1、无 人 机DOI: 1016338/j issn1009-131920151006基金项目 : 装备预研基金重点项目 ( 编号 : 9140A25031113JB34074)本文 2015-06-03 收到 ， 袁全盛 、胡永江分别系军械工程学院硕士生 、讲师无人机中继通信的关键技术与发展趋势袁全盛 胡永江 王长龙摘 要 在未来战场 ， 无人机将成为主要装备之一 。针对无人机中继通信对于实时性 、有效性 、安全性等方面的要求 ， 基于建立的无人机中继通信模型 ， 研究无人机中继通信中的物理层网络编码技术以及自适应调制技术 ， 并在此基础上展望了无人机中继通信技术的发展趋势 。关键词 无人机 中
2、继通信 物理层网络编码自适应调制引 言无人机作为一种信息战的主要装备 ， 在通信 、搜索 、侦察 、监测以及实时打击等方面有着越来越多的应用 ， 在未来战场中将扮演重要的角色 1-3。在实际环境中 ， 无人机之间 、无人机与地面站之间通常不存在直达路径 ( LOS) ， 需要借助高空中继平台进行中继通信 。目前的中继平台主要有两种 : 卫星中继和无人机中继 。随着科技的发展 ， 无人机在飞行高度 、续航时间等方面有很大的提高 。与卫星相比 ， 无人机具有灵活机动 、成本低 、维修方便等特点 。在无人机组网通信中 ， 无人机作为中继进行战场通信与卫星作为中继相比 ， 具有很大的优势 。本文系统阐
3、述了无人机中继通信中的关键技术 ， 展望了无人机中继通信技术的发展趋势 。1 无人机中继通信模型的建立在无人机中继通信中 ， 任务无人机和中继无人机之间的信道以及中继无人机和地面控制终端之间的信道存在明显差异 4。无人机之间的数据链路分为上行链路和下行链路 。上行链路即遥控链路 ，主要负责将地面控制站的指令信息传递给无人机 ;下行链路即遥测链路 ， 主要负责将无人机上的遥测信息传递给地面控制站 ， 通常下行链路的信息传输速率高于上行链路的信息传输速率 。基于无人机中继通信的实际应用环境以及双向中继信道模型 ( TWC) 5， 可将地面终端 -中继无人机 -任务无人机构成的无线中继链路建立为非对
4、称双向中继信道模型 。如图 1 所示 ， 节点 A 为地面终端 ， 节点 为中继无人机 ， 节点 B 为任务无人机 。节点 A 通过节点 向节点 B 发送指令信息 ，节点 B 通过节点 向节点 A 发送遥测信息 ， 节点 A和节点 B 之间没有直接链路 。图 1 无人机中继通信模型2 物理层网络编码技术如下页表所示 ， 目前的信息传输模式主要分为三种 : 传统传输模式 、网络编码传输模式以及物理层网络编码传输模式 6。传统传输模式认为中继节点只对信息存储和转发 ， 并不对信息进行处理 。Ahlswede 于 2000 年提出网络编码 ( NC) 的概念 7，62 飞航导弹 2015 年第 10
5、 期无 人 机其主要思想即中继节点对源节点发送来的信息进行编码映射等操作后再进行转发 。网络编码打破了传统通信网络中对中继节点的定义 ， 使得组播传输达到最大流最小割定理所确定的最大理论传输容量 8。网络编码最初被应用于有线网络中 ， 可以极大地提高通信系统的吞吐量 ， 提高通信传输的有效性 。基于充分利用无线通信中叠加电磁波的目的 ，Zhang 于 2006 年提出物理层网络编码 ( PNC) 9， 中继节点将源节点同时发送的叠加和信号映射为伽罗华域 ( GF( 2) ) 的数据比特流 ， 把干扰变成了编码操作的一部分 。物理层网络编码与传统传输模式相比 ， 信息交换时隙减少一半 ， 网络吞
