全双工流星余迹通信系统的实现与测试.doc

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1、全双工流星余迹通信系统的实现与测试Implementation and Test for Full Duplex Meteor Burst Communication System题（中、英文）目摘要摘要流星余迹通信就是利用流星电离余迹对无线电波的反射和散射作用来进行通信，是一种理想的应急通信手段。本文选题来源于国家“十一五”重点项目，国家自然科学基金(60672129)。流星余迹通信作为一种突发的通信方式，具有抗干扰，不易被截获，单跳通信距离远等特点。然而，流星余迹通信只有在流星出现，在天线照射区内时才能被利用，并且一个流星余迹的持续时间非常短，通常在300500毫秒，因此提高数据通过率是流

2、星余迹通信要解决的一个主要问题。由于流星信道中存在多径干扰，为了提高通信性能，我们给出了基于OFDM传输的全双工流星余迹通信系统。同时考虑到流星余迹的快衰落特性，采用了自适应变速率方法。为了降低系统的接收门限，提高信道利用率，提出了一种基于OFDM信号功率检测的模拟与数字相结合的自动增益控制方法。最后，通过实验室内和野外线路实验的测试结果表明，这些技术有效地提高了数据通过率。关键词：流星余迹通信 OFDM 全双工 自动增益控制 自适应变速AbstractAbstractMeteor Burst Communication (MBC) is a perfect emergency communi

3、cation method, which uses reflection and dispersion of radio wave to the meteor ionization trails. This work was supported in part by a grant from the Key Programs of the Chinese Academy of Sciences during the 11th Five-Year Plan Period, the National Natural Science Foundation of China under Grant N

4、o. 60672129.As a kind of burst communication, MBC has such characteristics as anti-interference, low probability of interception, long range for one hop. However, MBC can be used only when meteor appears in the irradiation area of antenna. The duration of meteor burst trails is very short about 3005

5、00ms, consequently, the main problem is to improve the throughput. To mitigate the multi-path interference in meteor communication, full duplex MBC system based on OFDM is presented, which can improve the efficiency of the transmission. In addition, due to the fast fading property of meteor burst tr

6、ails, an adaptive variable rate scheme is proposed. Then a digital integrated with analog AGC scheme based on power detection in OFDM signals is put forward to reduce the threshold level of system and improve the utilization of the channel. Finally, the efficiency of these technologies is demonstrat

7、ed by the test results of transmission experiments in laboratory and field.Key words: MBC OFDM Full duplex AGC Adaptive variable rate目录目录第一章概述11.1引言11.2流星余迹的通信机制及特点11.3流星余迹通信的发展历史和现状21.4本文所做的工作及内容安排5第二章流星余迹通信的信道及传输特性72.1流星的形成和分布72.1.1 流星的形成72.1.2 流星余迹的分类72.1.3 流星余迹的分布102.2流星余迹信道的数学模型122.2.1 欠密类余迹的数学

8、模型122.2.2 过密类余迹的数学模型142.3流星余迹信道的一些重要参数152.4影响传输性能的因素172.5其他传输模式17第三章流星余迹通信中的关键技术193.1流星OFDM调制解调193.1.1 OFDM基本原理193.1.2 主要参数选取203.1.3 PAPR的解决213.2自适应变速率传输243.2.1 自适应变速准则253.2.2 速率的选取与自适应变速的方法263.2.3 自适应变速和固定速率的性能比较263.3流星快衰落信道下的OFDM信号自动增益控制293.3.1 自动增益控制技术概述293.3.2 复合式AGC控制电路结构293.3.3 OFDM信号的AGC控制方法3

9、0第四章流星余迹通信系统线路测试354.1流星余迹通信系统的组成354.1.1 流星余迹通信系统的组成354.1.2 流星余迹通信系统数字平台364.2流星余迹通信系统的主要参数384.3线路测试环境414.4实验结果424.4.1 实际信道的测试结果424.4.2 数据传输的测试结果434.4.3 测试结果说明与分析46结束语49致谢51参考文献53第一章 概述 5第一章 概述1.1 引言流星余迹通信作为一种新型的通信手段，适用于小容量且无实时要求的场合，而不适用于大容量的实时通信。尽管如此，但是由于流星余迹通信具有其它通信系统无法比拟的优点，因此流星余迹通信的应用越来越广泛。尤其是支援短波

