İHA İletişiminde Asimetrik Fiziksel Katman Ağ Kodlaması Araştırması
Özet: Fiziksel katman ağ kodlaması, kablosuz iletişim sistemlerinin performansını artırabilir. İHA ağı ve iletişiminin çevresel özellikleri hedeflenerek, İHA ağlarında asimetrik iki yönlü bir röle kanalı modeli oluşturulmuş ve bu modeldeki fiziksel katman ağ kodlaması çalışılmış ve asimetrik çok seviyeli faz kaydırmalı anahtarlama fiziksel katmanı önerilmiştir. Ağ kodlama şeması, planın kesinti olasılığı ve bit hata oranı gibi İHA ağ iletişim sisteminin ana performans göstergelerinin teorik ifadelerini türetir. Deneyler yoluyla, önerilen şemanın doğruluğu ve teorik analizi doğrulanmış ve çeşitli asimetrik faz kayması anahtarlama modülasyon yöntemleri altında sistem performansı analiz edilmiş ve İHA ağ iletişiminde fiziksel katman ağ kodlamasının tasarım ve performans değerlendirmesi analiz edilmiştir. Teorik bir temel sağlayın.
0 Önsöz
İnsansız Hava Aracı (İHA) iletişim, keşif, arama, izleme ve gerçek zamanlı saldırı alanlarında giderek daha fazla uygulamaya sahip ve gelecekteki savaş alanında önemli bir rol oynayacak. İHA teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, İHA'ların uçuş irtifası, dayanıklılığı ve yük kapasitesi büyük ölçüde iyileştirilmiş, aynı zamanda İHA'ların iyi manevra kabiliyeti ve düşük maliyetli özellikleri, İHA ağ iletişim yöntemlerini oluşturmaktadır. Esneklik, kolay dağıtım ve uygun ekipman güncellemesinin avantajları, bu nedenle bir röle platformu olarak İHA pratik öneme ve büyük avantajlara sahiptir. İHA ağ iletişiminde, görev İHA ile İHA rölesi arasındaki kanal ile İHA rölesi ile yer kontrol terminali arasındaki kanal arasında bariz farklılıklar vardır. Bu nedenle, asimetrik iki yönlü röle kanalı (TWRC) modeli olarak yer terminali-röle drone-görev drone'undan oluşan kablosuz röle bağlantısının modellenmesi, gerçek uygulama ortamı ile uyumludur.
Fiziksel Katmanlı Ağ Kodlaması (PNC), iletişim sisteminin ağ verimini artırabilir. Fiziksel katman ağ kodlamasının İHA ağ iletişimine uygulanması, İHA iletişim sistemlerinin gerçek zamanlı performansını iyileştirmek için büyük önem taşımaktadır. Ancak, İHA iletişim sistemlerine fiziksel katman ağ kodlaması uygulamak için, asimetrik koşullar altında fiziksel katman ağ kodlamasının dikkate alınması gerekir. Literatür, zayıf bağlantı iletiminin güvenilirliğini ve daha iyi bağlantı iletiminin yüksek verimliliğini sağlayan, tekrarlanan birikim (RA) kodlamasına dayanan bir asimetrik oran işbirlikli çeşitlilik ağı kodlama şeması önermektedir Bu şema, bir sinyal iletimi için 3 zaman dilimi gerektirir. Verimi iyileştirmek için, literatür iki adet 2 yuvalı TWRC asimetrik fiziksel katman ağ kodlama iletim şeması önermiştir. İlk şema, kademeli kanal kodlamasını kullanır ve iki uç düğüm, modülasyon sırasında hala aynı modülasyon yöntemini kullanır ve sistem karmaşıklığı düşüktür; ikinci şema, alt küme kodlamasını ve alt küme modülasyonunu kullanır, bu şemayı kullanırken, iki uç düğüm NAS'ın modülasyon ve demodülasyon modunun buna göre değiştirilmesi gerekiyor.Karmaşıklık yüksek, ancak performans daha iyi. Literatür, asimetrik modülasyon fiziksel katman ağı kodlama şemasını inceler, sembol eşlemesine dayalı bir fiziksel katman ağ kodlama şeması önerir ve BPSK-QPSK modunda asimetrik modülasyon şemasının performansını analiz eder.
Literatürdeki ikinci şema evrişimli kodlar kullanır Düşük Yoğunluklu Eşlik Kontrolü (LDPC) kodları gibi daha güçlü hata düzeltme kapasitesine sahip kanal kodları kullanılırsa, sistemin güvenilirliği daha da geliştirilebilir. Yukarıda bahsedilen belgelerden, 2 yuvalı iletim modeline dayalı olarak fiziksel katman ağ kodlaması, kanal kodlaması ve asimetrik modülasyonun birlikte nasıl tasarlanacağı ve çoklu modülasyon yöntemlerine uyarlanan bir şema önerilmesinin hala Zorlu bir iş.
