【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式(212)l ：發(fā)送端到流星余跡平面切點(diǎn)P之間距離,單位km 式(213)l ：接收端到流星余跡平面切點(diǎn)P之間距離，單位km 式(214)l ：余跡電場(chǎng)矢量和平面之間夾角 過(guò)密類余跡的數(shù)學(xué)模型，過(guò)密類余跡的接收信號(hào)功率不是指數(shù)衰減的形式，不符合欠密類接收功率電平公式，對(duì)于過(guò)密類余跡，Hines和Forsythe也提出了接收信號(hào)功率的數(shù)學(xué)模型[12]，當(dāng)電子線密度在時(shí)： 式(215)其中，過(guò)密類余跡的初始接收信號(hào)功率為： 式(216)當(dāng)電子線密度大于時(shí)，其數(shù)學(xué)模型為： 式(217)過(guò)密類余跡的接收功率水平的數(shù)學(xué)模型中用到的所有參數(shù)與欠密類余跡中的參數(shù)相同，在此不再說(shuō)明。 流星余跡信道的一些重要參數(shù)流星余跡信道具有突發(fā)和快衰落等特性，這是因?yàn)榱餍怯噗E無(wú)線通信系統(tǒng)以離子化流星余跡為媒介進(jìn)行信息傳輸。流星余跡信道的物理特性決定了流星余跡通信系統(tǒng)的信號(hào)傳播特性，信號(hào)傳輸?shù)纳嬷芷诙?，等待時(shí)間長(zhǎng)，所以吞吐量相對(duì)較低。天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流星余跡形成方位角、流星余跡電子線密度、發(fā)送頻率等因素都會(huì)對(duì)流星余跡通信產(chǎn)生重要影響。然而，流星余跡通信系統(tǒng)填補(bǔ)了通信領(lǐng)域的一個(gè)空缺，它具備其它超視距系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如對(duì)大氣擾動(dòng)和干擾不敏感、開銷低和抗毀性強(qiáng)。因此，掌握流星余跡的信道特性對(duì)于設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)和做好一個(gè)通信協(xié)議尤為重要。無(wú)論是欠密類還是過(guò)密類余跡類型的流星余跡，它們的數(shù)學(xué)模型含有許多參數(shù)，這些參數(shù)也就是影響流星余跡通信的參數(shù)，現(xiàn)在我們對(duì)主要的參數(shù)進(jìn)行介紹。1. 工作頻率頻率的選擇對(duì)于流星余跡通信系統(tǒng)是十分重要的。流星余跡通信使用的頻率在VHF 波段中的30～50MHz之間。如果頻率選擇的太低，電離層中的D層會(huì)吸收大量的信號(hào)功率，且宇宙噪聲和人為噪聲隨著頻率的降低而增加，這會(huì)嚴(yán)重影響本來(lái)接收信號(hào)就很弱的流星通信系統(tǒng)的性能，同時(shí)，天線的尺寸和造價(jià)也會(huì)隨著頻率的降低而增加。另外，由于流星余跡本身的特點(diǎn)，使得接收信號(hào)的峰值功率Pr和工作頻率f的3次方成反比，即，且平均突發(fā)的時(shí)間長(zhǎng)度和頻率的二次方成反比，即，這些都限制了工作頻率的升高。在綜合的考慮了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等多種因素下，大多數(shù)流星余跡通信系統(tǒng)都采用30～50MHz之間的某個(gè)頻率作為工作頻率。2. 平均余跡可用時(shí)間流星余跡反射波的平均可用時(shí)間是多個(gè)變參的函數(shù)（包括工作頻率在內(nèi)）,與工作頻率的關(guān)系為： 式(218)顯然，我們期望持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的余跡，這樣在持續(xù)時(shí)間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。通過(guò)上面的關(guān)系還可以看出降低工作頻率能夠延長(zhǎng)平均余跡可用時(shí)間，典型余跡可用時(shí)間為幾十毫秒到幾百毫秒。單個(gè)余跡的持續(xù)時(shí)間并不能完全決定可用時(shí)間，因?yàn)殡S著回波信號(hào)的衰落，增大發(fā)射功率或提高接收機(jī)靈敏度同樣能夠延長(zhǎng)余跡的可用時(shí)間。3. 等待時(shí)間兩次可用余跡之間的等待時(shí)間是流星余跡通信系統(tǒng)的一個(gè)很重要的參數(shù)[13]，它說(shuō)明了平均等待多長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)行新一次的信息傳輸。等待時(shí)間與工作頻率成反比，典型等待時(shí)間為幾秒到幾分鐘。4. 回波峰值電平峰值回波電平反映了接收到的流星余跡反射波峰值功率的大小,它是發(fā)送功率、路徑傳播損耗、余跡反射損耗的函數(shù)。峰值功率與載波頻率的關(guān)系為： 式(219)5. 占空比占空比在描述及比較流星余跡鏈路時(shí)是非常有用的,它表明了流星余跡鏈路實(shí)際通信傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間所占的百分比： 式(220)與工作頻率的關(guān)系為： 式(221)6. 平均數(shù)據(jù)通過(guò)率流星余跡通信最大的特點(diǎn)就是它的突發(fā)性。