【摘要】：流星余跡通信是20世紀(jì)中期開始興起的通信技術(shù)。它在可靠性、抗干擾性、生存能力以及費(fèi)用上的優(yōu)勢使其在民用和軍用領(lǐng)域得到廣泛研究。文章主要就流星余跡通信的概念、特點(diǎn)、改進(jìn)方法、發(fā)展概況和應(yīng)用等加以介紹，并對未來研究方向做以展望。

【關(guān)鍵詞】： 流星余跡通信;編碼;自適應(yīng)技術(shù);通信協(xié)議

1引言

每天進(jìn)入地球大氣層的各種大小的宇宙微粒平均約為1010個(gè)，總重大約1噸（這不包括能產(chǎn)生可視余跡的相對較大的、少見的流星）。它們以每秒11.3～72km的高速進(jìn)入大氣層后，與空氣中的分子發(fā)生猛烈碰撞，從而產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致其周圍空氣急劇電離，在距離地面80～120km的高空留下一個(gè)細(xì)長的、持續(xù)時(shí)間很短的電離氣體柱，即流星余跡。流星余跡長達(dá)數(shù)十公里， 初期半徑0.5至數(shù)米，隨后迅速擴(kuò)散。在流星余跡出現(xiàn)的初期，能夠在2000km以內(nèi)的兩點(diǎn)之間形成超視距無線通信信道。流星余跡通信主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）流星余跡隨機(jī)出現(xiàn)、存留時(shí)間短、接收地域范圍有限，這大大增強(qiáng)了通信的抗干擾和抗截獲的能力。

（2）生存能力強(qiáng)，受人為或自然原因造成的電離層擾動(dòng)的影響較小，在核爆后20～120分鐘內(nèi)即可恢復(fù)工作，可作為最低限度通信的后備手段，具有較高的軍用價(jià)值。

（3）不需要頻率管理，多條鏈路可以采用同一頻率進(jìn)行通信。

（4）通信距離遠(yuǎn)，站點(diǎn)建設(shè)成本低廉，適合于邊遠(yuǎn)地區(qū)的突發(fā)性、低容量數(shù)據(jù)的傳輸。

可見，流星余跡由于其獨(dú)特的信道特性，因此具有其它無線電媒體所不具備的一些特點(diǎn)。流星余跡通信在低數(shù)據(jù)率超視距通信領(lǐng)域中具有很大優(yōu)勢，近年來，從商業(yè)和軍事需求出發(fā)，各國對流星余跡通信的研究始終熱情不減，并有多個(gè)系統(tǒng)投入使用。

2流星余跡通信的基本原理

如圖1所示，以接收機(jī)和發(fā)射機(jī)作為焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，可以構(gòu)成一族橢圓體，當(dāng)有流星余跡與其中一個(gè)橢圓體相切時(shí)，借助于流星余跡的散射特性，發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線電波可以被接收機(jī)成功接收，連接收發(fā)端的通信鏈路就建立了。

圖1 流星余跡通信原理圖

按照電子線密度的大小，流星余跡可分為欠密類余跡和過密類余跡。電子線密度小于2×1014個(gè)電子/m的是欠密類余跡，大于2×1014個(gè)電子/m的是過密類余跡。但是由于形成余跡的物理現(xiàn)象比較復(fù)雜，流星余跡的電離程度，即自由電子密度分布，是與微粒大小、速度以及周圍的太陽輻射有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)，所以這一數(shù)字不能作為絕對的分界線。在這兩種余跡中，過密類余跡持續(xù)時(shí)間比欠密類余跡長，但是過密類余跡數(shù)量極為有限，因此，我們討論的主要是欠密類余跡。

由于流星余跡隨機(jī)出現(xiàn)、持續(xù)時(shí)間短暫，所以流星余跡通信是一種間歇通信。流星余跡平均發(fā)生間隔依賴于發(fā)射功率、天線的方向性等。流星到達(dá)率隨每天的不同時(shí)刻、每年的不同季節(jié)的變化而改變，流星的周期性活動(dòng)也對其有影響。文獻(xiàn)[1]指出，日變化取決于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，流星數(shù)在早晨7～8點(diǎn)鐘最多，晚上8點(diǎn)前后最少;每天最大到達(dá)率與最小到達(dá)率的平均比率為3～4：1。其原因是凌晨時(shí)分，觀測者的方向與地球運(yùn)動(dòng)方向相同，地球運(yùn)動(dòng)軌道中的流星與地球迎面相遇，其相對運(yùn)動(dòng)速度大，因此可形成的電離余跡較多。而傍晚時(shí)分，觀測者方向與地球運(yùn)動(dòng)方向相反，只能觀測到從地球后面趕上來的流星，其相對速度較低難以形成電離余跡。季節(jié)變化取決于地軸傾斜、公轉(zhuǎn)軌道上的宇宙塵埃分布密度，因此在北半球7～8月份流星數(shù)最多，1～2月份最少（南半球情況正好相反），其典型比率為4：1。據(jù)分析，在北半球7月的早晨比2月的傍晚，通信能力可能相差15倍。這是因?yàn)?～8月份時(shí)，北半球前緣接近垂直于地球運(yùn)動(dòng)方向，南半球前緣傾斜于地球運(yùn)動(dòng)方向，因此，北半球流星到達(dá)率最大，而南半球最小。1～2月份時(shí)，情況正好相反。地軸傾斜度和宇宙塵埃分布密度共同影響流星到達(dá)率的季節(jié)變化，在北半球這兩種作用是彼此加強(qiáng)的，在南半球則是相互抵消的。

