【正文】 全雙工流星余跡通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試Implementation and Test for Full Duplex Meteor Burst Communication System題（中、英文）目53 / 64摘要流星余跡通信就是利用流星電離余跡對無線電波的反射和散射作用來進(jìn)行通信，是一種理想的應(yīng)急通信手段。本文選題來源于國家“十一五”重點(diǎn)項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金(60672129)。流星余跡通信作為一種突發(fā)的通信方式，具有抗干擾，不易被截獲，單跳通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。然而，流星余跡通信只有在流星出現(xiàn)，在天線照射區(qū)內(nèi)時才能被利用，并且一個流星余跡的持續(xù)時間非常短，通常在300~500毫秒，因此提高數(shù)據(jù)通過率是流星余跡通信要解決的一個主要問題。由于流星信道中存在多徑干擾，為了提高通信性能，我們給出了基于OFDM傳輸?shù)娜p工流星余跡通信系統(tǒng)。同時考慮到流星余跡的快衰落特性，采用了自適應(yīng)變速率方法。為了降低系統(tǒng)的接收門限，提高信道利用率，提出了一種基于OFDM信號功率檢測的模擬與數(shù)字相結(jié)合的自動增益控制方法。最后，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和野外線路實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果表明，這些技術(shù)有效地提高了數(shù)據(jù)通過率。關(guān)鍵詞：流星余跡通信 OFDM 全雙工 自動增益控制 自適應(yīng)變速AbstractMeteor Burst Communication (MBC) is a perfect emergency munication 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 FiveYear Plan Period, the National Natural Science Foundation of China under Grant No. 60672129.As a kind of burst munication, MBC has such characteristics as antiinterference, 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 300~500ms, consequently, the main problem is to improve the throughput. To mitigate the multipath interference in meteor munication, 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 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 demonstrated by the test results of transmission experiments in laboratory and field.Key words: MBC OFDM Full duplex AGC Adaptive variable rate目錄第一章 概述 1 引言 1 流星余跡的通信機(jī)制及特點(diǎn) 1 流星余跡通信的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 2 本文所做的工作及內(nèi)容安排 5第二章 流星余跡通信的信道及傳輸特性 7 流星的形成和分布 7 流星的形成 7 流星余跡的分類 7 流星余跡的分布 10 流星余跡信道的數(shù)學(xué)模型 12 欠密類余跡的數(shù)學(xué)模型 12 過密類余跡的數(shù)學(xué)模型 14 流星余跡信道的一些重要參數(shù) 15 影響傳輸性能的因素 17 其他傳輸模式 17第三章 流星余跡通信中的關(guān)鍵技術(shù) 19 流星OFDM調(diào)制解調(diào) 19 OFDM基本原理 19 主要參數(shù)選取 20 PAPR的解決 21 自適應(yīng)變速率傳輸 24 自適應(yīng)變速準(zhǔn)則 25 速率的選取與自適應(yīng)變速的方法 26 自適應(yīng)變速和固定速率的性能比較 26 流星快衰落信道下的OFDM信號自動增益控制 29 自動增益控制技術(shù)概述 29 復(fù)合式AGC控制電路結(jié)構(gòu) 29 OFDM信號的AGC控制方法 30第四章 流星余跡通信系統(tǒng)線路測試 35 流星余跡通信系統(tǒng)的組成 35 流星余跡通信系統(tǒng)的組成 35 流星余跡通信系統(tǒng)數(shù)字平臺 36 流星余跡通信系統(tǒng)的主要參數(shù) 38 線路測試環(huán)境 41 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 42 實(shí)際信道的測試結(jié)果 42 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試結(jié)果 43 測試結(jié)果說明與分析 46結(jié)束語 49致謝 51參考文獻(xiàn) 53第一章 概述 引言流星余跡通信作為一種新型的通信手段，適用于小容量且無實(shí)時要求的場合，而不適用于大容量的實(shí)時通信。盡管如此，但是由于流星余跡通信具有其它通信系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此流星余跡通信的應(yīng)用越來越廣泛。尤其是支援短波通信及用作衛(wèi)星通信的替補(bǔ)手段。