董光亮，崔健雄，李海涛，冯贵年
(北京跟踪与通信技术研究所，北京)
摘要：深空探测任务持续扩展，这对深空通信数据传输效率提出了更高要求。物理层网络编码是一种新型的频率复用传输技术，它能够提升网络吞吐量，增强网络的数据传输能力，在未来载人登月以及火星探测等深空探测任务里有着广阔的应用前景。介绍了国内和国外深空通信的发展状况，阐述了物理层网络编码的基本原理以及其优势，展望了物理层网络编码在未来深空探测中的应用前景以及在实际工程应用中尚需解决的技术难题。
中图分类号：TN919；TP393
文献标识码：A
中文引用格式：按照这样的方式来写，董光亮，还有崔健雄，以及李海涛，等等这些人. 他们关乎物理层网络编码在深空通信里的应用展望内容. 并且还涉及电子技术应用方面，在2016年的时候，处于42卷的第5期，其相关内容有21页到23页，另外还有31页。
英文引用格式：Dong，Cui，Li等人。有关深空里的层的一个研究。发表于《的期刊》，2016年，42卷（第5期）：21至23页，31页。
0 引言
跟随着空间科学技术不断发展，空间探测任务正从靠近地球进行勘察朝着深空探测转变，月球探测、火星探测已然成为国际上当下热门的空间活动。当下，我国正在积极着手开展深空探测以及载人登月的规划论证工作，打算开展火星探测、小行星探测还有载人月球探测等各类深空探测活动。在能够预见的未来，空间领域将会逐步形成由地基通信、近地卫星、月球中继、月球接入网、火星中继、火星接入网等所构成的深空网络。
随着深空探测持续发展，深空通信数据传输业务会急剧大幅增长，并且会有大量数据交互需求。另外，由于深空探测器造价高昂，致使深空信道的带宽资源格外重要。为了全面充分利用有限的带宽资源，提升提高深空数据传输效率，思量考虑将物理层网络编码系统模型引入到深空网络里。物理层网络编码，是一种新型的频率复用技术，它能够跟不同多址技术结合运用，可以让两个不一样的航天器，同时运用相同的时隙、频率以及扩频码，彼此进行通信，进而成倍地提高了网络吞吐量，提升了数据传输效率。
物理层网络编码系统具备的高吞吐量优势，是极具吸引力的，其在深空通信里，急切地需要提高系统的传输效率，所以，把物理层网络编码的系统模型导入深空通信网络，是相当具有前景以及研究价值的。
1 国内外深空通信的发展情况
1.1 国外情况
起始于1958年的美国月球探测计划直至如今，已对太阳系内的全部行星进行了探测，2015年7月14日，美国宇航局的“新视野”号探测器经历近乎10年飞行，行程估计约50亿千米，成功飞掠冥王星，成为人类深空探测历史上又一个里程碑，随着深空探测范围得以扩大，所带来的最直接影响是传输损耗以及传输时延大大的增加。比如，火星跟地球的最远的距离是40130万公里，海王星到地球最远的距离是万公里，相较于同步轨道卫星到地面情形，其路径损耗分别增添80.94dB与102.31dB，最大延时分别是22.与260.78min。在这般巨大的链路传输损耗状况下，达成高效、可靠的链路通信以及测控有着极大的挑战。因这一问题，当下国外深空探测所运用的主要技术手段涵盖：加大地球站以及探测器天线口径，提升探测器的射频功率，运用更为高效的信道编码方式，采用压缩比更高的压缩技术，提高载波频率并降低接收系统噪声温度。如同表1所展示的那样。
