0 引言

    隨著空間科學技術的發(fā)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(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。在可以預見的未來，空間領域將逐步形成由地基通信、近地衛(wèi)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(fā)展，深空通信數(shù)據傳輸業(yè)務將會大幅度增長，且會存在大量數(shù)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(shù)據傳輸效率，考慮將物理層網絡編碼系統(tǒng)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(shù)據傳輸效率。

    物理層網絡編碼系統(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，將物理層網絡編碼的系統(tǒng)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(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(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(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途徑是以點對點鏈路、增加收發(fā)天線口徑及發(fā)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(tǒng)的數(shù)據傳輸協(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(fā)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(xù)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?shù)拈L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(lián)網，以減小信息傳輸?shù)木嚯x。美國從上個世紀九十年代就開始行星際互聯(lián)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(lián)網（IPN：Inter Planetary Internet），NASA的JPL實驗室開發(fā)的用來支持星際互聯(lián)網通信的仿真系統(tǒng)(MACHETE: Multi-mission Advance Communications Hybrid Environment for Test and Evaluation）。

1.2 國內情況

    與美國等發(fā)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(xù)測控覆蓋的深空測控網；實現(xiàn)下行天線組陣技術，正在研發(fā)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(fā)展；調制方式從BPSK/PM向GMSK調制發(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(xù)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(fā)展。

    隨著探測目標的距離以及對數(shù)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(jié)點的通信網絡，節(jié)點A和節(jié)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(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A和節(jié)點B是地面上相距很遠的基站，中繼節(jié)點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)存儲轉發(fā)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(tǒng)的存儲轉發(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(jié)點R必須在不同的時隙接收A與B發(fā)送的數(shù)據包，然后對收到的兩個數(shù)據包進行編碼如S_AS_B，再廣播出去。源節(jié)點A和B根據收到的編碼數(shù)據包與自身的數(shù)據包進行異或運算，從而得到對方的數(shù)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(tǒng)存儲轉發(fā)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(jié)點A與B的數(shù)據包，將數(shù)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(jié)點A和節(jié)點B同時分別向節(jié)點R傳輸信號S_A和S_B，中繼R收到疊加的信號S_A+S_B；在第二個時隙，節(jié)點R對疊加的信號進行網絡編碼，如S_AS_B得到信號S_R，并廣播信號S_R，源節(jié)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(tǒng)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(yōu)勢

    采用物理層網絡編碼主要有以下4點優(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(jié)點收到的是兩個用戶節(jié)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(tǒng)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(xù)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(fā)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(jié)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(fā)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(shù)據傳輸?shù)男剩梢詤⒖嘉锢韺泳W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?shù)臅r隙，從而提高數(shù)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(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盡可能多地交互數(shù)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(fā)，則系統(tǒng)需要收發(fā)4次；如果進行物理層網絡編碼，則系統(tǒng)只須工作2次?；舅枷霝椋旱谝粋€時隙內，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，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(fā)送的信號解出對方發(fā)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(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，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?shù)男畔ⅲ瑥亩蟠笤鰪娏送ㄐ诺陌踩浴?/p>

    該方法在后續(xù)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(xiàn)

    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(xiàn)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(xiàn)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(jié)點處理符號載波同步，信道估計，最終實現(xiàn)頻域物理層網絡編碼的雙向中繼實際通信系統(tǒng)^[7-8]。但是該系統(tǒng)對實驗環(huán)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(fā)送的信號在中繼處盡可能疊加，則物理層網絡編碼的優(yōu)勢將很難體現(xiàn)。但要保證完全同步是很難實現(xiàn)的，并且具有很大的代價。因此，需要研究在非完全同步下，物理層網絡編碼的實現(xiàn)方案^[9]。

    (3)物理層網絡編碼機制的實現(xiàn)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(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。

4 總結

    隨著深空探測的不斷發(fā)展，網絡化是深空通信的發(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(fā)雙方使用相同的頻帶同時進行通信，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(xiàn)還需要攻克一系列技術難題。

參考文獻

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