網絡編碼在無人機通信網絡中的應用研究

薛睿，韓璐

哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

在現代化戰爭任務比較復雜的情況下，單架無人機逐漸開始無法滿足信息遠距離、任務繁重等需求[1]，因此集群通信開始廣泛應用。集群通信的有效性與可靠性需要依靠多無人機間的協作方式支持[2?3]。在實際通信系統當中，多架無人機協作時往往存在多個源節點以及中繼節點，共同合作完成數據傳輸，而這與網絡編碼的結構具有很大的相似性；因此考慮將網絡編碼引入到無人機集群通信中。網絡編碼即允許網絡的中間節點參與編譯碼[4]，其基本思想是通過中繼節點對收到的數據進行編碼，利用其計算能力來優化網絡結構、提高網絡吞吐量、魯棒性以及提升傳輸安全等[5?6]。這種方法并不復雜，卻能夠帶來很多優勢。目前，無人機通信與網絡編碼結合時多采用的是隨機線性網絡編碼或物理層網絡編碼，線性網絡編碼能在一定程度上提高吞吐量[7]，但在無人機結構復雜的情況下優勢并不明顯；物理層網絡編碼要求信息完全同步，這一點是很難實現的。因此該編碼方式的應用價值并不高，然而復數域網絡編碼能夠解決這2個問題[8]。

傳統的網絡編碼拓撲結構要求各信源與中繼、目標節點之間均存在直連通路。但是在實際戰場環境中，由于無人機具有高速移動性，大多情況下信源無人機與中繼無人機以及目標無人機之間可能存在山丘、建筑物等障礙物，阻擋無人機間的信息傳遞，因此不可能存在上述全聯通線路。由于現有結構的不適用性，提出了適用于實際場景的部分聯通結構。本文根據實際情況劃分為視距、非視距兩種場景，并提出2種相對應的部分聯通網絡結構；將復數域網絡編碼引入到所提出的結構，設計出相應的的信號傳遞流程；推導異或網絡編碼、實數域網絡編碼、復數域網絡編碼等方式的吞吐量性能，仿真部分聯通結構中的節點變化對其誤符號率性能影響；最后結合無人機數據鏈中的具體信號格式仿真[9]，進行對比分析。

1 網絡結構設計

目前，集群通信是無人機應用的主要方式。根據信源無人機與地面指揮中心之間是否存在直連通路，可分為視距場景和非視距場景2種典型場景。視距場景即信源與目標節點之間存在直連通路，可以直接進行信息傳遞；非視距場景指的是信源與目標節點之間存在障礙物，無法直接進行信息交流，必須依靠中繼無人機進行轉發的情況[10]。

由于協作通信中存在很多離散的點，這與網絡編碼非常相似。傳統的網絡編碼結構如圖1所示[11]。若將該結構中各節點看作是無人機，該圖中所有的信源與每一個中繼以及目標節點間均存在直連通路，可以進行信息傳遞。

圖1 網絡編碼結構

這種情況比較理想化，在實際應用中，由于無人機的高速移動特性，無法保證各信源與中繼以及目標節點都處于視距范圍內，這也就意味著在多數情況下，各無人機之間是無法直接進行通信的。那么在移動過程中，原有的結構以及傳遞方案并不適用。本文提出一種可應用于實際場景的優化方案，由于障礙物的阻隔，導致部分鏈路無法接通，視距場景下的實際傳遞路線如圖2所示。

圖2 視距場景下的部分聯通結構

圖2中的結構適用于視距場景下，即存在部分信源與目標節點間有直連通路，可以直接進行信息傳遞。在第一時隙中，信源向目標節點與其視距范圍內的中繼傳遞信息；中繼解調后，在第二時隙將解調后的信息傳給目標節點。在非視距情況下，所有信源與目標節點之間均不存在直連通路，不能直接傳遞信息，必須依靠中繼來進行轉發。在第一時隙中，各信源向其視距范圍內的中繼無人機傳遞信息；中繼進行解調后，在第二時隙將解調后的信息傳給目標節點，其結構如圖3所示。