从表1能够看出，当下解决深空通信难点的途径，是以点对点链路、增加收发天线口径以及发射功率为主，这三项在表1总增益里占比44.6%，存在以下问题：其一，依据表1计算得出，就算获取到最大链路增益92.64 dB，对于海王星的探测通信而言，仍存在8.9至9.7 dB左右的路径损耗未得到补偿。随着深空探测距离平方值的增大，信号能量会衰减，接收信号的信噪比极低，这就需要高增益、低复杂度的信道编码方式以及有效的检测手段；传输距离增加后，传统的数据传输协议在深空大延时状况下吞吐量极低；70m天线重量达3000吨，热变形与负载变形严重，并且加工精度和调整精度要求极高，所以进一步加大天线口径已不是当前研究发展的主要方向；深空探测器的硬件条件致使射频功率受到严格限制；而且，因轨道运动和天体遮蔽的影响，航天器与地球地面站无法维持24小时连续通信。因此，如何提高深空通信的效率和可靠性成为关键问题。
考虑到时延和大损耗问题，这在空间通信里是面临的主要情况，是由信息传输的长距离所引发，因此采用分段中继的思想，构建出类似地面因特网的行星际互联网，要达成减小信息传输距离的目的。美国自上个世纪九十年代起，便着手行星际互联网研究，到本世纪开始，更是凭借深空探测处于领先位置，加快了这个领域研究还有实践的脚步。像美国国家航空航天局已构建成的深空网络，也就是那个被称作 DSN 的存在，还有先进的多任务轨道运行计划，又称为 AMMOS 的这一项目，以及美国国家航空航天局的火星观测计划，即所谓的 MSP 的里的行星际互联网，也就是 Inter 所指的，另外就是还包括美国国家航空航天局的 JPL 实验室所研发的，为了用来支撑星际互联网通信从而构成的那个仿真系统，比如说一个取名为 Multi- ，其目的是用于测试和 的东西。
1.2 国内情况
相较于美国这类发达国家而言，我国于深空探测范畴的研究起始时间较晚。在2004年1月的时候，中国展开了探月工程的正式立项举动，此行为标志着我国朝着深空探测迈进开创了第一步。当下，我国已然建成了2个深空站，位于南美、规模为35 m的深空站计划于2016年建成，到那时能够初步达成全球布站，基本上能够完成具备连续测控覆盖能力的深空测控网；达成下行天线组阵技术，现正进行上行天线组阵技术的研发；编译码技术由卷积码、RS编码朝着Turbo码、LDPC编码方向发展；调制方式从BPSK/PM朝着GMSK调制方向发展；通信频段从S频段过渡至X频段、Ka频段；信号处理方面从模拟化逐渐过渡至全数字处理。目前这个阶段，我国的深空通信技术大体上就解决掉了点对点通信技术方面的问题，并且在探月一期的时候就得到成功应用，在探月二期的时候也得到成功应用。后续呢，为从事开展载人登月、火星探测、先导计划等诸多深空探测任务，深空通信技术会一步步地从点对点、端对端通信朝着网络化方向发展。
伴随着探测目标距离的增长，并且鉴于对数据传输效率需求的提升，因而要积极去探索深空测控方面的新技术，以此为我国未来更为复杂、更为遥远的深空探测任务，给予更坚实的技术支撑。当下物理层网络编码技术，属于是提高无线网络吞吐量的新兴技术，在未来的深空探测里，也存在着很大的应用前景。
2 物理层网络编码
2.1 物理层网络编码基本原理
2006年，张胜利教授等人员，把网络编码的思想运用到物理层，头一回提出了物理层网络编码。下面借由阐述其于双向中继信道，也就是TWRC里的运用，来简单扼要地介绍物理层网络编码的基本原理。像图1所展示的那样，TWRC是一个有着3个节点的通信网络，节点A与节点B之间不存在直接链路，必定得经由中继R相互进行通信。这种模型常常在各类通信系统中出现，举例来说，在卫星通信系统里，节点A和节点B是地面上相隔甚远的基站，中继节点R是卫星。