在可能出現(xiàn)的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，流星余跡通信無疑是在極端惡劣的電磁環(huán)境下的一種最終通信保障。雖然我國開始研究流星突發(fā)通信為時較早，但應(yīng)用極其有限，至今未曾有國產(chǎn)流星余跡通信設(shè)備建成實(shí)用化的通信電路。只是在某些單位引進(jìn)了一些國外的流星余跡通信設(shè)備，應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)。為了消除對國外設(shè)備的依賴性以及國外對我國的技術(shù)封鎖，填補(bǔ)我國通信領(lǐng)域的空白，提供一種在未來通信系統(tǒng)受到物理和電子攻擊時的最低限度的通信保障手段，通過對此項(xiàng)目的研究，攻克流星余跡通信的關(guān)鍵技術(shù)，為下一步實(shí)現(xiàn)流星余跡通信設(shè)備實(shí)用化和國產(chǎn)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。從目前的研究來看，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家正致力于適合流星余跡通信的新技術(shù)、新體制的研究。但研究的最終目的是如何提高數(shù)據(jù)的平均通過量。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)平均通過量是衡量流星余跡通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。在流星余跡通信系統(tǒng)中采用快速自適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、抗多徑干擾的OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)和基于OFDM信號功率檢測的自動增益控制技術(shù)可以有效地提高數(shù)據(jù)的平均通過量，通常比固定速率時的平均通過率提高3～5倍。因此被列為“十一五”重點(diǎn)課題中的關(guān)鍵技術(shù)。 流星余跡的通信機(jī)制及特點(diǎn)流星余跡通信是利用流星電離余跡對無線電波的反射和散射來進(jìn)行通信的。宇宙中一天之內(nèi)大約有顆流星進(jìn)入地球大氣層，當(dāng)它們以每秒10～75千米的速度和大氣劇烈磨擦?xí)r致使其表面的原子氣化并電離，形成一個細(xì)長的圓柱狀的尾跡，稱之為流星余跡。利用這些電離余跡對VHF無線電波的反射和散射作用來通信，這就是流星余跡通信。盡管每天進(jìn)入大氣層的流星數(shù)目是相當(dāng)多的，但只有具有合適的位置，合適的方向的流星才能用于收發(fā)雙方的通信。每個流星電離余跡的壽命極短，一般僅為幾百毫秒到1秒左右[2]。一個用于通信的流星電離余跡消失之后，要等待下一個適用的流星出現(xiàn)（等待時間通常為幾秒鐘至幾分鐘）。顯然，這種通信方式只能是間斷的、突發(fā)的，故也叫做流星突發(fā)通信，即MBC(Meteor Burst Communication)。在使用流星電離余跡來傳播無線電信號時，流星余跡的高度決定了流星余跡通信雙方的距離。 流星余跡通信的機(jī)制流星余跡通信具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)[35]：，單跳跨距可達(dá)2 000公里（電離余跡高度為100公里時），若加中繼，則可通距離更遠(yuǎn)。（與衛(wèi)星通信和短波通信相比），且存在“足跡”和“ 熱點(diǎn)”等特性，因而防截獲、抗干擾能力強(qiáng)，不易遭受非視距干擾。、太陽黑子、極蓋中斷和極光影響小，不會像短波通信那樣長期中斷通信，尤其是核爆時也能進(jìn)行通信，抗毀性強(qiáng)。，其隱蔽性、保密性、抗毀性和頻譜重用性均優(yōu)于其它通信方式。，無需像短波通信那樣要經(jīng)常改變工作頻率才能工作。，自動化程度高，無需頻率配置，因而操作十分方便。，不像衛(wèi)星通信，必須申請使用權(quán)。流星通信系統(tǒng)無需像衛(wèi)星通信那樣要租用轉(zhuǎn)發(fā)器，工作費(fèi)用僅為衛(wèi)星通信的幾分之一，故有“自然衛(wèi)星”之稱。這就為流星通信在民用方向找到了市場。流星余跡通信的主要缺點(diǎn)是通信是間歇性的，數(shù)據(jù)通過率不高。 流星余跡通信的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀早在20世紀(jì)30年代人們就發(fā)現(xiàn)流星進(jìn)入地球大氣層后，由于高速運(yùn)動與大氣產(chǎn)生摩擦，結(jié)果使大氣產(chǎn)生一個很長的電離軌跡，而這一軌跡能反射無線電波。美國的一家長波傳輸局在進(jìn)行電波觀測實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了電波的異常傳送和流星進(jìn)入地球大氣層有關(guān)系。其后出現(xiàn)了一些討論流星通信可能性的論文。1935年。二次世界大戰(zhàn)中，眾多工程人員對流星反射進(jìn)行了諸多研究，但進(jìn)展比較緩慢。直到二戰(zhàn)后無線電技術(shù)擴(kuò)展到VHF、UHF頻段，無線電工作者才對流星散射現(xiàn)象產(chǎn)生了更多興趣。20世紀(jì)50年代到70年代，人們對應(yīng)用流星進(jìn)行通信的可行性進(jìn)行了實(shí)際測試，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流星余跡通信系統(tǒng)開始應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，但是兩次余跡之間的等待時間太長，不適合于現(xiàn)代應(yīng)用。