10、通信及用作卫星通信的替补手段。在可能出现的现代战争中，流星余迹通信无疑是在极端恶劣的电磁环境下的一种最终通信保障。虽然我国开始研究流星突发通信为时较早，但应用极其有限，至今未曾有国产流星余迹通信设备建成实用化的通信电路。只是在某些单位引进了一些国外的流星余迹通信设备，应用于边远地区。为了消除对国外设备的依赖性以及国外对我国的技术封锁，填补我国通信领域的空白，提供一种在未来通信系统受到物理和电子攻击时的最低限度的通信保障手段，通过对此项目的研究，攻克流星余迹通信的关键技术，为下一步实现流星余迹通信设备实用化和国产化打下坚实的基础1。从目前的研究来看，世界各工业发达国家正致力于适合流星余迹通信的新

11、技术、新体制的研究。但研究的最终目的是如何提高数据的平均通过量。这是因为数据平均通过量是衡量流星余迹通信系统性能的重要指标之一。在流星余迹通信系统中采用快速自适应高速数据传输技术、抗多径干扰的OFDM调制解调技术和基于OFDM信号功率检测的自动增益控制技术可以有效地提高数据的平均通过量，通常比固定速率时的平均通过率提高35倍。因此被列为“十一五”重点课题中的关键技术。1.2 流星余迹的通信机制及特点流星余迹通信是利用流星电离余迹对无线电波的反射和散射来进行通信的。宇宙中一天之内大约有颗流星进入地球大气层，当它们以每秒1075千米的速度和大气剧烈磨擦时致使其表面的原子气化并电离，形成一个细长的圆

12、柱状的尾迹，称之为流星余迹。利用这些电离余迹对VHF无线电波的反射和散射作用来通信，这就是流星余迹通信。尽管每天进入大气层的流星数目是相当多的，但只有具有合适的位置，合适的方向的流星才能用于收发双方的通信。每个流星电离余迹的寿命极短，一般仅为几百毫秒到1秒左右2。一个用于通信的流星电离余迹消失之后，要等待下一个适用的流星出现（等待时间通常为几秒钟至几分钟）。显然，这种通信方式只能是间断的、突发的，故也叫做流星突发通信，即MBC(Meteor Burst Communication)。在使用流星电离余迹来传播无线电信号时，流星余迹的高度决定了流星余迹通信双方的距离，这一情形可由图1.1来表述。图

13、1.1 流星余迹通信的机制流星余迹通信具有以下显著优点3-5：1.通信距离远，单跳跨距可达2 000公里（电离余迹高度为100公里时），若加中继，则可通距离更远。2.由于电波方向性强（与卫星通信和短波通信相比），且存在“足迹”和“ 热点”等特性，因而防截获、抗干扰能力强，不易遭受非视距干扰。3.受核爆炸、太阳黑子、极盖中断和极光影响小，不会像短波通信那样长期中断通信，尤其是核爆时也能进行通信，抗毁性强。4.由于接收信号区域小，其隐蔽性、保密性、抗毁性和频谱重用性均优于其它通信方式。5.可靠性高，无需像短波通信那样要经常改变工作频率才能工作。6.设备简单，自动化程度高，无需频率配置，因而操作十分

14、方便。7.有较大的自主权，不像卫星通信，必须申请使用权。8.一次性投资和运营费用均低于卫星通信。流星通信系统无需像卫星通信那样要租用转发器，工作费用仅为卫星通信的几分之一，故有“自然卫星”之称。这就为流星通信在民用方向找到了市场。流星余迹通信的主要缺点是通信是间歇性的，数据通过率不高。1.3 流星余迹通信的发展历史和现状早在20世纪30年代人们就发现流星进入地球大气层后，由于高速运动与大气产生摩擦，结果使大气产生一个很长的电离轨迹，而这一轨迹能反射无线电波。美国的一家长波传输局在进行电波观测实验时，发现了电波的异常传送和流星进入地球大气层有关系。其后出现了一些讨论流星通信可能性的论文。1935