Sistemin güvenilirliğini daha da iyileştirmek ve farklı asimetrik modülasyon modlarının performansını incelemek için bu makale, İHA ağı ve iletişiminin gerçek ortamına göre asimetrik iki yönlü bir röle kanalı modeli kurar ve İHA iletişiminde asimetrik LDPC kodları önerir. Modüle edilmiş fiziksel katman ağ kodlama şeması, yani Asimetrik M-ary faz kaydırmalı anahtarlama Fiziksel Katmanlı Ağ Kodlaması (AMPNC). Bu makale, AMPNC'nin performansını analiz eder, sistemin kesinti performansını ve diğer göstergeleri daha fazla İHA ağ oluşturma ve iletişimin gerçek ortamıyla uyumlu olarak iyileştirir ve İHA iletişiminde fiziksel katman ağ kodlamasının uygulanması için teorik bir temel sağlar.
1 Sistem modeli
Asimetrik koşullar altında fiziksel katman ağı kodlaması dört türe ayrılabilir: faz asimetrisi, yukarı bağlantı asimetrisi, aşağı bağlantı asimetrisi ve düğüm asimetrisi. Düğümlerde asimetrik modülasyon meydana geldiğinden, bu makaledeki araştırma esas olarak asimetrik düğümlerin durumuna dayanmaktadır. İHA ağ iletişiminin gerçek uygulama ortamına ve iki yönlü röle kanalı modeline bağlı olarak, asimetrik bir iki yönlü röle kanalı modeli oluşturulur. Şekil 1'de gösterildiği gibi, düğüm A bir yer terminalidir, düğüm R bir röle dronudur ve düğüm B bir görev dronudur. Uzaktan kontrol sinyalinin anti-parazit yeteneğini ve telemetri sinyalinin iletim oranını geliştirmek için, düğüm A ve düğüm B, farklı modülasyon yöntemlerini benimser Bunlar arasında, düğüm A'nın modülasyon yöntemi, düşük sıralı modülasyondur ve düğüm B'nin modülasyon yöntemi, yüksek sıralı modülasyondur. Shannon'un ayırma teoremi, belirli bir sistem için kaynak ve kanal kodlamasının bağımsız olarak tasarlanmasının optimum performans kaybına neden olmayacağını göstermektedir. Bu teoreme göre, bu makale belirli kaynak kodlama yöntemini dikkate almamaktadır.
2 Asimetrik iletim şeması
İHA ağı ve iletişiminin gerçek ortamına bağlı olarak, asimetrik koşullar altında fiziksel katman ağ kodlaması incelenir ve fiziksel katman ağ kodlaması, kanal kodlaması ve asimetrik modülasyonu birleştiren bir sinyal iletim şeması önerilir. Genellik kaybı olmaksızın, AMPNC şemasını açıklamanın rahatlığı için, düğüm A'nın modülasyon modunun QPSK ve düğüm B'nin modülasyon modunun 8PSK olduğu varsayılır. Diğer asimetrik MPSK modülasyon yöntemleri için, şemayı açıklamak için benzer bir yöntem kullanılabilir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, çoklu erişim aşamasında, düğüm A ilk olarak kodlanmamış bilgi xA üzerinde LDPC kodlaması gerçekleştirir, kodlanmış bilgi cA'dır ve daha sonra QPSK modülasyonu cA üzerinde gerçekleştirilir (modülasyon konstelasyon diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir). Bilgi sA'dır ve sA, A düğümü ile R düğümü arasındaki bağlantı yoluyla röleye gönderilir. B düğümünde, kodlanmamış bilgi xB ilk olarak LDPC kodludur, kodlanmış bilgi cB'dir ve cB, 8PSK tarafından modüle edilir (modülasyon konstelasyon diyagramı Şekil 4'te gösterilmiştir), modüle edilmiş bilgi sB'dir ve sB, B düğümünden geçirilir. R düğümü arasındaki bağlantı, röleye gönderilir. A düğümü ve R düğümü arasındaki kanal parametresinin hAR ve B düğümü ile R düğümü arasındaki kanal parametresinin hBR olduğunu varsayalım.
R düğümü tarafından alınan üst üste binme ve sinyal şu şekilde ifade edilebilir:
Düğüm R, üst üste binmeyi ve düğüm A ve düğüm B tarafından gönderilen bilgi xR'yi alır, demodülasyon yoluyla bilgi dR'yi alır (demodülasyonlu takımyıldız diyagramı Şekil 5'te gösterilmiştir) ve kodu çözülmüş bilgi bR elde etmek için BP algoritması aracılığıyla dR'nin kodunu çözer.