3系統(tǒng)性能的幾種改進(jìn)方法

3.1編碼

文獻(xiàn)[2]通過對于恒定SNR模型和時(shí)變SNR模型的分析，發(fā)現(xiàn)使用FEC可以使吞吐量得到明顯提高。對使用（n，k）線性分組碼的系統(tǒng)，吞吐量可以提高25%。但是需要指出的是要想獲得這樣的改善，就必須降低信噪比門限，因此性能的改善受系統(tǒng)所能忍受的SNR門限約束。還需要說明的是，編碼增加了系統(tǒng)開銷，信息包長度的增加會(huì)導(dǎo)致傳送失敗的概率增加，因此在編碼時(shí)也要考慮選擇適當(dāng)長度的信息包。

信號交織也對于改善差錯(cuò)性能有幫助，糾錯(cuò)碼與交織技術(shù)的結(jié)合使用會(huì)對系統(tǒng)性能帶來明顯改善。近幾年興起的低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC， Low Density Parity Check Codes）由于傳信率接近香農(nóng)限，譯碼簡單，易于硬件并行處理等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，被公認(rèn)為是第4代移動(dòng)通信的首選編譯碼技術(shù)，LDPC在MBC中的應(yīng)用的相關(guān)研究也在進(jìn)行當(dāng)中，相信會(huì)對改善流星余跡通信系統(tǒng)性能有所幫助。

3.2自適應(yīng)技術(shù)

由于流星余跡是一條時(shí)變信道，為達(dá)到較高的吞吐量和較低的誤碼率，采用自適應(yīng)技術(shù)無疑是比較好的解決方案。例如，采用自適應(yīng)功率方法，與固定功率方法相比，在傳輸相同的信息量的情況下，可以節(jié)省37%的傳輸功率。自適應(yīng)速率數(shù)據(jù)傳輸與固定速率數(shù)據(jù)傳輸相比，可以有效地提高吞吐量，具體方法包括初始數(shù)據(jù)速率的選擇，數(shù)據(jù)幀長的確定，自適應(yīng)變速準(zhǔn)則的選擇，以及差錯(cuò)控制等方面。在自適應(yīng)技術(shù)中，如何及時(shí)跟蹤信道的變化是對這項(xiàng)技術(shù)的首要要求，其次是針對信道的變化采取何種策略提高系統(tǒng)性能，而這種策略所付出的代價(jià)應(yīng)該是可以承受的。

3.3通信協(xié)議

通信協(xié)議在提高系統(tǒng)性能上起著至關(guān)重要的作用，文獻(xiàn)[3]中對廣播、探測信道以及兩者的結(jié)合這三種協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)分析。對廣播協(xié)議和探測信道協(xié)議的分析表明：

（1）如果是一個(gè)主站對多個(gè)從站廣播，則宜采用廣播協(xié)議。當(dāng)消息或信息包的大小遠(yuǎn)小于余跡平均突發(fā)長度時(shí)，則使用廣播協(xié)議是適當(dāng)?shù)?。廣播協(xié)議的缺點(diǎn)是浪費(fèi)了大量可用的通信時(shí)間。由于當(dāng)主站向大量接收機(jī)同時(shí)廣播時(shí)，每個(gè)接收機(jī)對每個(gè)信息包應(yīng)答是不實(shí)際的，因而不能使用ARQ。

（2）探測信道協(xié)議在利用可發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間上更有效率，在點(diǎn)對點(diǎn)通信中更適用。它與廣播協(xié)議的區(qū)別在于它能夠感知信道的存在，并且它使用了ARQ方案。

（3）當(dāng)消息或信息包的大小是平均突發(fā)長度2倍或3倍時(shí)，ARQ對吞吐量帶來重大提升（也即減小了等待時(shí)間）。

文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)，對于長信息，使用ARQ方案可以帶來重大的性能改善;然而當(dāng)信息長度與平均突發(fā)長度相似時(shí)，使用ARQ方案沒有什么幫助。對于與平均突發(fā)長度相似的信息包長度，研究發(fā)現(xiàn)其感知信道存在的能力使得完成一條信息的所需時(shí)間減少了20%，但是對于更短的信息包長度，并不需要信道探測。