由于流星間歇性的到達(dá)，使得必須要采用突發(fā)的通信方式，即在余跡較強(qiáng)時(shí)，以較高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)余跡消失時(shí)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，衡量這種系統(tǒng)的性能時(shí)，就不能單純看最高的發(fā)送速率，而采用所謂的平均數(shù)據(jù)通過(guò)率描述系統(tǒng)的性能。 式(222)7. 流星余跡發(fā)射和反射距離發(fā)射距離指的是從發(fā)送站到反射余跡之間的距離，反射距離指的是從反射余跡到接收站之間的距離，一般認(rèn)為兩者相等。它們與兩基站之間的距離l，地球半徑，余跡出現(xiàn)高度h有關(guān)，其關(guān)系式為： 式(223)由于余跡出現(xiàn)高度只與發(fā)射頻率f有關(guān)，所以發(fā)射距離與接收距離只受兩基站之間的距離l，地球半徑和發(fā)射頻率f的影響。 影響傳輸性能的因素1. 電離層對(duì)流星余跡通信的影響電離層會(huì)對(duì)30～80MHz流星突發(fā)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響。在太陽(yáng)活動(dòng)劇烈的年份，電離層的最高可用頻率可達(dá)50MHz。這時(shí)，流星突發(fā)信號(hào)就可能從電離層反射或散射到地面。另外，常在夏季不斷出現(xiàn)的電離層E層，由于電子密度較高及其不均勻性，流星余跡經(jīng)過(guò)E層的反射或散射到達(dá)接收點(diǎn)的強(qiáng)度往往會(huì)很強(qiáng)，甚至可以連續(xù)高速地傳輸信息。當(dāng)通過(guò)電離層散射的信號(hào)強(qiáng)度和流星余跡信號(hào)強(qiáng)度可相比擬時(shí)，會(huì)造成多徑干擾。而且，電離層的不穩(wěn)定性也會(huì)引起信號(hào)幅度嚴(yán)重衰落和多普勒頻移[14]。2. 流星余跡反射信道的偏路徑效應(yīng)對(duì)于指定的通信路徑來(lái)說(shuō)，并不是任何余跡都能把足夠強(qiáng)的信號(hào)反射到接收點(diǎn)。能反射足夠強(qiáng)信號(hào)的余跡必須滿足以下條件：必須在收發(fā)天線的共同照射區(qū)內(nèi)形成；必須有足夠的電子密度；必須有合適的取向，滿足鏡面反射條件。當(dāng)流星余跡出現(xiàn)在收發(fā)兩點(diǎn)的大圓路徑上空時(shí)，為滿足入射角等于反射角的條件，余跡必須與地面平行。但出現(xiàn)這種余跡的可能性很小，大量流星是傾斜于地面的。不過(guò)在大圓路徑兩側(cè)的許多余跡可以滿足鏡面反射條件。單個(gè)余跡尤其是過(guò)密余跡，受高空風(fēng)剪切畸變后會(huì)引起信號(hào)散射；另外，同一照射區(qū)內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)以上可用余跡時(shí)會(huì)引起多徑干擾，同時(shí)還會(huì)引起快衰落。3. 流星余跡通信線路上的噪聲與干擾在流星余跡通信頻段中存在宇宙噪聲、大氣噪聲、環(huán)境噪聲等外部噪聲以及其它干擾。與外部噪聲相比，流星余跡通信系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲要弱得多。宇宙噪聲的大小是工作頻率的函數(shù)，頻率越高，宇宙噪聲越小。它還和接收點(diǎn)的位置、工作時(shí)間及天線走向有關(guān)。大氣噪聲表現(xiàn)為喀嚦聲和破碎聲，它主要來(lái)源于雷電。這種噪聲隨工作頻率的升高而迅速減少，在流星余跡通信頻段內(nèi)，它是一種次要的因素。環(huán)境噪聲是流星余跡通信系統(tǒng)的主要噪聲來(lái)源。其電平和接收點(diǎn)所處的地理環(huán)境有很大關(guān)系，并隨工作頻率的升高而下降。 其他傳輸模式我們之所以討論其它不同傳輸模式，是因?yàn)樗鼈儠?huì)影響流星余跡信號(hào)。由于流星余跡信號(hào)畢竟也是VHF無(wú)線電信號(hào)，因此可以通過(guò)其它能傳輸VHF信號(hào)的機(jī)制來(lái)傳輸流星余跡信號(hào)。在設(shè)計(jì)流星余跡系統(tǒng)時(shí)我們所考慮的一個(gè)重要因素就是各種傳輸模式的潛力。這些傳輸模式或者有利或者有害，例如一個(gè)相對(duì)短距離的流星余跡系統(tǒng)，它可能具備某些邊界性能，從而可以擴(kuò)展到無(wú)線視距傳輸中；為了避免截獲和干擾，一個(gè)依賴于流星余跡有限“足跡”的系統(tǒng)可以由其它傳輸模式來(lái)承載。弄清楚這些傳輸模式對(duì)于評(píng)估它們對(duì)流星余跡系統(tǒng)影響的可能性尤為重要。電離層會(huì)對(duì)30～80MHz流星突發(fā)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響。在太陽(yáng)活動(dòng)劇烈的年份，電離層的最高可用頻率可達(dá)50MHz。這時(shí)，流星突發(fā)信號(hào)就可能從電離層反射或散射到地面。當(dāng)通過(guò)電離層散射的信號(hào)強(qiáng)度和流星余跡信號(hào)強(qiáng)度可相比擬時(shí)，會(huì)造成多徑干擾。而且，電離層的不穩(wěn)定性也會(huì)引起信號(hào)幅度嚴(yán)重衰落和多普勒頻移。電離層偶發(fā)E層簡(jiǎn)稱Es層[15]，也會(huì)對(duì)流星突發(fā)信號(hào)產(chǎn)生較大的影響。它是電離層E層內(nèi)不規(guī)則的電離密集薄層，電子密度往往超出鄰近區(qū)域電離度的一倍或更多，密度梯度陡峭。