物理层网络编码在深空通信中的应用展望

董光亮，崔健雄，李海涛，冯贵年

(北京跟踪与通信技术研究所，北京100094)

摘 要：深空探测任务的不断扩展对深空通信数据传输效率提出了更高的要求。物理层网络编码作为一种新型的频率复用传输技术，能够提高网络吞吐量，增强网络的数据传输能力，在未来载人登月、火星探测等深空探测任务中有着广阔的应用前景。介绍了国内外深空通信的发展情况，阐述了物理层网络编码的基本原理以及优势，展望了物理层网络编码在未来的深空探测中的应用前景及在实际工程应用中尚需解决的技术难题。

中图分类号：TN919；TP393

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.006

中文引用格式：董光亮，崔健雄，李海涛，等. 物理层网络编码在深空通信中的应用展望[J].电子技术应用，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

随着空间科学技术的发展，空间探测任务正从近地勘察走向深空探测，月球探测、火星探测已成为国际上热门的空间活动。目前，我国正积极开展深空探测和载人登月的规划论证工作，计划开展火星探测、小行星探测和载人月球探测等各种深空探测活动。在可以预见的未来，空间领域将逐步形成由地基通信、近地卫星、月球中继、月球接入网、火星中继、火星接入网等构成的深空网络。

随着深空探测的不断发展，深空通信数据传输业务将会大幅度增长，且会存在大量数据交互需求。另外，由于深空探测器的造价昂贵，使得深空信道的带宽资源尤为重要。为了充分利用有限的带宽资源，提高深空数据传输效率，考虑将物理层网络编码系统模型引入到深空网络中。物理层网络编码作为一种新型的频率复用技术，它可以与不同多址技术结合使用，允许两个不同的航天器同时采用相同的时隙、频率和扩频码相互通信，从而成倍地提升了网络吞吐量，提高数据传输效率。

物理层网络编码系统的高吞吐量优势是十分诱人的，在深空通信中，迫切需要提升系统的传输效率。因此，将物理层网络编码的系统模型引入深空通信网络是非常具有前景和研究价值的。

1 国内外深空通信的发展情况

1.1 国外情况

美国从1958年启动月球探测计划至今，已探测过太阳系内的所有行星。2015年7月14日，美国宇航局“新视野”号探测器历经近10年的飞行，行程约50亿千米，成功飞掠冥王星，成为人类深空探测史上又一里程碑。随着深空探测范围的扩大，带来最直接的影响是传输损耗以及传输时延的大大增加。例如，火星距离地球的最远距离为40 130万公里，海王星距地球最远距离为469 410万公里，相对于同步轨道卫星到地面，其路径损耗分别增加80.94 dB与102.31 dB，最大延时分别为22.294 min与260.78 min。在如此巨大的链路传输损耗下，实现高效、可靠的链路通信和测控具有很大的挑战。针对这一问题，目前国外深空探测采用的主要技术手段包括^[1]：增加地球站和探测器天线口径、提高探测器的射频功率、采用更高效的信道编码方式、采用压缩比更高的压缩技术、提高载波频率和降低接收系统噪声温度。如表1所示。

由表1可以看出目前解决深空通信难点途径是以点对点链路、增加收发天线口径及发射功率（这三项占表1总增益的44.6%）为主，存在如下问题：首先，根据表1计算得到，即使最大获取链路增益92.64 dB，对于海王星的探测通信仍有8.9~9.7 dB左右的路径损耗未获补偿。信号能量随着深空探测距离平方值衰减，接收信号信噪比极低，需要高增益、低复杂度的信道编码方式和有效的检测手段；而传输距离的增加，导致传统的数据传输协议在深空大延时情况下吞吐量极低；70 m天线重量达到3 000 吨、热变形与负载变形严重，且加工精度和调整精度要求很高，所以进一步加大天线口径已经不是目前研究发展的主要方向；深空探测器的硬件条件使得射频功率严格受限；而且，受轨道运动和天体遮蔽的影响，航天器与地球地面站无法保持24小时连续通信。因此，如何提高深空通信的效率和可靠性成为关键问题。

