文獻標識碼： 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. 物理層網絡編碼在深空通信中的應用展望[J].電子技術應用，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
隨著空間科學技術的發展，空間探測任務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。在可以預見的未來，空間領域將逐步形成由地基通信、近地衛星、月球中繼、月球接入網、火星中繼、火星接入網等構成的深空網絡。
隨著深空探測的不斷發展，深空通信數據傳輸業務將會大幅度增長，且會存在大量數據交互需求。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，提高深空數據傳輸效率，考慮將物理層網絡編碼系統模型引入到深空網絡中。物理層網絡編碼作為一種新型的頻率復用技術，它可以與不同多址技術結合使用，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絡吞吐量，提高數據傳輸效率。
物理層網絡編碼系統的高吞吐量優勢是十分誘人的，在深空通信中，迫切需要提升系統的傳輸效率。因此，將物理層網絡編碼的系統模型引入深空通信網絡是非常具有前景和研究價值的。
1 國內外深空通信的發展情況
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，實現高效、可靠的鏈路通信和測控具有很大的挑戰。針對這一問題，目前國外深空探測采用的主要技術手段包括[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、提高載波頻率和降低接收系統噪聲溫度。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、增加收發天線口徑及發射功率（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，導致傳統的數據傳輸協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，且加工精度和調整精度要求很高，所以進一步加大天線口徑已經不是目前研究發展的主要方向；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小時連續通信。因此，如何提高深空通信的效率和可靠性成為關鍵問題。
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的長距離引起，所以采用分段中繼的思想構建類似于地面因特網的行星際互聯網，以減小信息傳輸的距離。美國從上個世紀九十年代就開始行星際互聯網研究，本世紀開始更是以深空探測領跑，加速了這個領域的研究和實踐的步伐。如NASA已建成的深空網絡(DSN)、先進的多任務軌道運行計劃[2](AMMOS)與NASA的火星觀測計劃（MSP）的行星際互聯網（IPN：Inter Planetary Internet），NASA的JPL實驗室開發的用來支持星際互聯網通信的仿真系統(MACHETE: Multi-mission Advance Communications Hybrid Environment for Test and Evaluation）。
1.2 國內情況
與美國等發達國家相比，我國在深空探測領域的研究起步較晚。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，基本能夠完成連續測控覆蓋的深空測控網；實現下行天線組陣技術，正在研發上行天線組陣技術；編譯碼技術從卷積碼、RS編碼向Turbo碼、LDPC編碼發展；調制方式從BPSK/PM向GMSK調制發展；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字處理。現階段，我國深空通信技術基本上解決了點對點通信技術問題，并在探月一期和探月二期中得到成功應用。后續為開展載人登月、火星探測、先導計劃等深空探測任務，深空通信技術將逐步由點對點、端對端通信向網絡化發展。
隨著探測目標的距離以及對數據傳輸效率的需求增加，需要積極探索深空測控新技術，為我國未來更復雜、更遙遠的深空探測任務提供更堅實的技術基礎。當前物理層網絡編碼技術是提高無線網絡吞吐量的新興技術，在未來深空探測中也有著很大的應用前景。
2 物理層網絡編碼
2.1 物理層網絡編碼基本原理
2006年，張勝利教授等人將網絡編碼[3]的思想應用于物理層，首次提出了物理層網絡編碼[4]。下面通過介紹其在雙向中繼信道（TWRC）中的應用來簡要介紹物理層網絡編碼的基本原理。如圖1所示TWRC是一個具有3個節點的通信網絡，節點A和節點B之間沒有直接鏈路，必須通過中繼R互相通信。這種模型常出現在各種通信系統中，例如，在衛星通信系統中，節點A和節點B是地面上相距很遠的基站，中繼節點R是衛星。
如圖1所示，在雙向中繼信道中，分別說明采用傳統存儲轉發方式、網絡編碼方式、物理層網絡編碼方式如何進行通信。
當采用傳統的存儲轉發方式時，為避免互相干擾，傳輸方案總共需要4個時隙來交換2數據包，如圖1(a)所示。吞吐量是1/4符號/信源/時隙(Sym/S/TS)。
而采用網絡編碼模型時，同樣為了避免相互干擾，節點R必須在不同的時隙接收A與B發送的數據包，然后對收到的兩個數據包進行編碼如SA
SB，再廣播出去。源節點A和B根據收到的編碼數據包與自身的數據包進行異或運算，從而得到對方的數據包，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，相比于傳統存儲轉發提升了33%。