它位于電離層E層下半部，離地面高度一般為95～130公里（多出現(xiàn)于100～120公里間），同正常E層峰值高度相差5～10公里?！?公里，多為1公里左右。Es層覆蓋數(shù)十公里至數(shù)百公里區(qū)域，最多可達(dá)2 000公里。Es層的出現(xiàn)有突然性，形成時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間不易預(yù)料，一般維持?jǐn)?shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)。Es層的出現(xiàn)可引起30～100兆赫無(wú)線電波的反射和前向散射，其中以50兆赫波段的散射效應(yīng)最強(qiáng)。Es層上反射和前向散射測(cè)試結(jié)果表明，與一般電離層傳播相比，其超短波散射信號(hào)增強(qiáng)60分貝左右，因此，流星余跡經(jīng)過(guò)Es層的反射或散射到達(dá)接收點(diǎn)的強(qiáng)度往往會(huì)很強(qiáng)，甚至可以連續(xù)高速地傳輸信息。第三章 流星余跡通信中的關(guān)鍵技術(shù) 流星OFDM調(diào)制解調(diào) OFDM基本原理OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)采用離散傅立葉變換DFTIDFT或快傅立葉變換FFTIFFT現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的子載波進(jìn)行正交調(diào)制的并行傳輸方式[16]。 OFDM實(shí)現(xiàn)原理圖基于OFDM技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)具有許多其它技術(shù)所無(wú)法超越的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[17]：(1) 抗衰落能力強(qiáng)：可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)楫?dāng)信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)只有落在頻帶凹陷處的子載波及其攜帶的信息受到影響，而其它子載波不會(huì)受到干擾，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多；另外，還可以通過(guò)各子載波的信源信道聯(lián)合編碼使得系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提高；對(duì)于多用戶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)用戶不適用的子信道對(duì)其他用戶來(lái)說(shuō)可能是性能比較好的子信道，因此除非一個(gè)子信道對(duì)所有用戶來(lái)說(shuō)都不適用，該子信道才會(huì)被關(guān)閉，但發(fā)生這種情況的概率非常小。(2) 頻譜利用率高：傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法中，將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來(lái)傳輸并行的數(shù)據(jù)流，在接收端用一組濾波器來(lái)分離各個(gè)子信道，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接、缺點(diǎn)是頻譜的利用率低，子信道之間要留有足夠的保護(hù)頻帶，而且多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)也有不少困難，而OFDM 技術(shù)基本思路就是利用多個(gè)子載波的頻譜相互重疊的頻分復(fù)用子信道并行地傳輸數(shù)據(jù)，由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。 OFDM信號(hào)與FDM信號(hào)的頻譜比較(3) 因?yàn)檎瓗Ц蓴_只能影響一小部分的子載波，因此OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。同時(shí)，由于OFDM每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散對(duì)系統(tǒng)造成的影響。而且，一般采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可以避免由多徑帶來(lái)的信道間干擾(ICI)。并且各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅里葉變換(IFFT/FFT)來(lái)很方便的實(shí)現(xiàn)，這使得OFDM近年來(lái)在高速無(wú)線通信中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 主要參數(shù)選取(1) 符號(hào)周期符號(hào)周期的大小影響著載波間距以及編碼調(diào)制遲延時(shí)間，符號(hào)周期越大，載波間距越小，編碼調(diào)制時(shí)延越大。若信號(hào)星座固定，則符號(hào)周期越長(zhǎng)，抗干擾能力越強(qiáng)。