6、吐量提高一倍 。随着电子战和网络战的发展 ， 无人机中继通信对于数据传输的实时性和有效性提出更高的要求 ，为了解决这一难题 ， 可以将物理层网络编码技术应用到无人机中继通信中 ， 从而大大提高通信系统的吞吐量 。三种传输模式的对比信息传输模式 通信时隙 传输速率传统传输模式 4 1网络编码传输模式 3 4/3物理层网络编码传输模式 2 2当前对物理层网络编码的研究主要集中在以下几方面 : 物理层网络编码和信道编码技术的联合设计 ， 物理层网络编码和调制技术的联合设计 ， 物理层网络编码和分集技术的联合设计 。21 物理层网络编码和信道编码技术的联合设计物理层网络编码和信道编码技术的联合设计主要
7、是指通过物理层网络编码技术和各种纠错编码技术以及编码调制技术的结合 ， 以达到降低无人机中继通信系统误码率 ， 提高频谱利用率的目的 。为提高无人机中继通信的误码性能 ， 研究物理层网络编码和信道编码技术的联合设计十分有必要 。如图 2 所示 ， 在物理层网络编码和重复累计( A) 码的联合设计方案中 10， 两个源节点分别对信源信息进行 A 码编码 、交织 、映射 ， 形成源节点信号 ， 同时向中继节点发射 ; 中继节点接收到叠加和信号 ， 对信号进行解映射 、解交织 、A 码解码后 ， 形成广播信号 ， 并将广播信号发送到源节点 ， 通过与源节点自身信息的异或操作得到对方源节点的信号 ，完
8、成信息传输 。物理层网络编码和纠错编码技术的联合设计还包括物理层网络编码与卷积码 、低密度奇偶校验码 、Turbo 码等的结合 ， 这些方案能够显著提升通信系统的误码性能 。此外 ， 将物理层网络编码和编码调制技术联合设计 ， 可以增大码字序列之间的距离 ， 从而使得误码率更低 ， 设计更灵活 。图 2 物理层网络编码和 A 码的联合设计22 物理层网络编码和调制技术的联合设计在无人机中继通信系统中 ， 地面控制站和任务无人机的信号到达中继无人机的频率 、时间以及相位可能不同步 ， 因此 ， 选择合适的调制 -解调方法对于无人机中继通信系统中物理层网络编码技术的应用十分重要 。物理层网络编码的
9、概念提出时 ， 主要是与MPSK 调制技术相结合 ， 如 QPSK、BPSK 11。但是物理层网络编码采用 MPSK 调制方式时 ， 中继映射叠加和信号将比映射原始 MPSK 信号耗费多一倍的能量 。物理层网络编码采用 QAM 调制方式时 ， 可以将叠加和信号映射到数字信号在数字域的操作 ，获得分集增益 。在无人机中继通信系统中 ， MPSK、QAM 等调制方式的接收机采用相关接收 ， 对相位 、频率等参数有较高的要求 ， 而采用非相干接收可以降低这些要求 ， 减小通信系统的复杂度 。FSK 调制模式虽然在误码性能方面略有劣势 ， 但是因为采用非相干接收模式 ， 对同步要求更低 ， 更有利于物
10、理层网络编码技术在无人机中继通信系统的实用化 。72飞航导弹 2015 年第 10 期无 人 机图 3 物理层网络编码和 MIMO 技术的联合设计23 物理层网络编码和分集技术的联合设计在无人机中继通信系统中 ， 电磁波的传输会受到天气 、地形 、地物等外界因素的影响 ， 同时无人机之间信号传输会引起相位差和振幅差 ， 这些因素都会造成无人机中继通信的多径效应 ， 严重影响信号的传输质量 。为了减弱通信系统的多径效应 ， 目前无人机数据链中主要采用分集接收技术 。将物理层网络编码和分集技术联合设计 ， 应用到无人机中继通信系统中 ， 不仅能够抑制多径效应 ， 还能够提高通信系统的吞吐量 。多输
11、入多输出 ( MIMO) 技术是一种主要的克服多径的分集技术 。物理层网络编码和 MIMO 技术的联合设计模型如图 3 所示 。编码器在每一次编码操作中取 2 个调制符号的一个分组 ， 并根据图中给出的编码矩阵将它们映射到发射天线 Tx1 和 Tx2， 中继节点 接收到节点 A 和节点 B 发送的信息后 ，进行最大似然解码 ， 得到信息 ( x11， x12) 和 ( x21，x22) ， 然后进行物理层网络编码 ， 即有 : x1= x11x21， x2= x12x22， 将网络编码后的数据进行 STBC编码后广播给节点 A 和节点 B。节点 A 和节点 B分别进行 STBC 编码 ， 得估
