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(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領(lǐng)跑,，加速了這個領(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(shí)驗(yàn)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(dá)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(xiàng)，標(biāo)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(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。現(xiàn)階段,，我國深空通信技術(shù)基本上解決了點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn),、端對端通信向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,。
隨著探測目標(biāo)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(yuǎn)的深空探測任務(wù)提供更堅實(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(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò),，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)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(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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行編碼如SA
SB，再廣播出去,。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(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時隙時,，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B同時分別向節(jié)點(diǎn)R傳輸信號SA和SB，中繼R收到疊加的信號SA+SB,；在第二個時隙,，節(jié)點(diǎn)R對疊加的信號進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，如SA
SB得到信號SR,，并廣播信號SR,，源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)收到的是兩個用戶節(jié)點(diǎn)的疊加信息,，中繼不能得到兩個用戶的任何實(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(diǎn)之間相互通信的問題[5],。當(dāng)星體表面兩個目標(biāo)相距甚遠(yuǎn),，無法進(jìn)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(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(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),，無法進(jìn)行直接通信時,，需要通過近月軌道器進(jìn)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(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€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(jìn)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(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時變密鑰的效果,，外來的偷聽者無法獲得真實(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(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(diǎn)處理符號載波同步,，信道估計，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題：
(1)深空通信具有長延時,、弱信號、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)編碼對同步要求較高，如果不采用一定的同步機(jī)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(shí)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(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(jìn),。
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(diǎn)——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(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,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張乃通，李暉,，張欽宇.深空探測通信技術(shù)發(fā)展趨勢及思考[J].宇航學(xué)報,，2007，28(4)：786-793.
[2] KO A,，MALDAGUE P,，LAM D，et al.The Evolvable Advanced Multi-Mission Operations System(AMMOS)：Making Systems Interoperable[C].Proc.AIAA SpaceOps 2010 Conference,，Huntsville,，AL.2010.
[3] AHLSWEDE R，CAI N,，LI S Y R,，et al.Network information flow[J].IEEE Trans. on Information theory，2000,，46(4)：1204-1216.
[4] Zhang Shengli,，Soung Chang Liew.Hot topic：physical-layer network coding[C].Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking，Los Angeles,，CA,，USA，2006.
[5] NASA Space Communication Architecture Working Group.NASA Space Communication and Navigation Architecture Recommendations for 2005-2030[R].SCAWG Final Report,，2006.
[6] FLANEGAN M,，GAL-Edd J，ANDERSON L,，et al.NASA’s lunar communication and navigation architecture[J].AIAA SpaceOps,，2008.
[7] LU L，WANG T,，LIEW S C,，et al.Implementation of physical-layer network coding[J].Physical Communication，2013(6)：74-87.
[8] LU L,，YOU L,，YANG Q,，et al.Real-time implementation of physical-layer network coding[C].Proceedings of the second workshop on Software radio implementation forum.ACM，2013：71-76.
[9] ROSSETTO F,，ZORZI M.On the design of practical asynchronous physical layer network coding[C].IEEE 10th Workshop on SPAWC.2009,，9：469-473.