3 performans analizi
3.1 Kesinti olasılığı analizi
Bilgi teorisi perspektifinden bakıldığında, bir kesinti olayı, R hızında güvenilir iletimi destekleyemeyen bir grup kanal olayı olarak tanımlanır. Şekil 2'de, R düğümünün kanal kapasitesi:
R düğümündeki kesinti olasılığı:
Bunlar arasında, = P / N0, min işlemi, sistemin performansının A düğümü ve R düğümü arasındaki bağlantı ve R düğümü ile B düğümü arasındaki bağlantı ile sınırlı olduğunu, yalnızca röle olduğunu düşünmektir. Yalnızca kod çözme doğru olduğunda doğru bir yönlendirme işlemi gerçekleştirilebilir.
Lb tekdüze bir işlev olduğundan, interrupt olayı şuna eşdeğerdir:
Denklem (7) 'de, R, bağlantının iletim hızıdır. Her düğümün iletim gücü ve her kanalın kanal solma zarfı denklem (7) ile ikame edilerek, düğüm A'dan düğüm B'ye kesinti olasılığı elde edilebilir. B düğümünden A düğümüne kesinti olasılığının analiz yöntemi yukarıdakine benzer.
3.2 Hata kodu performans analizi
İlk olarak, kablosuz iletişim sisteminin MPSK modülasyonu altında bit hata oranı ifadesini analiz edin:
R düğümünün kabul edilebilir bir bit hata oranı ile demodüle edebileceğini ve kodunu çözebileceğini varsayarsak, sR sinyalini A düğümüne ve PR gücüyle B düğümüne yayınlar, aksi takdirde röle yayın yapamaz. Analiz için örnek olarak A düğümünü alalım. Röle kod çözme hatası olasılığı PSK (PA | hAR | 2 / N0) ve doğru kod çözme olasılığı 1-PSK (PA | hAR | 2 / N0). Hesaplama sisteminin BER koşulu aşağıdaki gibidir:
Bu nedenle Şekil 1'de gösterilen sistemin BER'i aşağıdaki gibidir:
B düğümünden A düğümüne olan bağlantının BER hesaplaması, A düğümünün B düğümüne olana benzer.
4 Deneysel sonuçlar
Bu bölümde, belirlenen deneysel koşullar altında, tasarlanan AMPNC şemasına göre simülasyon deneyleri yapılmaktadır. Şekil 6, düğüm A ve düğüm B'nin iletim gücü farklı olduğunda, farklı modülasyon yöntemlerinin kesinti olasılığı üzerindeki etkisinin karşılaştırma diyagramını göstermektedir. A düğümünün MA sıralı PSK modülasyon yöntemini ve B düğümünün MB sıralı PSK modülasyon yöntemini benimsediğini varsayarsak, A düğümünün iletim gücünün B düğümünün iletim gücüne oranı şöyledir: Ek olarak, UAV ağ iletişimi sisteminin iletim gücünün sabit olduğunu varsayarsak, Yani, PA + PB + PR = P ve röle düğümünün iletim gücü, her zaman iletim gücünün toplamının 1 / 3'ü, yani PR = P / 3'tür. Aynı zamanda, simülasyonun diğer koşulları sistem modeli ayarlarıyla aynıdır ve veri hızı R = 1 b / s / Hz'dir. Şekildeki karşılaştırmadan, AMPNC şemasının QPSK-8PSK modundaki kesme performansının daha iyi olduğu, BPSK-QPSK modundaki AMPNC şemasının kesme performansının ikinci olduğu ve BPSK-8PSK modundaki AMPNC şemasının kesme performansının zayıf olduğu sonucuna varılabilir. Aynı zamanda üç modda sinyal-gürültü oranı arttıkça, sistemin kesinti performansı kademeli olarak iyileşir.
Şekil 6'da, AMPNC şeması ile geleneksel iletim şeması arasındaki kesinti performans karşılaştırması da gösterilmektedir. Şekilden, sinyal-gürültü oranı düşük olduğunda, geleneksel iletim şemasının kesinti performansının daha iyi olduğu; sinyal-gürültü oranı yaklaşık 10 dB'den büyük olduğunda, AMPNC'nin kesinti performansının geleneksel iletim şemasından önemli ölçüde daha iyi olduğu görülebilir.
