物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空通信中的應(yīng)用展望*

董光亮，崔健雄，李海濤，馮貴年

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空通信中的應(yīng)用展望*

董光亮，崔健雄，李海濤，馮貴年

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

深空探測任務(wù)的不斷擴(kuò)展對深空通信數(shù)據(jù)傳輸效率提出了更高的要求。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼作為一種新型的頻率復(fù)用傳輸技術(shù)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，在未來載人登月、火星探測等深空探測任務(wù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。介紹了國內(nèi)外深空通信的發(fā)展情況，闡述了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理以及優(yōu)勢，展望了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在未來的深空探測中的應(yīng)用前景及在實(shí)際工程應(yīng)用中尚需解決的技術(shù)難題。

深空探測；深空通信；雙向中繼信道；物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

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。

表1　傳統(tǒng)解決深空通信路徑損耗問題的方法及增益

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。

圖1　雙向中繼下的三類模型

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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(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。

圖2　物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在深空探測應(yīng)用場景舉例

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。

[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.

A survey on application of physical layer network coding in deep space communication

Dong Guangliang，Cui Jianxiong，Li Haitao，F(xiàn)eng Guinian
（Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100094，China）

With the expansion of the field of deep space exploration,data transmission task is getting heavier and heavier.Physical Layer Network Coding(PNC)as a new kind of frequency multiplexing transmission technology,can improve the system throughput and spectral efficiency by taking the advantage of the broadcast nature of electromagnetic waves in wireless cooperative environments,which meets the requirements of data transmission capacity in deep space missions.In this paper,the development of deep space exploration at home and abroad is firstly introduced.Then the basic idea of PNC is explained and its benefit over traditional forward and straight forward network coding under two-way relay scenario is illustrated.Finally,the applications of PNC in deep space communication are proposed.And it is pointed out that some technical difficult problems must be solved in practical project application for future deep space exploration.

deep space exploration；deep space communication；two-way relay channel；PNC

TN919；TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.006

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372078）；863計劃資助項(xiàng)目（2015AA703405A）

2015-12-21)

董光亮（1966-），男，研究員，主要研究方向：航天測控、軌道動力學(xué)、網(wǎng)絡(luò)編碼等技術(shù)研究。

崔健雄（1993-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究，E-mail：jianxiongcui@163.com。

李海濤（1973-），男，高級工程師，主要研究方向：深空測控通信總體設(shè)計與技術(shù)研究。

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.