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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星余迹
2、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AbstractMeteor Burst Communication (MBC) is a perfect emergency communication metho
3、d, 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 No. 60672129.
4、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 300500ms, conseq
5、uently, 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 trails, an ada
6、ptive 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 demonstrated by the te
7、st results of transmission experiments in laboratory and field.Key words: MBC OFDM Full duplex AGC Adaptive variable rate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 欠密类余迹的数学模型122.2.2 过密类余迹
8、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30第四章流星余迹通信系统线路测
9、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51参考文献53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。尤其是支援短波通信及用作卫星通信的替补手段。在可能出现的现代战
10、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技术、新体制的研究。但研究的最终目的是如何提高数
11、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，形成一个细长的圆柱状的尾迹，称之为流星余迹。利用这些电离余迹对VH
12、F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1.1 流星余迹通信的机制流星余迹通信具有以下显著
13、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、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，因而操作十分方便。7.有较大的自主权，不像卫星通信，必须申请使用权
14、。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年，Skellet.A.M正确揭示了流星余迹通信的机理
15、。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