考虑到空间通信所面临的大时延和大损耗问题主要是由信息传输的长距离引起，所以采用分段中继的思想构建类似于地面因特网的行星际互联网，以减小信息传输的距离。美国从上个世纪九十年代就开始行星际互联网研究，本世纪开始更是以深空探测领跑，加速了这个领域的研究和实践的步伐。如NASA已建成的深空网络(DSN)、先进的多任务轨道运行计划^[2](AMMOS)与NASA的火星观测计划（MSP）的行星际互联网（IPN：Inter Planetary Internet），NASA的JPL实验室开发的用来支持星际互联网通信的仿真系统(MACHETE: Multi-mission Advance Communications Hybrid Environment for Test and Evaluation）。

1.2 国内情况

与美国等发达国家相比，我国在深空探测领域的研究起步较晚。2004年1月，中国探月工程正式立项，标志着我国迈向深空探测的第一步。目前，我国已建成2个深空站，南美35 m的深空站计划于2016年建成，届时能够初步形成全球布站，基本能够完成连续测控覆盖的深空测控网；实现下行天线组阵技术，正在研发上行天线组阵技术；编译码技术从卷积码、RS编码向Turbo码、LDPC编码发展；调制方式从BPSK/PM向GMSK调制发展；通信频段上从S频段过渡到X频段、Ka频段；信号处理上从模拟化逐步过渡到全数字处理。现阶段，我国深空通信技术基本上解决了点对点通信技术问题，并在探月一期和探月二期中得到成功应用。后续为开展载人登月、火星探测、先导计划等深空探测任务，深空通信技术将逐步由点对点、端对端通信向网络化发展。

随着探测目标的距离以及对数据传输效率的需求增加，需要积极探索深空测控新技术，为我国未来更复杂、更遥远的深空探测任务提供更坚实的技术基础。当前物理层网络编码技术是提高无线网络吞吐量的新兴技术，在未来深空探测中也有着很大的应用前景。

2 物理层网络编码

2.1 物理层网络编码基本原理

2006年，张胜利教授等人将网络编码^[3]的思想应用于物理层，首次提出了物理层网络编码^[4]。下面通过介绍其在双向中继信道（TWRC）中的应用来简要介绍物理层网络编码的基本原理。如图1所示TWRC是一个具有3个节点的通信网络，节点A和节点B之间没有直接链路，必须通过中继R互相通信。这种模型常出现在各种通信系统中，例如，在卫星通信系统中，节点A和节点B是地面上相距很远的基站，中继节点R是卫星。

如图1所示，在双向中继信道中，分别说明采用传统存储转发方式、网络编码方式、物理层网络编码方式如何进行通信。

当采用传统的存储转发方式时，为避免互相干扰，传输方案总共需要4个时隙来交换2数据包，如图1(a)所示。吞吐量是1/4符号/信源/时隙(Sym/S/TS)。

而采用网络编码模型时，同样为了避免相互干扰，节点R必须在不同的时隙接收A与B发送的数据包，然后对收到的两个数据包进行编码如SAS_B，再广播出去。源节点A和B根据收到的编码数据包与自身的数据包进行异或运算，从而得到对方的数据包，如图2(b)所示。如此需要3个时隙完成2 bit的信息交换。吞吐量为1/3 Sym/S/TS，相比于传统存储转发提升了33%。

而当采用物理层网络编码时，中继R可以在第一个时隙同时接收节点A与B的数据包，将数据包的自然叠加当成网络编码运算的一部分。其基本思想是在第一个时隙时，节点A和节点B同时分别向节点R传输信号S_A和S_B，中继R收到叠加的信号S_A+S_B；在第二个时隙，节点R对叠加的信号进行网络编码，如S_AS_B得到信号S_R，并广播信号S_R，源节点A和B根据自身的信号以及接收到的广播信号，解出对方的信号。

如此，利用无线信道的广播特性和电磁波的叠加特性，只需要两个时隙就可以完成2 bit信息的交换，其吞吐量为1/2 Sym/S/TS，相比于传统方式提升了100%，比网络编码方式提升了50%。

2.2 物理层网络编码的优势

采用物理层网络编码主要有以下4点优势：

(1)传输频谱效率高：传统方式需要4个时隙，物理层网络编码只需要2个时隙，传输效率提高一倍。

(2)物理安全性好：中继节点收到的是两个用户节点的叠加信息，中继不能得到两个用户的任何实际信息。因此，即使中继被黑客控制或者被第三方窃听，都不会泄露任何有用信息。