15、年，Skellet.A.M正确揭示了流星余迹通信的机理。二次世界大战中，众多工程人员对流星反射进行了诸多研究，但进展比较缓慢。直到二战后无线电技术扩展到VHF、UHF频段，无线电工作者才对流星散射现象产生了更多兴趣。20世纪50年代到70年代，人们对应用流星进行通信的可行性进行了实际测试，随着半导体技术和微型计算机技术的发展，流星余迹通信系统开始应用在低速数据系统中，但是两次余迹之间的等待时间太长，不适合于现代应用。第一个实用的流星余迹通信系统是20世纪50年代，加拿大在Toronto和Port Arthur之间建立的JANET系统，JANET系统采用两个载波形式的全双工通信方式，通信开始和终

16、止由接收对方的信号强度来决定。收方检测出高于一定强度的信号时，就认为通信开始，数据到来，当收到的是低于一定强度的信号时，就认为通信截至。第二代流星余迹通信系统以美国阿拉斯加的SNOTEL系统为代表6，它于70年代末投入使用，由两个主站及分布在西部11州的540个终端组成，用于收集积雪量等气象情报。到了九十年代初，出现了数据传输速率从264Kbps自适应变化，天线由单波束热区自适应天线、Butler_Marix 天线阵发展到余迹自适应天线阵等新技术，大大提高了系统性能。用1千瓦发射功率使平均数据通过率提高到100bit/s。根据1994年报道，美国在Charieston 和Verona 之间建立

17、了一个流星余迹实验线路(AMBTB)。用10KW的发射功率和自适应天线阵，2128Kbps 自适应变速，消噪技术和数据压缩技术使平均数据通过率达到4Kbps。在这个速率支持下进行了多媒体通信试验，业务包括“闲谈”方式文本信息、相互交谈话音、图像、慢扫描电视等，并在车辆和舰船上安装了高增益移动天线，实现了移动流星余迹通信。网络拓扑结构也由高性能的链路协议发展为栅格网和由多个星型网和骨干网组成的交互式网络。这些被称为第三代流星通信系统，现在正处在研制阶段。近年来，国外流星余迹通信技术和发展主要具有以下几个特点：1 设备趋于小型化和机动化由于新一代流星余迹设备采用了许多大规模集成电路和固态功率放大器

18、，使其设备体积、重量和功耗大大减小。到90年代初，国外已实现1KW固态功率发射，一个全双工主站重量仅为180kg左右，体积为2258（英寸），从站重量仅为10kg左右，体积仅像一台14英寸彩电一样大小，只要配上终端及一副天线，即可与主站在2 000km（最佳范围为600800km）内进行通信。随着设备的不断小型化，使其具备了更好的机动性和灵活性。国外已有许多利用流星余迹突发特性解决移动平台（如车、船及飞机）的数据通信实例。可以预料，新一代移动式或背负式流星余迹通信设备必将产生，并将在数据通信领域方面发挥更大作用。2 采用新技术，提高自动化和抗干扰能力目前，流星余迹通信设备由于采用了新型计算机系

19、统及前向纠错、自适应、噪声消隐和频率合成等技术，使流星余迹通信设备的功能、操作、检测能力及抗干扰能力更加完善和提高。新一代流星余迹通信设备已从过去单一工作频率和单一数据率发展成为：在3676MHz频率范围内连续可跳，自适应调节数据速率为264Kbit/s，每份报文信息长度为1 2508 000字符，并可进行系统自动诊断以及信道自动监视，使其自动化程度提高，操作更为简单方便。3 组网能力大大加强，提高了网络的抗毁能力随着计算机技术的发展，以及控制软件和组网协议的不断改进，已使流星余迹通信网络结构从过去的星形网，发展成为可支持254个主站和最多3825个从站的栅格状的通信网络，其系统具有优先级多址

20、信息管理、信息段保护、信息自动衔接与应答、自适应信息流量控制、迂回可变路由选择、加密传输等。由于新型栅格网络使栅格冗余连接、迂回路由和多路由通道，可使网络迅速配置、从站多方入网，从而使流星余迹通信网的抗毁性、灵活性和隐蔽性大大提高。4 系统容量不断扩充，可提供多种传输业务目前，流星余迹通信设备大多用于数据收集和数据传输。其中数据收集系统已广泛用于遥测、水文、环境监视、供水系统、海洋观测以及舰船或车体跟踪等。此外，由于传输系统以及固态功率放大能力的不断提高，改善了流星余迹通信性能，减小了流星的等待时间，提高了可用流星率，使较小的流星产生的余迹也可用于通信，从而增加了流星传输话音、数据、静态图像、

