无人机中继通信的关键技术与发展趋势

DOI ：10．16338/j．issn．1009-1319．2015．10．06

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（TWＲC ）［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称双向中继信道模型。如图1所示，节点A 为地面终端，节点Ｒ为中继无人机，节点B 为任务无人机。节点A 通过节点Ｒ向节点B 发送指令信息，节点B 通过节点Ｒ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］，

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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41

网络编码传输模式34/3物理层网络编码传输模式22

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。

2．1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（ＲA）码的联合设计方案中［10］，两个源节点分别对信源信息进行ＲA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、ＲA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ＲA码的联合设计

2．2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，更有利于物理层网络编码技术在无人机中继通信系统的实用化。

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