(3)系统的能量效率高：利用物理层网络编码，中继下行仅需要一次广播，可以将传输能量消耗降低50%，延长中继的寿命。

(4)缓解中继的存储压力：中继只需要存储叠加的信号，不需要分别存储两个信号，将存储效率提高50%。

3 物理层网络编码在深空通信中的应用展望

3.1 应用展望

在后续的月球探测、火星探测等深空探测中，组建行星表面网是未来发展的趋势。行星表面网由布设在行星表面的着陆器、巡视器以及基站等构成。行星表面网主要解决行星表面节点之间相互通信的问题^[5]。当星体表面两个目标相距甚远，无法进行直接通信时，中继转发是一种有效的方式。如在未来载人登月任务中，月球着陆器、月球车、航天员、月球基地之间可以利用UHF链路，通过月球中继进行相互通信^[6]。为了进一步提高数据传输的效率，可以参考物理层网络编码的思想，把通过中继互相通信的用户两两分组，对同一组内的用户使用完全相同的频率、时隙或扩频码字，进而提升了网络的带宽利用率，并且成倍减少传输的时隙，从而提高数据的传输效率。

以着陆器与月球基地之间的信息交互为例。当着陆器和月球基地之间相距甚远，无法进行直接通信时，需要通过近月轨道器进行中继转发，然而轨道器的有效过境时间是十分有限的。需要在轨道器的有效过境时间内尽可能多地交互数据。参照物理层网络编码的基本原理，将物理层网络编码技术应用到该场景。

如图2所示，月球基地和着陆器之间经轨道器互传信息。如果轨道器仅简单转发，则系统需要收发4次；如果进行物理层网络编码，则系统只须工作2次。基本思想为：第一个时隙内，着陆器和月球基地同时向轨道器发送信息，轨道器收到两个信号的叠加信号；第二个时隙内，轨道器对收到的信号进行处理，得到着陆器和月球基地的信号的网络编码信号，比如异或，然后将其广播至月球基地和着陆器。月球基地和着陆器根据得到的网络编码信号和自身发送的信号解出对方发送的信号。

通过采用物理层网络编码的方式，将大大提升系统的传输性能。首先，传输时隙成倍减少，将成倍提升系统传输效率；其次，由于中继下行仅需要一次广播，而之前的中继需要分别传输信息至各目标，从而使得月球中继的能耗减半；最后，由于混合信息的存在带来时变密钥的效果，外来的偷听者无法获得真实传输的信息，从而大大增强了通信的安全性。

该方法在后续的深空探测任务中，比如火星探测任务、小行星探测任务，星体表面航天员或探测器需要借助中继互通信息的情况下均适用。随着未来月球和火星导航通信网络的建立，双向中继的通信场景将会更加普遍的存在，物理层网络编码在深空通信中将有着广阔的应用前景。

3.2 物理层网络编码的工程实现

目前物理层网络编码的研究大多基于理论分析与仿真验证，对于物理层网络编码的实现研究还比较匮乏。香港中文大学的Lu Lu等人首次在频域上实现了异步PNC的原型机。该原型机借助通用软件无线电平台USRP，配合GNU Radio软件无线电工具，利用OFDM技术使子载波码元变长，在中继节点处理符号载波同步，信道估计，最终实现频域物理层网络编码的双向中继实际通信系统^[7-8]。但是该系统对实验环境的要求很高，仅限于实验室的研究。

若将物理层网络编码应用于深空通信，还需要考虑一系列问题：

(1)深空通信具有长延时、弱信号、易中断等特点。需要研究适应于深空通信特点的物理层网络编码技术。

(2)物理层网络编码对同步要求较高，如果不采用一定的同步机制来保证两航天器所发送的信号在中继处尽可能叠加，则物理层网络编码的优势将很难体现。但要保证完全同步是很难实现的，并且具有很大的代价。因此，需要研究在非完全同步下，物理层网络编码的实现方案^[9]。

(3)物理层网络编码机制的实现涉及到通信理论、信号检测与处理等多学科融合，打破了传统的信号处理方式，需要对原有的协议做出一系列的改进。

4 总结

随着深空探测的不断发展，网络化是深空通信的发展趋势。深空通信难题，如亟需提高深空数据传输能力等问题，可以考虑利用网络技术来解决。当前，网络领域的研究热点——物理层网络编码通过使收发双方使用相同的频带同时进行通信，成倍地提高了系统的频带利用率，并且减少系统传输时隙，在深空通信中拥有广阔的应用前景。然而，目前物理层网络编码的研究大多基于理论分析与仿真验证，其在深空通信中的工程实现还需要攻克一系列技术难题。

参考文献

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