第一個實(shí)用的流星余跡通信系統(tǒng)是20世紀(jì)50年代，加拿大在Toronto和Port Arthur之間建立的JANET系統(tǒng)，JANET系統(tǒng)采用兩個載波形式的全雙工通信方式，通信開始和終止由接收對方的信號強(qiáng)度來決定。收方檢測出高于一定強(qiáng)度的信號時，就認(rèn)為通信開始，數(shù)據(jù)到來，當(dāng)收到的是低于一定強(qiáng)度的信號時，就認(rèn)為通信截至。第二代流星余跡通信系統(tǒng)以美國阿拉斯加的SNOTEL系統(tǒng)為代表[6]，它于70年代末投入使用，由兩個主站及分布在西部11州的540個終端組成，用于收集積雪量等氣象情報。到了九十年代初，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率從2～64Kbps自適應(yīng)變化，天線由單波束熱區(qū)自適應(yīng)天線、Butler_Marix 天線陣發(fā)展到余跡自適應(yīng)天線陣等新技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)性能。用1千瓦發(fā)射功率使平均數(shù)據(jù)通過率提高到100bit/s。根據(jù)1994年報道，美國在Charieston 和Verona 之間建立了一個流星余跡實(shí)驗(yàn)線路(AMBTB)。用10KW的發(fā)射功率和自適應(yīng)天線陣，2～128Kbps 自適應(yīng)變速，消噪技術(shù)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)使平均數(shù)據(jù)通過率達(dá)到4Kbps。在這個速率支持下進(jìn)行了多媒體通信試驗(yàn)，業(yè)務(wù)包括“閑談”方式文本信息、相互交談話音、圖像、慢掃描電視等，并在車輛和艦船上安裝了高增益移動天線，實(shí)現(xiàn)了移動流星余跡通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也由高性能的鏈路協(xié)議發(fā)展為柵格網(wǎng)和由多個星型網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成的交互式網(wǎng)絡(luò)。這些被稱為第三代流星通信系統(tǒng)，現(xiàn)在正處在研制階段。近年來，國外流星余跡通信技術(shù)和發(fā)展主要具有以下幾個特點(diǎn)：1． 設(shè)備趨于小型化和機(jī)動化由于新一代流星余跡設(shè)備采用了許多大規(guī)模集成電路和固態(tài)功率放大器，使其設(shè)備體積、重量和功耗大大減小。到90年代初，國外已實(shí)現(xiàn)1KW固態(tài)功率發(fā)射，一個全雙工主站重量僅為180kg左右，體積為2258（英寸），從站重量僅為10kg左右，體積僅像一臺14英寸彩電一樣大小，只要配上終端及一副天線，即可與主站在2 000km（最佳范圍為600～800km）內(nèi)進(jìn)行通信。隨著設(shè)備的不斷小型化，使其具備了更好的機(jī)動性和靈活性。國外已有許多利用流星余跡突發(fā)特性解決移動平臺（如車、船及飛機(jī)）的數(shù)據(jù)通信實(shí)例?？梢灶A(yù)料，新一代移動式或背負(fù)式流星余跡通信設(shè)備必將產(chǎn)生，并將在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域方面發(fā)揮更大作用。2． 采用新技術(shù)，提高自動化和抗干擾能力目前，流星余跡通信設(shè)備由于采用了新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及前向糾錯、自適應(yīng)、噪聲消隱和頻率合成等技術(shù)，使流星余跡通信設(shè)備的功能、操作、檢測能力及抗干擾能力更加完善和提高。新一代流星余跡通信設(shè)備已從過去單一工作頻率和單一數(shù)據(jù)率發(fā)展成為：在36～76MHz頻率范圍內(nèi)連續(xù)可跳，自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率為2～64Kbit/s，每份報文信息長度為1 250～8 000字符，并可進(jìn)行系統(tǒng)自動診斷以及信道自動監(jiān)視，使其自動化程度提高，操作更為簡單方便。3． 組網(wǎng)能力大大加強(qiáng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及控制軟件和組網(wǎng)協(xié)議的不斷改進(jìn)，已使流星余跡通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從過去的星形網(wǎng)，發(fā)展成為可支持254個主站和最多3825個從站的柵格狀的通信網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)具有優(yōu)先級多址信息管理、信息段保護(hù)、信息自動銜接與應(yīng)答、自適應(yīng)信息流量控制、迂回可變路由選擇、加密傳輸?shù)?。由于新型柵格網(wǎng)絡(luò)使柵格冗余連接、迂回路由和多路由通道，可使網(wǎng)絡(luò)迅速配置、從站多方入網(wǎng)，從而使流星余跡通信網(wǎng)的抗毀性、靈活性和隱蔽性大大提高。4． 系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)充，可提供多種傳輸業(yè)務(wù)目前，流星余跡通信設(shè)備大多用于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳輸。其中數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)已廣泛用于遙測、水文、環(huán)境監(jiān)視、供水系統(tǒng)、海洋觀測以及艦船或車體跟蹤等。此外，由于傳輸系