在流星余跡通信中，由于一次通信時(shí)間很短，為達(dá)到快速同步及數(shù)據(jù)傳輸，顯然符號(hào)周期不能過(guò)長(zhǎng)，如通常一個(gè)流星余跡的可用時(shí)間是幾百毫秒，在設(shè)計(jì)中OFDM的一個(gè)符號(hào)周期可取1ms左右。(2) 子載波數(shù)量需根據(jù)信號(hào)帶寬、數(shù)據(jù)速率以及符號(hào)周期來(lái)確定。載波間距Δf是符號(hào)周期的倒數(shù)（忽略保護(hù)間隔），即。子載波的個(gè)數(shù)N，此時(shí)信號(hào)帶寬為，同時(shí)載波數(shù)量的選擇應(yīng)適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的要求。(3) 調(diào)制方式需根據(jù)功率及頻譜利用率的要求來(lái)選取。在流星余跡通信中可采用MPSK，MQAM的調(diào)制方式。矩形QAM信號(hào)星座具有容易產(chǎn)生的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在兩個(gè)相位正交的子載波上施加兩個(gè)PAM信號(hào)來(lái)產(chǎn)生。此外，他們也相對(duì)容易解調(diào)。矩形QAM座包括4QAM，16QAM以及64QAM等，因此每個(gè)星座點(diǎn)分別所對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)量為(2，4，6)。采用這種調(diào)制方法的步長(zhǎng)必須為2，而利用MPSK則可傳輸任意比特?cái)?shù)量如(1，2，3)，分別對(duì)應(yīng)BPSK，QPSK及8PSK。并且MPSK調(diào)制的另一個(gè)好處就是該調(diào)制方法是等能量調(diào)制，不會(huì)由于星座點(diǎn)的能量不等而為OFDM系統(tǒng)帶來(lái)峰平比(PAPR)較大的問(wèn)題，因此我們選用PSK的調(diào)制方式。每個(gè)子信道可采用不同的調(diào)制方式，選擇時(shí)需兼顧數(shù)據(jù)速率、頻譜效率以及傳輸?shù)目煽啃裕灶l譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。采用自適應(yīng)變速率傳輸技術(shù)，特性較好的子信道可采用效率較高的調(diào)制方式，而衰落較大的子信道選用低效方式，選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式可以獲得最大頻譜效率。 PAPR的解決由于OFDM信號(hào)是有一系列獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的,這樣的合成信號(hào)就很有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率(Peak Power)，由此很容易造成較大的峰值平均功率比(PeaktoAverage Power Ratio)，簡(jiǎn)稱峰均比稱(PAPR)[18]。可定義為： 式(31)其中表示經(jīng)過(guò)IFFT運(yùn)算之后所得到的輸出信號(hào)，即。高PAPR問(wèn)題一直是OFDM技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題所在，也是OFDM技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕系K。相對(duì)單載波系統(tǒng)，較高的PAPR使得OFDM發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的瞬時(shí)幅值有較大波動(dòng)，這樣對(duì)系統(tǒng)的一些部件，如功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等要具有較大的線性動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)槿魏畏蔷€性的RF放大都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生互調(diào)成分，從而影響鄰近帶寬的信號(hào)和系統(tǒng)的性能。同時(shí)，這些硬件的非線性特性反過(guò)來(lái)又對(duì)這些幅度波動(dòng)范圍較大的信號(hào)產(chǎn)生非線性的交調(diào)失真(InterModulation Distortion. IMD)，同時(shí)其產(chǎn)生的諧波也會(huì)造成子載波信道間的相互干擾，從而大幅度降低OFDM系統(tǒng)的性能。 降低峰均比技術(shù)分類為了提高傳輸效率和系統(tǒng)性能，在發(fā)送端必須考慮到信號(hào)的峰值和均值因子。若將功放輸入信號(hào)的最大幅度控制在功放的線性范圍內(nèi)，則對(duì)于輸入信號(hào)的平均幅度，功放級(jí)就不能輸出較高功率，這對(duì)傳輸是非常不利的。因此，降低峰均比對(duì)提高OFDM系統(tǒng)的傳輸性能來(lái)說(shuō)顯得特別重要。目前，降低OFDM信號(hào)PAPR的方法很多，大體可以分為三大類：信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)[19]。(1) 信號(hào)畸變技術(shù)：是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性畸變來(lái)消除大峰值功率的信號(hào)。壓擴(kuò)算法是一種比較典型的信號(hào)畸變的方法。在這種方法