依图1呈现的情况看，在于双向中继信道内呀，分别去阐明运用传统存储转发方式之时怎样开展通信，以及运用网络编码方式之时怎样开展通信，还有运用物理层网络编码方式之时怎样开展通信。
选择传统存储转发方式时，为防止产生互相干扰的情况，传输方案总共需要4个时隙用以交换2数据包，情况如图1(a)所示，吞吐量为1/4符号/信源/时隙(Sym/S/TS)。
采用网络编码模型之际，同样要为了避开相互干扰，节点R绝对得在不一样的时隙那去接收由A发送的数据包以及B发送的数据包，之后呢对收到的这两个数据包展开编码宛如SASB那般，接着再广播出去。源节点A，还有B，会依据收到的编码数据包跟自身的数据包开展异或运算，如此才可得到对方的数据包，就像图2(b)所显示得那般。这样一来呀就需要3个时隙能够完成2 bit的信息交换。其吞吐量是1/3 Sym/S/TS，与传统存储转发相比较的话提升了33%。
而要是采用物理层网络编码，那么中继R能够在首个时隙同时去接收节点A与B的数据包。并且会把数据包的自然叠加当作网络编码运算的一部分哦。它其中包含的基本思路则是处于第一个时隙的时候是这样安排。具体是节点A与节点B会同时各自分别朝着节点R传输信号SA和SB。中继从而R会收到叠加起来的信号SA+SB。到了第二个时隙的时候呢。节点R又会针对叠加的信号开展网络编码比如就是SASB等行为得到信号SR。然后还会广播信号SR。源节点A和B会依据自身的信号，并结合接收到的广播信号，进而成功解出对方的信号。
这样一来，借助无线信道所具备的广播特性，以及电磁波的叠加特性，仅仅通过两个时隙，便能够达成2 bit信息的交换，其吞吐量是1/2 Sym/S/TS，相较于传统方式，提升幅度为100%，与网络编码方式相比，提升幅度为50%。
2.2 物理层网络编码的优势
采用物理层网络编码主要有以下4点优势：
(1)传输的时候，频谱效率是很高的，传统的方式那可是需要4个时隙呢，而物理层的网络编码仅仅只需要2个时隙，如此一来，传输效率就提高了一倍呀。
(2)从物理安全性能方面来看，中继节点接收到的乃是出自两个用户节点的叠加性质的信息，中继由此获取不到两个 用户的任凭实际性质情况的信息，由此一来，纵便是中继遭到黑客实施的控制行为之时或者遭受来自第三方的窃听状况之际，均不会出现泄露任何具备有用意义之态势而发出之信息了。
(3)系统具备高能量效率，其运用物理层网络编码，中继下行仅需一次广播，能把传输能量消耗降低50%，还可延长中继的寿命。
(4)那就是，要缓解中继的存储压力，中继只需存储叠加的信号就可以，而并非要分别存储两个信号，如此一来，能把存储效率提高50%。
3 物理层网络编码在深空通信中的应用展望
3.1 应用展望
于后续的月球探测、火星探测等深空探测里头，构建行星表面网乃是未来发展所趋，行星表面网是由布于行星表面的着陆器、巡视器以及基站等所组成，解决行星表面节点间相互通信问题是行星表面网的主要任务，当中星体表面两个目标距离过远不便直接通信时，中继转发是有效的办法，像在未来载人登月任务里，月球着陆器之间、月球车之间、航天员之间、月球基地之间能借助UHF链路，经由月球中继来进行互相通信。为了能进一步提升数据传输的效用，可借鉴物理层网络编码的理念，将借助中继相互通信的用户逐个交互进行分组，针对同一组里的用户采用毫无差异的频率，要不就是时隙，不然便是扩频码字，借此提高了网络的带宽使用率，而且成倍下降传输的时隙，最终提高数据的传输成效。
就拿着陆器与月球基地两者之间的信息交互来说，当着陆器跟月球基地之间距离隔得特别远，没法定直接开展通信的时候，那就得借助近月轨道器进行中继转发才行，可是轨道器的那有效过境时间极其有限，得在轨道器的这有效过境时间之内尽可能多地交互相关的数据。据此对应物理层网络编码的基本原理，把物理层网络编码技术运用到这个具体场景之中。