21、传真的可能性。由于我国地域广阔，且偏远山区较多，因此很适合流星余迹通信系统的应用。我国研究流星突发通信的起步并不晚，算得上是最早的国家之一。但是迄今为止，国内还没有一条实用化的流星突发链路。我国早在二十世纪60年代中期研制出第一代A型流星突发通信设备，经过约20年的不断改进，先后又研制出BE四代设备。其中D型机于70年代研制成功，是流星突发和电离层散射相结合的系统，采用了自适应信道选择技术；70年代，由电子工业部门用C型机和D型机参加我国低空核效应试验，验证流星余迹在核爆炸情况下的快速恢复能力，取得了弥足珍贵的数据。这还是世界上唯一的一次流星突发低空核效应试验，意义匪浅。E型机于80年代初研制

22、成功，采用了Z80 CPU和集成电路，而其时微处理机在我国刚刚问世。遗憾的是，由于种种原因，流星余迹通信的研制工作自此停止。本世纪初，国家重新启动了流星突发通信的研制工作，并把它列为“十五”和“十一五”通信技术重点项目。计划在未来几年内，可研制生产出实际可用的流星突发通信设备，并达到国外二十世纪九十年代的水平，填补我国还没有实用的国产化流星通信设备的空白。目前，在已有的40多年的研究基础上，我校正承担着国家“十一五”重点课题中流星余迹通信的相关工作，与国内各相关单位通力合作，以期早日开发出新一代的流星余迹通信系统，早日建立和完善我国最低限度通信保障体系。1.4 本文所做的工作及内容安排1. 本

23、文内容本文的目的是根据本流星余迹通信实验系统中采用的关键技术，结合研究生期间所承担的科研和测试工作，从工程应用角度入手，以实验通信系统为平台，对实际线路测试的结果进行研究分析，着重讨论以下几个问题：(1) 流星余迹通信的信道及传输特性。(2) 适用于流星余迹通信的OFDM传输技术、自适应变速率技术和基于功率检测的自动增益控制技术。(3) 流星余迹通信实验系统远距离线路测试的实验结果及分析。2. 本文内容第一章简要介绍了论文的选题背景，并结合流星余迹通信的发展，指出了研制具有现代通信技术特征的流星余迹通信系统设备的必要性、紧迫性与现实意义。第二章主要分析了流星的形成、流星突发信道的产生及其特征，

24、及无线信号在其中的传输特性，为流星余迹通信设备的研发提供理论模型与依据。第三章重点介绍了流星余迹通信实验系统中采用的关键技术，对自适应高速数据传输、OFDM调制解调、基于OFDM信号功率检测的自动增益控制。第四章主要结合室内联调结果及远距离线路实验的数据和分析结果，对系统的整体性能及各关键技术的实际应用结果做出完整的分析。第二章 流星余迹通信的信道及传输特性 17第二章 流星余迹通信的信道及传输特性2.1 流星的形成和分布2.1.1 流星的形成在地球上，一天之内宇宙星空中约有数量级颗流星体进入地球大气层，而每年降落到地球上的陨石只有20多吨，大概有两万多块，故绝大多数的流星体在进入大气层后与大

25、气摩擦而燃烧掉，其大小只有沙砾一样，但是重量在g以上的流星即可为通信所用7。流星微粒以每秒几十公里的速度进入大气层时，与稀薄空气中的分子和原子碰撞、摩擦，致使流星体很快的发热，溶化并汽化。从流星体中飞出的原子具有相当大的能量，它又与周围空气的分子和原子相碰撞。由于这样的碰撞，在大气中流星体的飞行就伴随着强烈的电离现象，也就是流星体和空气中的中性分子与原子分离成带正负电的微粒。由于这个过程，在流星体的飞行途中，于80120公里的高空产生电离的流星余迹8。由于流星体的直线运动，因此在形成的初期余迹表现为电离气体的直线柱。典型电离余迹的平均长度大约等于25公里。在形成的末期，余迹的起始半径达数厘米。