4流星余跡通信的發(fā)展

早在30年代，人們就已經(jīng)知道了流星余跡能反射和散射無線電波。從那時(shí)起，為了對上層大氣及流星進(jìn)行物理研究，宇宙及地球物理學(xué)家就對流星余跡廣泛進(jìn)行了雷達(dá)探測。進(jìn)入50年代，研究人員開始探討利用流星余跡進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的可行性，加拿大的JANET實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得成功，這是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)，兩站相距900km，工作頻率約為40MHz，雙工工作，收發(fā)頻率間隔約1MHz，發(fā)射功率500W，采用五單元八木天線，平均每分鐘傳34個(gè)字。1958年空軍劍橋研究中心首次成功進(jìn)行了機(jī)載流星余跡通信試驗(yàn)，采用18dB菱形天線，工作頻率49.6MHz，發(fā)射功率30kW，試驗(yàn)證明流星余跡通信可用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

60年代，由于計(jì)算機(jī)以及固態(tài)電路技術(shù)還不成熟，以及衛(wèi)星通信等新興通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對流星余跡通信系統(tǒng)的興趣減退了。盡管如此，1965年北約組織還是在荷蘭和法國之間建立世界上第一條流星余跡通信線路，稱為COMET。在70年代隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)和固態(tài)電路技術(shù)的發(fā)展，成本低廉的流星余跡通信系統(tǒng)重新獲得青睞。1975年美國成立了流星通信公司（MCC），并研制開發(fā)出MCC-500系列流星余跡通信設(shè)備。90年代，美國國防部將流星余跡通信列為90年代十大軍事通信系統(tǒng)與計(jì)劃之一，準(zhǔn)備在戰(zhàn)術(shù)層上對其開發(fā)以作為軍隊(duì)“數(shù)字化”戰(zhàn)場的通信手段，使其成為其他類型通信系統(tǒng)的補(bǔ)充和后備手段。美國軍用標(biāo)準(zhǔn)草案MIL-STD-188-135，是流星余跡通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的最早嘗試，當(dāng)時(shí)歐洲還沒有開展相關(guān)工作。美國國防部高級研究計(jì)劃署（ARPA）在1993年開發(fā)的AMBTB，MCC在1992年開發(fā)的HPTL，顯示了MBC在多媒體和車輛追蹤方面的能力。美國國防部2000年5月編寫的《發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)目錄》中，把流星余跡通信與衛(wèi)星中繼、長波通信并列為超視距通信的三大組成部分。2002年由美國NIAC資助的“火星流星余跡通信網(wǎng)”項(xiàng)目，對在火星上進(jìn)行流星余跡通信進(jìn)行了可行性評估，MCC作為商業(yè)陸地MB系統(tǒng)的開發(fā)者和專利持有者成為該研究的技術(shù)伙伴。日本在1991年用50MHz業(yè)余無線電進(jìn)行了預(yù)備實(shí)驗(yàn)。1992年9月2日，日本第一個(gè)供研究的MBC實(shí)驗(yàn)臺創(chuàng)立，稱RANDOM，兩臺直線距離約為750km，頻率48.375MHz，采用最大功率為300W的各種輸出功率進(jìn)行信息傳送實(shí)驗(yàn)。自2001年起，日本福岡大學(xué)與我國西安電子科技大學(xué)合作在南極進(jìn)行極地流星余跡通信試驗(yàn)。

我國很早就開始對流星余跡通信進(jìn)行研究。60年代中期研制出第一套流星余跡設(shè)備，到80年代中期已經(jīng)研制出了A～E型五代設(shè)備。70年代，我國曾用C型和D型設(shè)備相結(jié)合，經(jīng)低空核效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了流星余跡在核爆情況下的快速恢復(fù)能力，取得了珍貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)從事流星余跡研究的主要有西安電子科技大學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)部第54研究所等單位。2001年末到2002年初，西安電子科技大學(xué)派遣一名博士生赴南極參與“中日合作流星余跡極區(qū)通信試驗(yàn)”項(xiàng)目。據(jù)文獻(xiàn)[4]，試驗(yàn)在中山站和日本昭和站之間進(jìn)行，兩站相距1400公里，中山站采用上邊帶調(diào)制，載頻46MHz，單音信號1250Hz，發(fā)射功率115W，用GPS使收發(fā)同步并確保兩站時(shí)差在10s以內(nèi)。該項(xiàng)目是將流星余跡通信應(yīng)用于南極高緯度地區(qū)的首次嘗試，此后該校又連續(xù)兩次派博士生赴南極從事流星余跡通信試驗(yàn)。2003年10月，在第五屆高交會(huì)上，西安電子科技大學(xué)和深圳無線電管理辦公室就“現(xiàn)代物流星余跡通信系統(tǒng)”項(xiàng)目簽約合作。此外，該校近年來研究項(xiàng)目還有“流星余跡最低限度通信瓶頸技術(shù)研究”、十五電子預(yù)研背景課題“流星余跡通信自適應(yīng)數(shù)傳和組網(wǎng)協(xié)議及專用天線技術(shù)”等等。目前該校成功開發(fā)出新一代全雙工流星余跡通信系統(tǒng)。據(jù)文獻(xiàn)[5]，該系統(tǒng)主要由PC機(jī)、通信控制器、收、發(fā)信道機(jī)、螺旋濾波器、功率放大器以及天線等部分組成，在陜西西安至河北霸州之間進(jìn)行的距離850km的遠(yuǎn)距離流星余跡通信線路實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了全雙工流星實(shí)驗(yàn)的有效性和電離層散射通信的可能性。

