基于5G極化碼的無人機通信系統設計

周杰 袁春梅 劉思念

摘? ?要：隨著科技的進步，5G（5th-generation）時代的到來，無人機、自動駕駛等成了熱門。文章從實際應用的角度出發，結合最新的5G極化碼技術研究出一套低時延安全的無人機通信系統。

關鍵詞：5G;極化碼;無人機通信;安全

1? ? 研究現狀

無人機主要包括兩方面，無人機機體和無人機通信系統。無人機通信系統包含數據通信和控制通信。目前國內著名的無人機生產商大疆所推出的無人機通信系統主要采用WiFi、藍牙、蜂窩網絡等無線收發模塊來實現通信。這些無人機通信系統傳輸距離短，傳輸帶寬窄，時延高，安全性能差。隨著無人機應用于越來越多領域，如軍事、運輸、偵查等。迫切需要開發出一套時延低、傳輸速度快、安全可靠的無人機通信系統。

2? ? 空中通信信道分析

根據地空空地信道特性分析，無人機與地面之間的通信存在多徑傳播，考慮到無人機相對于地面之間是快速移動的[1]，信號在移動中傳播受到衰落和白噪聲干擾，通信系統可用公式1表示為：

其中n（t）是高斯白噪聲，h（t，τ）表示信道對信號的作用，用于描述信道的衰落特征，移動信道中衰落可分為大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度的衰落表征了接收信號在一定時間內的均值隨傳播距離和環境的變化呈現的緩慢變化。小尺度的衰落表征了接收信號短距離或短時間內的快速波動，是移動通信的主要特征[2]。

3? ? 極化碼

信道極化基于信道組合和分離過程，信道組合過程為：通過對n個信道進行有規律的組合，得到一個新的信道的過程，而信道分離則是將新的信道進行分離，分離成n個相互之間具有一定關系的信道。當有足夠多的信道經歷這兩個過程后，這些信道會出現兩極分化的現象，即一部分信道的信道容量趨于1，而另一部分信道的信道容量趨于0。信道容量趨于1的信道被稱為無噪信道，信道容量趨于0的信道被稱為全噪信道。極化碼基于信道極化現象，選擇無噪信道傳輸信息數據，而剩下的信道傳輸固定比特，以此來提高信息數據的傳輸可靠性[3]。極化現象如圖1所示。

3.1? 極化碼編碼

極化碼的編碼思想是利用信道的極化現象，盡量選擇信道容量大的信道進行信息傳輸，Arikan教授選擇陪集碼進行極化碼編碼。編碼規則如公式2所示：

3.2? 譯碼

本設計采用的是串行消去SC（successive cancellation）解碼方法，解碼原理是：（1）如圖3所示，把下半部分（x3，x4）看成噪聲，計算出t1和t2。（2）把下半部分（t2）看成噪聲，去解出u1。

以此類推，這樣就會使得每一個節點的信息可以通過另外兩個點計算出來，降低了算法的復雜度，提高了解碼的算法效率。

4? ? 系統設計

相比于地面通信，無人機通信有兩個特點，一個是無人機運動速度快，隨著無人機的不斷運動，通信信道會不斷地改變。同時信道容量也會隨之改變，當信道容量大時我們希望能夠盡可能地提高傳輸的碼率，當信道容量小時，我們希望能夠降低傳輸的碼率。這種碼率的自適應在無人機通信系統中相當的重要。為了解決碼率自適應的問題引入新技術。混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），當前一次嘗試傳輸失敗時，就要求重傳數據分組，這樣的傳輸機制就稱之為自動請求重傳（Automatic Repeat reQuest，ARQ）。在無線傳輸環境下，信道噪聲和由于移動性帶來的衰落以及其他用戶帶來的干擾使得信道傳輸質量很差，所以應該對數據分組加以保護來抑制各種干擾[4]。

5? ? 總體框架

根據無人機通信系統的需求設計的方案如圖4所示。

本設計主要分為3個部分：地面發送端，空中傳輸信道和無人機接收端。發射端主要包括信源極化編碼，刪余控制以及加密運算。信源信息首先利用極化碼的編碼矩陣進行極化編碼，根據控制速率的需要進行適當的刪余操作，將編碼后的信號與隨機序列生成器生成的隨機序列進行加密運算，最后通過發射端發射出去[5]。

接收端接收到信號后首先利用獲得的隨機序列，對信號進行解密，將解密后的信號序列進行SC譯碼獲得相應的信息，同時接收端要將信道質量信息CQI發送回發送端。

6? ? 仿真

利用Matlab進行仿真，在碼長為128，碼率為1/2時利用SC解碼，結果如圖5所示。

7? ? 結語

從仿真圖中可知本實驗5G極化碼方案具有比4GTurbo更低的誤碼率。本設計利用極化碼設計出的一套低時延、傳輸速率快、安全可靠的無人機通信系統。為無人機未來的通信方式提供了可靠的解決方案。

[參考文獻]

[1]王繼偉，王學東，李斌，等.極化碼在信道下性質研究[J].通信技術，2012（45）：33-35.

[2]H Mahdavifar，A Vardy.Achieving the secrecy capacity of wiretap channels using polar codes[J].IEEE Transactions on Information Theory，2011（10）：6428–6443.

[3]陸婷婷.極化碼的編解碼研究及仿真[D].南京：南京理工大學，2013.

[4]王錚勐，饒浩，梁顯鋒.一種低成本高可靠無人機機載數據通信系統設計[J].電訊技術，2018（8）：970-975.

[5]夏永平，陳自力，林旭斌.無人機數據鏈發展現狀及關鍵技術研究[J].飛航導彈，2016（11）：50-53.

Abstract：With the advancement of technology， the arrival of the 5G era， drones and automatic driving have become popular. In this paper， from the perspective of practical application， combined with the latest 5G polarization code technology， a set of low-latency safety UAV communication system is developed.

Key words：5G; polarization code; UAV communication; security