26、余迹形成的起始时期延续几分之一毫秒。在这个时期内，从流星体中汽化的微粒的速度大约可以降到每秒0.5公里左右。然后，开始了由于不同极性的带电微粒的扩散所引起的余迹的迅速扩散过程。余迹的这个存在时期延续得要比起始时期长得多。可以认为，余迹突然产生，并很快地扩散。所以余迹体积的迅速增大，致使余迹内的体电子密度急剧下降。余迹存在的时间一般在十分之几秒到几秒，有的达几分钟。但由于高空风的影响，它们失去起始的形状，变成弯弯曲曲的或吹散成几段。最后，由于电子和离子的复合，重新组成中性微粒，余迹终于消失了。应该强调的是，上述过程中主要的因素是带电的余迹微粒的扩散作用。2.1.2 流星余迹的分类流星余迹电离的程

27、度可用离子化气体柱内平均每米所含有的自由电子数目来表示，即每米的电子数目()，我们称之为流星余迹的电子线密度。由于流星颗粒的大小不同，进入大气层后与大气摩擦后生成的电子的密度也就不同，余迹可支持通信的能力也就不同。我们按照电子线密度的大小，将流星余迹分为两类：电子线密度小于的流星余迹称为欠密类流星余迹，电子线密度大于的流星余迹称为过密类流星余迹6。进入到大气层的流星数目与余迹的电子线密度成反比，即电子线密度越大的流星余迹的数量越少，所以可用的余迹绝大多数为欠密类余迹。但由于过密类一般有长得多的持续时间，故过密类信号的累积持续时间比欠密类大得多。对于欠密类余迹，由于电子线密度较小，入射无线电波可

28、以渗入余迹表面，余迹内部每个电子独立于其它所有电子对无线电磁波进行散射。严格说来，欠密类余迹是对无线电波信号进行再辐射，随着无线电波渗入余迹，单个电子受到无线载频的激发后，如同偶极子那样沿反射角方向对信号再辐射。欠密类流星余迹可以认为是由自由电子组成的管状云束，它具有统一的轴并且电子密度沿半径成高斯分布。欠密类的流星余迹反射来的信号在很快的时间内达到峰值，然后由于余迹的扩散，信号呈参数为时常数的指数衰减（时常数即为衰落因子，通常衰落因子为几百毫秒到几秒）9。欠密类余迹持续时间从几百毫秒到几秒不等，一般小于1秒钟，但其数量远比过密类多。欠密类余迹大多起散射作用，接收端信号比较弱，这是由于其散射具

29、有强方向性，只有当散射线与余迹轴的夹角等于入射线与余迹轴的夹角时，才有足够强的信号，这个条件称为“镜面反射条件”，接收功率波形如图2.1所示。图2.1 欠密类流星余迹接收功率波形虽然每天进入大气层的流星体数量众多，但是并不是说通信是“实时”的，因为在某个位置能提供一个足够合适的通信路径的流星余迹不会总是连续存在的。一个流星的电离余迹呈指数衰减到一定程度后，便无法维持通信需要，余迹消失之后，到下一个适用的流星出现，通常要等待几秒到几分钟的时间，有时甚至十几分钟。显然，这种通信方式只能是间断的，突发的。因此，流星余迹突发通信仅适用于小容量且无实时要求的场合，而不适用于大容量的实时通信。对于过密类流

30、星余迹，由于其电子线密度较大，不像欠密类流星余迹一样变现为内部电子独立散射无线电波的管状云束，它更像一个等离子云，这种类型的余迹对无线电波的反射比欠密类余迹要复杂的多，这是因为电子之间存在着复杂的相互作用。过密类余迹的反射可以分为镜面反射非镜面反射两种。对于镜面反射，流星余迹表现为金属反射体，电波无需到达其内部，直接在表面反射，反射信号的强度先缓慢地到达峰值，然后再缓慢衰落，余迹因扩散作用而膨胀后，电子线浓度虽开始减少，但还有可能增加，因而信号有缓慢上升相对稳定阶段，然后由于余迹的进一步膨胀，电子线密度进一步减小，过密类余迹转为欠密类余迹。过密类余迹整个的持续时间为几秒（典型值），远远大于由欠