5流星余跡通信的應(yīng)用

我們可以利用MBC建立成本低廉的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等。

圖2 SCAN系統(tǒng)站點(diǎn)分布圖

數(shù)據(jù)通信方面的應(yīng)用。如美國空軍（U.S.A.F.）阿拉斯加空中指揮系統(tǒng)（AAC）， 該系統(tǒng)包括設(shè)置在遠(yuǎn)距離雷達(dá)站的13個(gè)大功率（10kW）發(fā)射機(jī)，作為衛(wèi)星傳輸雷達(dá)數(shù)據(jù)的后備手段，并成功完成了指揮戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)的通信試驗(yàn)。1983年美國海軍利用流星余跡通信在夏威夷附近成功地向珍珠港指揮中心報(bào)告了自己的位置。

信息收集方面的應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)[6]，1978年美國的MCC與西聯(lián)公司聯(lián)合建立的SNOTEL系統(tǒng)，目前覆蓋阿拉斯加和美國西部12個(gè)州，擁有超過700個(gè)遠(yuǎn)端站，美國政府利用該系統(tǒng)收集水文氣象數(shù)據(jù)。美國1991年開始試驗(yàn)的SCAN系統(tǒng)（見圖2），目前在36個(gè)州擁有90個(gè)站點(diǎn)，主要進(jìn)行氣候、土壤監(jiān)控。2000年9月，美國農(nóng)業(yè)部下屬的NRCS與其他機(jī)構(gòu)合作在Stoneville地區(qū)建立了一個(gè)主站，從1000英里半徑內(nèi)的眾多流星突發(fā)氣象站收集氣象、土壤數(shù)據(jù)。巴基斯坦1997年完成的印度河水流預(yù)測項(xiàng)目，建立了18個(gè)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)收集平臺，數(shù)據(jù)經(jīng)由改進(jìn)的流星余跡通信系統(tǒng)發(fā)送。在我國，位于我國西南部的丹江口水電工程利用流星余跡系統(tǒng)來檢測丹江口水庫在輸送水流時(shí)的水位。這一數(shù)據(jù)用于集水處水池的水資源和洪水預(yù)測。

美國很早就利用流星余跡通信進(jìn)行移動(dòng)物體追蹤。70年代末、80年代初，美國開發(fā)了用于基站與數(shù)萬在美國行駛的卡車之間進(jìn)行移動(dòng)通信的TRANSTRACK系統(tǒng)。1984年，美國SRS公司為美國海防巡邏部門建立了一個(gè)利用流星余跡通信自動(dòng)跟蹤900km以外海上航行船只的系統(tǒng)。

6結(jié)束語

流星余跡通信是利用自然形成的流星余跡進(jìn)行通信的一種通信方式。由于余跡出現(xiàn)的隨機(jī)性，因此它屬于突發(fā)通信，它獨(dú)特的信道特性使其具有抗干擾強(qiáng)、難以截獲、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，適合低數(shù)據(jù)率超視距數(shù)據(jù)通信、信息收集、遠(yuǎn)程跟蹤等用途。為更好的利用流星這一天然“衛(wèi)星”，尚需作大量工作。為提高流星余跡通信的性能，應(yīng)充分利用各專業(yè)領(lǐng)域的研究成果，使之有效地為流星余跡通信服務(wù)，如糾錯(cuò)碼與交織技術(shù)的結(jié)合、擴(kuò)頻技術(shù)、OFDM、LDPC碼等技術(shù)在流星余跡中的應(yīng)用等等。如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃;為避免重復(fù)建設(shè)，保障互聯(lián)互通，如何使流星余跡通信系統(tǒng)與已經(jīng)建成或正在建設(shè)的各種通信系統(tǒng)連接起來，制訂相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，使之構(gòu)成一個(gè)完整的互為依托的體系，也是我們應(yīng)該考慮的問題。

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