Şekil 7, düğüm A ve düğüm B'nin iletim gücü aynı olduğunda farklı modülasyon yöntemlerinin bit hata oranı üzerindeki etkisinin bir karşılaştırma diyagramını gösterir. Şekilden, sinyal-gürültü oranı arttıkça sistemin bit hata oranının kademeli olarak azaldığı sonucuna varılabilir. Şekildeki üç eğri incelendiğinde, BPSK-QPSK modundaki AMPNC şemasının en iyi hata performansına sahip olduğu sonucuna varılabilir.Bunun nedeni, röle iletim işleminde, iki olası iletim sembolü arasındaki mesafenin esas olarak röle tarafından belirlenir. Takımyıldız mesafesi belirlenir ve iletilen sembol büyük olasılıkla röle düğümü takımyıldız haritasındaki bitişik sembol olarak yanlış değerlendirilir. BPSK-QPSK modunda, ister A düğümünün ve B düğümünün modülasyon takımyıldızı diyagramı, ister R düğümünün birleşik demodülasyon takımyıldızı diyagramı olsun, takımyıldız mesafesi birkaç mod arasında en büyüğüdür ve bu da en büyük Öklid mesafesini verir. Mod, en iyi hata performansına sahiptir.
5. Sonuç
İHA iletişiminin gerçek ortamına dayalı olarak, bu makale asimetrik bir İHA ağ iletişimi modeli kurar, asimetrik çok aşamalı faz kaydırmalı anahtarlamalı fiziksel katman ağ kodlama şeması önerir ve asimetrik solma kanallarında farklı düğümlerin kullanımını inceler. Farklı PSK modülasyon modlarının fiziksel katman ağ kodlama performansı üzerindeki etkisi, sistem kesinti performansının teorik analizine ve hata performansına dayalı olarak, farklı asimetrik modülasyon modlarının sistem kesinti performansı ve hata performansı üzerindeki etkisi üzerine deneyler yapılmaktadır. Simülasyon sonuçları, geleneksel iletim şemasına kıyasla, AMPNC'nin kesme performansının büyük ölçüde iyileştirildiğini ve düğümler arasındaki iletim gücünün, sistemin kesme performansı üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir; BPSK-QPSK modundaki AMPNC şeması en iyi hata performansına sahiptir. bu iyi. Pratik uygulamalarda, sistemin modülasyon şemasının teorik araştırma sonuçlarına ve İHA iletişiminde kesinti performansı ve hata performansı gibi belirli göstergelerin gereksinimlerine göre tasarlanması gerekmektedir. Bu makale, İHA ağ iletişiminde fiziksel katman ağ kodlamasının tasarımı ve performans değerlendirmesi için teorik bir temel sağlar.
Referanslar
SUJIT P B, BEAD R. Bilinmeyen bir bölgenin çoklu İHA keşfi Matematik ve Yapay Zeka Annals, 2008, 52 (2-4): 335-366.
ISCOLD P, PEREIRA GA S, TORRES LA B ve diğerleri.Yer keşfi için elle fırlatılan küçük bir İHA'nın geliştirilmesi. Havacılık ve Elektronik Sistemlerde IEEE İşlemleri, 2010, 46 (1): 335-348.
CERASOLI C. Kentsel ortamlarda insansız hava aracı röle kapsamının analizi IEEE Askeri İletişim Konferansı, 2007: 1-7.
ZHAN PC, YU K, SWINDLEHURST A L. İnsansız hava araçlarıyla kablosuz röle iletişimi: performans ve optimizasyon, Havacılık ve Elektronik Sistemlerde IEEE İşlemleri, 2011, 47 (3): 2068-2085.
ZHANG S, LIEW SC, LAM P P. Sıcak konu: fiziksel katman ağ kodlaması. ACM MobiCom06, Calfomia, 2006: 358-365.
Chi Xinsheng, Zheng Baoyu, Yao Gang, ve diğerleri.Asimetrik Kooperatif Çeşitlilik İletişiminde Ağ Kodlamasının Uygulanması.Elektronik ve Bilgi Dergisi, 2012, 34 (10): 2314-2319.
Wei Hao, Zheng Baoyu, Hou Xiaoyun ve diğerleri Asimetrik oranlı iki yönlü röle iletim stratejisi üzerine araştırma.Elektronik ve Bilgi Dergisi, 2012, 34 (11): 2748-2756.
Zhang Zufan, Peng Jinling, Yang Jing, ve diğerleri.Sembol eşlemeye dayalı fiziksel katman ağ kodlaması.Sistem Mühendisliği ve Elektronik Teknolojisi, 2014, 36 (7): 1410-1415.
LI B, WANG G, CHONG P H J, et al.Asimetrik iki yönlü röle kanallarında fiziksel katmanlı ağ kodlamasının performansı. China Communications, 2013 (10): 65-73.
VAZE R, HEATH R. İki yönlü röle kanalının kapasitesi ve çeşitlilik çoğullama ödünleşimi hakkında IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2011, 57 (7): 4219-4234.