31、密类流星余迹反射过来的信号的持续时间。如图2.2所示10。图2.2 过密类流星余迹接收功率波形有时很大的流星余迹形成后，由于高海拔风的影响，余迹开始弯曲和漂移，几秒种后，这些余迹表现为云而不是余迹，这些电子云漂移时有多个点满足镜面反射条件，在接收端，无线信号表现为多径效应和衰落现象，我们称之为“非镜面反射”。这比欠密类流星余迹的要严重的多，反而严重影响了通信的性能，如图2.3所示。图2.3 有多径和衰落的过密类余迹流星的质量与其体积，电子线密度成线性关系。流星出现的概率与其大小，电子线密度有关,流星的电子线密度越高体积越大，其出现的概率越小,电子线密度越低体积越小，流星出现的概率越大。具体说来

32、,就是电子线密度每升高一个数量级,流星出现的数目就降低一个数量级。表2.1 不同电子线密度的流星出现的概率2.1.3 流星余迹的分布流星信号的发生具有很大的随机性。但从长期统计的结果看，流星信号的间隔时间服从泊松过程分布。尽管信号的数目受地理位置、通信距离和方向等影响，但流星突发的数目与昼夜和季节的变化仍有一定的规律可循。流星信号数目的昼夜变化取决于地球的自转及地球绕太阳的公转运动。假如地球不动，而流星微粒从各个方向均匀地进入大气，那么在地球上任意点观察到的流星数目将是常数。然而由于地球绕太阳轨道运行，地球太阳升起的一面正是地球公转轨道上朝向地球运行方向的一面，所以该面上掠过流星的数目总是比较

33、大，而另一面则较小。黎明时(06：00)，太阳方向与水平面方向平行，地球公转方向与地球水平面垂直，流星观测的视线方向与地球的公转运动方向相同，流星体和地球迎面相碰，由于迎面和被追上的流星数目在增长，相对速度大，因此能看到的流星数目多。相反傍晚时(18：00)，地球公转方向同样与地球水平面垂直，在地球公转方向的背面，流星观测站处在背对地球运动的方向上，只能看到那些从地球后面追上来的流星，这些流星相对速度小，所以观测到的流星数目就相应的减少。流星的亮度与流星的体积成正比，与流星相对地球速度平方成正比。因此，黎明时的流星比黄昏后的流星亮度要大些。如图2.4所示，图中横轴表示24小时进行观测的时间，纵

34、轴表示平均每小时流星出现的相对概率，日出(06：00)和日落(18：00)时流星数目的典型比值约为4：16。但对于流星余迹通信来说，流星余迹的利用概率在日出和日落时并不是4：1，数据传输的利用时间也不是4：1，所以并不是说黎明前在链路上传输的数据是黄昏后的4倍。图2.4 流星出现数目的昼夜变化流星体在地球公转轨道上的分布不均匀以及地球地轴相对于椭球面的倾斜这两种机制共同导致了季节变化，当北半球流星到达率增大时，而南半球则相应减少。季节变化的幅度与日变化的幅度是可相比拟的。流星余迹通信系统可用流星余迹出现数量，在北半球最高的7月份和最低的2月份的季节之间变化约为4：1，如图2.5所示，图中横轴表

35、示一年中每月观测时间，纵轴表示每月内平均每小时出现的流星数量。图2.5 流星数目的季节变化该比例是在将所有关于流星出现试验数据综合考虑基础上得到的，如果把流星雨现象排除，流星出现概率的季节变化的最大值与最小值之比接近2：1，在系统设计时，如果不排除流星雨现象，那在大多数时候流星出现速率会变大，但是实际流星余迹链路性能在流星雨现象不存在时要比假设存在时的预测情况差得多。在赤道地区流星余迹到达率的日变化最大，在两极地区变化最小，然而两极地区的季节变化却大于赤道区。若以年为周期，可由流星余迹传播路径出现的日变化和季节变化，很容易得到通信链路出现的最大变化比例为16：1。这是设计利用流星余迹的通信系统