12、计值 ， 然后分别与本地码字进行异或操作 ， 即可得到对方节点信息 ， 实现中继通信 。3 自适应调制技术自适应调制技术的基本原理是 : 在不牺牲误比特性能的前提下 ， 根据无线通信环境和 QoS 要求 ，基于信道估计和预测的结果 ， 动态调整节点的发射功率 、波特率 、星座图的大小 、调制阶数的技术 12。在无线信道条件较好时 ， 节点采用较高阶数的调制方式或者采用较高的发送功率 ， 使得节点获得较高的传输速率或者吞吐量 ; 当无线信道条件较差时 ， 采用较低阶数的调制方式或者较低的发送功率 ， 使得节点获得较低的传输速率或者吞吐量 ，从而提高整个通信系统的吞吐量和频谱效率 。在物理层网络编
13、码和调制技术的联合设计中 ， 需要根据无人机数据链的具体情况改变调制模式以及发送功率 ， 而自适应调制技术可以解决这一难题 ， 使无人机能够适应多变复杂的战场环境 ， 满足实际战场对于无人机中继通信的要求 。图 4 自适应调制框图无人机中继通信自适应调制系统的基本原理是 13， 节点处的发射机根据当前信道环境的反馈信息 ， 选定最优的调制方式 ， 其系统框图如图 4 所示 。接收节点在接收到信号后 ， 根据信号对信道状况进行估计 ， 并将信道估计信息反馈给发送节点 ，82 飞航导弹 2015 年第 10 期无 人 机发送节点接收到反馈信息后 ， 通过自适应算法确定发送节点的编码速率 、编码结构
14、 、调制模式 、星座图样式 、信号发送功率等参数 ， 实现无人机中继通信的可靠传输 。4 无人机中继通信的发展前景随着科学技术的发展 ， 无人机无论是在军用方面还是民用方面都有着越来越多的应用 ， 尤其在军用方面 ， 无人机已经成为各军事强国武器装备发展的重点 。无人机中继通信作为无人机的重要技术之一 ， 在未来将有以下三方面的发展特点 。1) 多中继通信 ， 实现战场网络化在实际战场中 ， 无人机常常作为编队执行任务或者与其它装备联合执行任务 。同时 ， 战场环境瞬息万变 ， 中继无人机有可能变为任务无人机 ， 任务无人机也有可能变为中继无人机 。因此 ， 无人机中继通信需要在单中继的基础上
15、向多中继扩展 ， 实现战场组网通信 。无人机多中继通信技术涉及到通信网络中的节点何时参与协作 、与哪个节点进行协作 、带宽功率等资源的分配问题 ， 有待进一步研究 。2) 模式通用 ， 增强战场兼容性在实战环境中进行战场组网 ， 实现无人机中继通信 ， 无人机需要和不同型号无人机甚至其它装备进行连接 ， 要求考虑其它装备平台的数据链 。各个装备的调制方案和传输速率可能各不相同 ， 导致无人机中继通信网络中各个节点传输效率降低 ， 甚至无法通信 。为增强无人机中继通信的兼容性 ， 未来无人机需要加强自适应通信的研究 ， 使得通信系统的兼容性增强 ， 适应实际战场要求 。3) 传输可靠 ， 提高战
16、场安全性作为军事应用 ， 战场上的无人机不仅需要减弱大气环境中的自然衰落和噪声 ， 还需要对抗敌方的电磁干扰 ， 因此对无人机中继通信技术的抗干扰能力提出了更高的要求 。为提高无人机中继通信中信息传输的安全性 ， 还需要增强通信系统的误码性能 ， 同时通过抗干扰技术加强战场通信的抗干扰能力 。5 结束语无人机作为当前军事装备发展的重要方面 ， 融入未来战场的通信网络是必然趋势 。无人机作为中继实现战场中继通信具有很大的优势 ， 研究无人机中继通信中的关键技术 ， 提升无人机中继通信的有效性 、实时性 、安全性 ， 对于战场通信能力的提升具有重要意义 。参考文献 1 高凯 ， 张翼麟 ， 王一琳
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