以下是改写后的内容：如下，请明晰观察，图2所呈现的状况里，月球基地与着陆器之间借助轨道器来相互传递信息。倘若轨道器仅仅只是进行简单的转发操作，那么该系统就需要进行信息的接收与发送，共计4次；要是实施物理层网络编码举措，那么系统仅仅只需要开展2次工作。其基本思想是这样的：在第一个时间间隙之内，着陆器以及月球基地会同时朝着轨道器发送信息，进而轨道器会接收到两个信号相互叠加之后的信号，这是第一个要点；第二个规定的时间间隙环节中，轨道器针对所接收到的信号开展处理工作，最终获取着陆器以及月球基地的信号所形成的网络编码信号，举例看来就好像是异或这种运算方式，之后在完成这个处理后，将其向月球基地以及着陆器进行广播传播，这是第二个要点。先有月球基地以及着陆器，它们根据着所得到的网络编码信号进行操作，同时依据自身发送的信号，进而解出对方发送的信号。
以采用物理层网络编码的形式，会极大提升系统的传输性能。起初，传输时隙成倍削减，必将会成倍提高系统传输效率；其次，因中继下行仅需一次广播，而之前的中继要分别把信息传输至各目标，进而致使月球中继的能耗减半；最后，鉴于混合信息的存在产生时变密钥的效应，外来的偷听者没法获取真实传输的信息，进而极大增强了通信的安全性。
在后续的深空探测任务里，像火星探测任务、小行星探测任务等，只要是星体表面航天员或探测器需借助中继互通信息的这种情况之下，该方法是全都适用的。随着未来月球和火星导航通信网络的构建完成，双向中继的通信场景将会愈发普遍地存在着，物理层网络编码在深空通信中将会具备广大的应用前景。
3.2 物理层网络编码的工程实现
当前，有关物理层网络编码的研究，多数是基于理论剖析以及仿真验证展开的，然而针对物理层网络编码的实现研究，却是颇为匮乏贫瘠的。任教于香港中文大学的Lu Lu等人士，率先在频域范畴内达成了异步PNC的原型机。这一原型机借助通用软件无线电平台USRP，搭配GNU Radio软件无线电工具，运用OFDM技术从而让子载波码元的长度得以延长，于中继节点处对符号载波同步予以处理，同时进行信道估计，最终达成了频域物理层网络编码的双向中继实际通信系统。但是该系统对实验环境的要求很高，仅限于实验室的研究。
若将物理层网络编码应用于深空通信，还需要考虑一系列问题：
(1)深空通信呈现出长延时的特性，展现出弱信号的状况，具备易中断等特点 ，要开展研究适应于深空通信特点的物理层网络编码技术。
(2)若不运用特定同步方式确保两航天器发出于中继处尽可能叠加的信号，物理层网络因对同步的较高要求优势难以彰显，然而完全同步难已达成且代价高昂，所以需探究非完全同步下物理层网络编码实施方案。
(3)实现物理层所谓的网络编码机制，这其中涉及通信理论，还涉及信号检测与处理等多个学科的融合，它打破了传统那种信号处理方式，为此得对原有的协议做出一系列改进。
4 总结
随着深空探测持续发展 ，网络化属于深空通信的发展趋向。深空通信存在难题，像亟待提升深空数据传输能力这类问题 ，能考虑借助网络技术加以解决。现今 ，网络领域的研究热点 ，即物理层网络编码 ，凭借让收发双方运用相同频带同时开展通信 ，成倍提高了系统的频带利用率 ，加以减少系统传输时隙 ，在深空通信里具备广阔的应用前景。然而，当下物理层网络编码的研究，多数是基于理论分析以及仿真验证的，于深空通信里的工程实现，还得去攻克一系列的技术难题。