36、所必须考虑的重要因素。2.2 流星余迹信道的数学模型无线电波从发送端发射经过无线传播到达流星余迹，功率存在路径损耗；无线电波受到流星余迹的反射或散射，功率存在反射损耗；反射电波从余迹反射到接收端，功率也会存在路径损耗。无线电波经过流星余迹信道后，在接收端接收到的信号功率收到多个因素的影响，包括发送天线和接收天线的增益、发送站和接收站之间的距离、流星余迹电子线密度的强度、余迹的方向性等等。电子线密度较小的欠密类余迹和电子线密度较大的过密类余迹的接收功率有较大区别，它们有不同的数学模型。2.2.1 欠密类余迹的数学模型欠密类余迹是对信号进行再辐射，随着无线电波渗入余迹，单个电子受到无线载频的激发后

37、，如同偶极子那样沿反射角方向对信号再辐射。图2.6为流星余迹传输的链路图。信号从发送站发送，经过余迹反射，被接收站接收。图2.6 流星突发通信链路 图中从发送站到反射余迹之间的距离为发射距离，从反射余迹到接收站之间的距离为接收距离，两站点之间的地面距离为发送距离，流星余迹到地面的高度为h。Weitzen给出的欠密余迹接收电平和持续时间的模型9与试验结果相当吻合，其模型为： 式(2-1)表示接收到的功率电平，可以知道随时间按指数衰减。表示接收到某个余迹反射电波的初始功率电平，它是余迹形成的最初状态，因为欠密余迹的功率电平上升时间很短，又由于系统同步也需要时间，所以可以认为是接收功率的最大值。表示

38、功率电平衰减常数，由信道参数决定。和都是随机变量。电平衰减常数虽然是一随机变量，但当链路参数确定后（主要是频率和站间距离），其均值相对稳定，变化范围小，所以可以当作常数处理。欠密余迹突发的反射功率通常用下面的公式表示11，这是Eshleman等在二十世纪五十年代初提出的，这个模型很好的表示了实际情况，由于处理也容易而适用于分析。 式(2-2) 式(2-3)将上面两公式合成，则欠密类流星余迹的接收功率我们可以用下式进行表示： 式(2-4)其中：l ：发送信号功率，单位Wl ：发送天线增益，单位dBil ：接收天线增益，单位dBil ：波长，单位m，取值方法： 式(2-5)f为发送频率（单位MHz

39、）l ：电子半径，单位m m 式(2-6)l q：电子线密度，单位electrons/ml ：余迹电场矢量与反射方向之间的夹角l l：两基站之间的距离，单位kml h：流星余迹出现高度，单位km 式(2-7)l ：余迹初始半径，单位m 式(2-8)l :反射角 式(2-9)l 式(2-10)l D：扩散系数，单位 式(2-11)l R：地球半径 式(2-12)l ：发送端到流星余迹平面切点P之间距离,单位km 式(2-13)l ：接收端到流星余迹平面切点P之间距离，单位km 式(2-14)l ：余迹电场矢量和平面之间夹角2.2.2 过密类余迹的数学模型如图2.2所示，过密类余迹的接收信号功率不

40、是指数衰减的形式，不符合欠密类接收功率电平公式，对于过密类余迹，Hines和Forsythe也提出了接收信号功率的数学模型12，当电子线密度在时： 式(2-15)其中，过密类余迹的初始接收信号功率为： 式(2-16)当电子线密度大于时，其数学模型为： 式(2-17)过密类余迹的接收功率水平的数学模型中用到的所有参数与欠密类余迹中的参数相同，在此不再说明。2.3 流星余迹信道的一些重要参数流星余迹信道具有突发和快衰落等特性，这是因为流星余迹无线通信系统以离子化流星余迹为媒介进行信息传输。流星余迹信道的物理特性决定了流星余迹通信系统的信号传播特性，信号传输的生存周期短，等待时间长，所以吞吐量相对较

41、低。天线拓扑结构、流星余迹形成方位角、流星余迹电子线密度、发送频率等因素都会对流星余迹通信产生重要影响。然而，流星余迹通信系统填补了通信领域的一个空缺，它具备其它超视距系统所不具备的优点，例如对大气扰动和干扰不敏感、开销低和抗毁性强。因此，掌握流星余迹的信道特性对于设计通信系统和做好一个通信协议尤为重要。无论是欠密类还是过密类余迹类型的流星余迹，它们的数学模型含有许多参数，这些参数也就是影响流星余迹通信的参数，现在我们对主要的参数进行介绍。1. 工作频率频率的选择对于流星余迹通信系统是十分重要的。流星余迹通信使用的频率在VHF 波段中的3050MHz之间。如果频率选择的太低，电离层中的D层会吸