圖3 非視距場景下的部分聯通結構

2 傳輸方案研究

傳統的中繼方式進行信息傳遞時，各信源需要分時隙傳遞信息，中繼也需要分別進行轉發，這樣會額外占用很多時間，從而導致信息的時效性不強[12]。因此，網絡編碼逐漸開始應用到無線中繼網絡中。

2.1 網絡編碼分類

從目前已有文獻來看，網絡編碼有幾種主要類型，分別是異或網絡編碼、實數域網絡編碼和復數域網絡編碼等。若要將網絡編碼與無人機協作通信相結合，必須要考慮無人機的效率問題。由于信源傳遞的信息量過大，因此評估前面提出的2種結構的吞吐量，具體分析如下。

一般情況下的網絡編碼應用于實數域，實現的是比特級操作。這種編碼方式可以在一定程度上提高吞吐量，但是隨著信源、中繼數量的增加，這種優勢會逐漸減小。具體而言，如圖1結構所示：對于具有Ns個源、Nr個中繼和一個共同目標的協作網絡（用 Ns?Nr?1 表示該設置），為了防止干擾，傳統中繼方案的Ns個源按時分多址方式發送，中繼無人機接收所有信源的消息需要Ns個時隙；隨后各中繼無人機再分別向D轉發所接收的消息，每中繼轉發需要Ns個時隙。這樣傳遞Ns則消息需要占用Ns(Nr+1)個時隙，吞吐量為1/(Ns(Nr+1)) (符號/信源/時隙，symbol/Source/Time Slot，sym/S/TS)。

實數域網絡編碼在信源傳遞時并無不同，分別傳遞Ns個信源無人機消息后，Nr個中繼每次可同時傳遞所收消息，每中繼轉發只需要一個時隙。這樣傳遞Ns則消息需要占用Ns+Nr個時隙，吞吐量為 1/(Ns+Nr) sym/S/TS。

若采用復數域網絡編碼，信源無人機和中繼無人機均可以同時發送消息，只占用2個時隙，吞吐量增加到 1/2 sym/S/TS。

實數域網絡編碼的吞吐量較傳統編碼而言，具有一定的性能優勢，但這種優勢隨著信源、中繼數量的增加，逐漸減小；但復數域網絡編碼沒有這種弊端，其獨特的編碼方式，將吞吐量增加到1/2 sym/S/TS，系統的有效性大大提升。

同時，對比實數域與復數域2種網絡編碼方式的信號處理過程可知：實數域網絡編碼采用的是異或運算，這種運算導致接收端收到的消息與信源發送的消息并不滿足一一映射；但復數域網絡編碼可以解決這個問題。

2.2 信號傳遞過程

根據2.1節理論分析可以得出，復數域網絡編碼具有很大的吞吐量優勢，因此在本文提出的結構中，采用復數域網絡編碼來進行信息回傳。在編碼的過程中，存在一個貫穿始終的參數，而復數域網絡編碼方案的關鍵在于的設計。

圖4 信號傳遞過程

3 網絡結構性能分析

以上2種場景下的部分聯通模型與全聯通模型的有效性相同，本節將針對傳統的網絡編碼結構與改進后的2種結構，在視距與非視距2種場景下分別進行了大量的仿真，并進行可靠性分析。基于MATLAB軟件仿真了數據長度n=600 bit時，信源數量Ns與中繼數量Nr的變化對誤符號率（symbol error probability，SEP）的影響。

在視距模式下，所有的信源、中繼與地面指揮中心之間均存在直連通路，可直接進行信息傳遞。根據部分聯通結構分別仿真了固定中繼數量改變信源個數與固定信源數量改變中繼個數的2種情況，其有效性在第2章已經進行了討論，分析結果如2.1節所示，其可靠性的具體仿真結果如圖5、6所示。

圖5 視距模式 Ns?1?1 結構中信源數量對 SEP 的影響

視距模式下，根據圖5可知，在中繼無人機數量固定時，同時傳遞的信息數量越多，信息間的干擾也就越大，目標接收的可靠性也就隨之降低；根據圖6可知，在源節點傳遞的消息數量固定時，中繼無人機數量越多，分集增益越大，信息接收的可靠性也就越高。