而當采用物理層網絡編碼時，中繼R可以在第一個時隙同時接收節點A與B的數據包，將數據包的自然疊加當成網絡編碼運算的一部分。其基本思想是在第一個時隙時，節點A和節點B同時分別向節點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，節點R對疊加的信號進行網絡編碼，如SA
SB得到信號SR，并廣播信號SR，源節點A和B根據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，相比于傳統方式提升了100%，比網絡編碼方式提升了50%。
2.2 物理層網絡編碼的優勢
采用物理層網絡編碼主要有以下4點優勢：
(1)傳輸頻譜效率高：傳統方式需要4個時隙，物理層網絡編碼只需要2個時隙，傳輸效率提高一倍。
(2)物理安全性好：中繼節點收到的是兩個用戶節點的疊加信息，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)系統的能量效率高：利用物理層網絡編碼，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 物理層網絡編碼在深空通信中的應用展望
3.1 應用展望
在后續的月球探測、火星探測等深空探測中，組建行星表面網是未來發展的趨勢。行星表面網由布設在行星表面的著陸器、巡視器以及基站等構成。行星表面網主要解決行星表面節點之間相互通信的問題[5]。當星體表面兩個目標相距甚遠，無法進行直接通信時，中繼轉發是一種有效的方式。如在未來載人登月任務中，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]。為了進一步提高數據傳輸的效率，可以參考物理層網絡編碼的思想，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，進而提升了網絡的帶寬利用率，并且成倍減少傳輸的時隙，從而提高數據的傳輸效率。
以著陸器與月球基地之間的信息交互為例。當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發，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盡可能多地交互數據。參照物理層網絡編碼的基本原理，將物理層網絡編碼技術應用到該場景。
如圖2所示，月球基地和著陸器之間經軌道器互傳信息。如果軌道器僅簡單轉發，則系統需要收發4次；如果進行物理層網絡編碼，則系統只須工作2次。基本思想為：第一個時隙內，著陸器和月球基地同時向軌道器發送信息，軌道器收到兩個信號的疊加信號；第二個時隙內，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絡編碼信號，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得到的網絡編碼信號和自身發送的信號解出對方發送的信號。
通過采用物理層網絡編碼的方式，將大大提升系統的傳輸性能。首先，傳輸時隙成倍減少，將成倍提升系統傳輸效率；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的信息，從而大大增強了通信的安全性。
該方法在后續的深空探測任務中，比如火星探測任務、小行星探測任務，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航通信網絡的建立，雙向中繼的通信場景將會更加普遍的存在，物理層網絡編碼在深空通信中將有著廣闊的應用前景。
3.2 物理層網絡編碼的工程實現
目前物理層網絡編碼的研究大多基于理論分析與仿真驗證，對于物理層網絡編碼的實現研究還比較匱乏。香港中文大學的Lu Lu等人首次在頻域上實現了異步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技術使子載波碼元變長，在中繼節點處理符號載波同步，信道估計，最終實現頻域物理層網絡編碼的雙向中繼實際通信系統[7-8]。但是該系統對實驗環境的要求很高，僅限于實驗室的研究。
若將物理層網絡編碼應用于深空通信，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。需要研究適應于深空通信特點的物理層網絡編碼技術。
(2)物理層網絡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送的信號在中繼處盡可能疊加，則物理層網絡編碼的優勢將很難體現。但要保證完全同步是很難實現的，并且具有很大的代價。因此，需要研究在非完全同步下，物理層網絡編碼的實現方案[9]。
(3)物理層網絡編碼機制的實現涉及到通信理論、信號檢測與處理等多學科融合，打破了傳統的信號處理方式，需要對原有的協議做出一系列的改進。
4 總結
隨著深空探測的不斷發展，網絡化是深空通信的發展趨勢。深空通信難題，如亟需提高深空數據傳輸能力等問題，可以考慮利用網絡技術來解決。當前，網絡領域的研究熱點——物理層網絡編碼通過使收發雙方使用相同的頻帶同時進行通信，成倍地提高了系統的頻帶利用率，并且減少系統傳輸時隙，在深空通信中擁有廣闊的應用前景。然而，目前物理層網絡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還需要攻克一系列技術難題。
參考文獻
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