42、收大量的信号功率，且宇宙噪声和人为噪声随着频率的降低而增加，这会严重影响本来接收信号就很弱的流星通信系统的性能，同时，天线的尺寸和造价也会随着频率的降低而增加。另外，由于流星余迹本身的特点，使得接收信号的峰值功率Pr和工作频率f的3次方成反比，即，且平均突发的时间长度和频率的二次方成反比，即，这些都限制了工作频率的升高。在综合的考虑了技术、经济、实现的复杂度等多种因素下，大多数流星余迹通信系统都采用3050MHz之间的某个频率作为工作频率。2. 平均余迹可用时间流星余迹反射波的平均可用时间是多个变参的函数（包括工作频率在内）,与工作频率的关系为： 式(2-18)显然，我们期望持续时间长的余迹，

43、这样在持续时间内可以发送更多的数据。通过上面的关系还可以看出降低工作频率能够延长平均余迹可用时间，典型余迹可用时间为几十毫秒到几百毫秒。单个余迹的持续时间并不能完全决定可用时间，因为随着回波信号的衰落，增大发射功率或提高接收机灵敏度同样能够延长余迹的可用时间。3. 等待时间两次可用余迹之间的等待时间是流星余迹通信系统的一个很重要的参数13，它说明了平均等待多长时间才能进行新一次的信息传输。等待时间与工作频率成反比，典型等待时间为几秒到几分钟。4. 回波峰值电平峰值回波电平反映了接收到的流星余迹反射波峰值功率的大小,它是发送功率、路径传播损耗、余迹反射损耗的函数。峰值功率与载波频率的关系为： 式

44、(2-19)5. 占空比占空比在描述及比较流星余迹链路时是非常有用的,它表明了流星余迹链路实际通信传输数据的时间所占的百分比： 式(2-20)与工作频率的关系为： 式(2-21)6. 平均数据通过率流星余迹通信最大的特点就是它的突发性。由于流星间歇性的到达，使得必须要采用突发的通信方式，即在余迹较强时，以较高的速率发送数据，当余迹消失时，停止发送数据。因此，衡量这种系统的性能时，就不能单纯看最高的发送速率，而采用所谓的平均数据通过率描述系统的性能。 式(2-22)7. 流星余迹发射和反射距离发射距离指的是从发送站到反射余迹之间的距离，反射距离指的是从反射余迹到接收站之间的距离，一般认为两者相等

45、。它们与两基站之间的距离l，地球半径，余迹出现高度h有关，其关系式为： 式(2-23)由于余迹出现高度只与发射频率f有关，所以发射距离与接收距离只受两基站之间的距离l，地球半径和发射频率f的影响。2.4 影响传输性能的因素1. 电离层对流星余迹通信的影响电离层会对3080MHz流星突发信号的传输产生影响。在太阳活动剧烈的年份，电离层的最高可用频率可达50MHz。这时，流星突发信号就可能从电离层反射或散射到地面。另外，常在夏季不断出现的电离层E层，由于电子密度较高及其不均匀性，流星余迹经过E层的反射或散射到达接收点的强度往往会很强，甚至可以连续高速地传输信息。当通过电离层散射的信号强度和流星余迹信号强度可相比拟时，会造成多径干扰。而且，电离层的不稳定性也会引起信号幅度严重衰落和多普勒频移14。2. 流星余迹反射信道的偏路径效应对于指定的通信路径来说，并不是任何余迹都能把足够强的信号反射到接收点。能反射足够强信号的余迹必须满足以下条件：必须在收发天线的共同照射区内形成；必须有足够的电子密度；必须有合适的取向，满足镜面反射条件。当流星余迹出现在收发两点的大圆路径上空时，为满足入射角等于反射角的条件，余迹必须与地面平行。但出现这种余迹的可能性很小，大量流星是倾斜于地面的。不过在大圆路径两侧的许多余迹可以满足镜面反射条件。单个余迹尤其是过密余迹，