圖6 視距模式 2?Nr?1 結構中中繼數量對 SEP 的影響

換言之，在信息量固定時，隨著中繼數量的增加，可靠性逐漸下降；在中繼數量固定時，隨著信息量的增加，可靠性逐漸下降；其吞吐量均為1/2 sym/S/TS。

在非視距模式下，由于建筑物、山丘等障礙物的存在，導致信源與地面指揮中心之間不存在直連通路，無法直接進行信息傳遞。此時，信息的回傳完全依靠中繼無人機的轉發來完成。根據圖3所示結構分別仿真固定中繼數量改變信源個數與固定信源數量改變中繼個數的2種情況，其有效性分析見第2章；其可靠性具體仿真結果如圖7、8所示。

圖7 非視距模式 Ns?2?1 結構中信源數量對 SEP 影響

圖8 非視距模式 2?Nr?1 結構中中繼數量對 SEP 影響

根據仿真結果可知，在非視距模式下，其傳遞規律與視距模式相同。根據圖7，在中繼無人機數量固定時，同時傳遞的信息數量越多，信息間的干擾也就越大，目標接收的可靠性也就隨之降低；根據圖8，在回傳信息數量固定時，中繼無人機數量越多，分集增益越大，信息接收的可靠性就越高。

4 復數域網絡碼與信道編碼聯合

根據以上分析可以得出，復數域網絡編碼具有很高的可靠性與吞吐量性能，將其與無人機特有的數據鏈“RA+BPSK”相結合，進行聯合編碼調制后仿真，其結果與具體分析如下。

將無人機分布位置視為網絡編碼結構中各節點，然后對所傳信息進行編碼，結合無人機特有的編碼調制方式進行信息傳遞，這樣可以減少部分時隙，增加消息的實時性。在實際場景模擬下，將網絡編碼與無人機編碼調制（以RA碼+BPSK調制為例）結合后，仿真結果如圖9、10所示。

圖9 視距模式下 RA+CFNC 性能仿真對比

圖10 非視距模式下 RA+CFNC 性能仿真對比

通過對比可知，原有視距與非視距結構均在信噪比達到近30 dB時，才將誤符號率降到10?5；在加入無人機編碼調制之后，根據實際場景改進的結構在6~8 dB時就可以將誤符號率降低到10?5。根據實際情況所設計的結構與原有網絡編碼結構相比，也有一定的性能提升。因此將本文所提出的結構，結合網絡編碼與RA碼聯合編碼的傳遞方式，應用到無人機協作通信當中后，在信噪比為6~8 dB時，誤符號率有3~4倍的增益。與此同時，與未加入網絡編碼的拓撲結構相比較，將吞吐量從 1/(Ns(Nr+1)) sym/S/TS，提升到 1/2 sym/S/TS，故本方案在吞吐量以及誤符號率方面均優于傳統結構。

5 結論

無人機集群將成為未來無人機發展的主要趨勢，無人機間的交互信息量也將大幅度增長，引入CFNC可有效提升無人機網絡的數據吞吐量。

1）針對無人機工作時視距與非視距2種典型場景，提出2種適用于無人機網絡的部分連通拓撲結構；

2）基于所提無人機網絡拓撲結構，推導基于CFNC的信息傳遞方案；

3）比較分析了異或網絡編碼、實數域網絡編碼以及復數域網絡編碼在所提無人機拓撲結構中的吞吐量性能，理論分析結果表明復數域網絡編碼的吞吐量可以達到1/2 sym/S/TS；

4）探討了CFNC結合無人機數據鏈“RA+BPSK”信號體制的可靠性，MATLAB軟件的仿真結果表明：CFNC中繼方式可以充分獲得空間分集增益，與全聯通結構相比，在所提結構中相同參數的RA+BPSK+CFNC信號可以取得更優的誤符號率性能。

綜上，復數域網絡編碼在提升無人機網絡的數據吞吐量與可靠性方面具有重要應用價值。