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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）目摘要流星余迹迹通信就就是利用用流星电电离余迹迹对无线线电波的的反射和和散射作作用来进进行通信信，是一一种理想想的应急急通信手手段。本本文选题题来源于于国家“十十一五”重重点项目目，国家家自然科科学基金金(60067221299)。流星余迹迹通信作作为一种种突发的的通信方方式，具具有抗干干扰，不不易被截截获，单单跳通信信距离远远等特点点。然而而，流星星余迹通通信只有有在流星星出现，在在天线照照射区内内时
2、才能能被利用用，并且且一个流流星余迹迹的持续续时间非非常短，通通常在33005000毫秒，因因此提高高数据通通过率是是流星余余迹通信信要解决决的一个个主要问问题。由由于流星星信道中中存在多多径干扰扰，为了了提高通通信性能能，我们们给出了了基于OOFDMM传输的的全双工工流星余余迹通信信系统。同同时考虑虑到流星星余迹的的快衰落落特性，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：流星余余迹通信信 OOFDMM 全全双工
3、自动动增益控控制自适适应变速速AbsttracctMeteeor Burrst Commmunnicaatioon(MBCC) iis aa peerfeect emeergeencyy coommuuniccatiion metthodd,whhichh usses refflecctioon aand dissperrsioon oof rradiio wwavee too thhe mmeteeor ionnizaatioon ttraiils. Thhis worrk wwas suppporrtedd inn paart by a ggrannt ffromm thhe KKey P
4、roograams of thee ChhineeseAAcaddemyy off Sccienncess duurinng tthe 11tth FFivee-Yeear Plaan PPeriiod, thhe NNatiionaal NNatuurall Scciennce Fouundaatioon oof CChinna uundeer GGrannt NNo. 6066721129.As aa kiind of burrst commmunnicaatioon, MBCC haas ssuchh chharaacteerissticcs aas aantii-innterrferr
5、encce, low probbabiilitty oof iinteerceeptiion, loong rannge forr onne hhop.Howeeverr, MMBC cann bee ussed onlly wwhenn meeteoor aappeearss inn thhe iirraadiaatioon aareaa off anntennna. The durratiion of metteorr buurstt trraills iis vveryy shhortt abboutt 30005500mms, connseqquenntlyy, tthe maiin
6、pprobblemm iss too immproove thee thhrouughpput.To mittigaate thee muultii-paath intterffereencee inn meeteoor ccommmuniicattionn, ffulll duupleex MMBC sysstemm baasedd onn OFFDM is preesenntedd, wwhicch ccan impprovve tthe effficiienccy oofthhe ttrannsmiissiion. Inn adddittionn,duue tto tthe fasst
7、ffadiing prooperrty of metteorr buurstt trraills,aan aadapptivve vvariiablle rratee scchemme iis ppropposeed.Theen aa diigittal inttegrrateed wwithh annaloog AAGC schhemee baasedd onn poowerr deetecctioon iin OOFDMMsiggnalls iis pput forrwarrd ttoreeducce tthe thrreshholdd leevell off syysteem aand
8、impprovve tthe utiilizzatiion of thee chhannnel. Fiinallly, thhe eeffiicieencyy off thhesee teechnnoloogiees iis ddemoonsttratted by thee teest ressultts oof ttrannsmiissiion expperiimennts in labboraatorry aand fieeld.Keywwordds: MBBCOFFDMFFulll duupleex AGGCAddapttivee vaariaableeratte目录第一章概概述11.1
9、引引言11.2流流星余迹迹的通信信机制及及特点111.3流流星余迹迹通信的的发展历历史和现现状21.4本本文所做做的工作作及内容容安排55第二章流流星余迹迹通信的的信道及及传输特特性72.1流流星的形形成和分分布72.1.1 流星的的形成772.1.2 流星余余迹的分分类72.1.3 流星余余迹的分分布1002.2流流星余迹迹信道的的数学模模型1222.2.1 欠密类类余迹的的数学模模型1222.2.2 过密类类余迹的的数学模模型1442.3流流星余迹迹信道的的一些重重要参数数152.4影影响传输输性能的的因素1172.5其其他传输输模式117第三章流流星余迹迹通信中中的关键键技术1193.1
10、流流星OFFDM调调制解调调193.1.1 OFDDM基本本原理1193.1.2 主要参参数选取取203.1.3 PAPPR的解解决2113.2自自适应变变速率传传输2443.2.1 自适应应变速准准则2553.2.2 速率的的选取与与自适应应变速的的方法2263.2.3 自适应应变速和和固定速速率的性性能比较较263.3流流星快衰衰落信道道下的OOFDMM信号自自动增益益控制2293.3.1 自动增增益控制制技术概概述2993.3.2 复合式式AGC控制电电路结构构293.3.3 OFDDM信号号的AGGC控制制方法330第四章流流星余迹迹通信系系统线路路测试3354.1流流星余迹迹通信系系
11、统的组组成3554.1.1 流星余余迹通信信系统的的组成3354.1.2 流星余余迹通信信系统数数字平台台364.2流流星余迹迹通信系系统的主主要参数数384.3线线路测试试环境4414.4实实验结果果424.4.1 实际信信道的测测试结果果424.4.2 数据传传输的测测试结果果434.4.3 测试结结果说明明与分析析46结束语449致谢511参考文献献53第一章 概述1.1 引言流星余迹迹通信作作为一种种新型的的通信手手段，适适用于小小容量且且无实时时要求的的场合，而而不适用用于大容容量的实实时通信信。尽管管如此，但但是由于于流星余余迹通信信具有其其它通信信系统无无法比拟拟的优点点，因此此
12、流星余余迹通信信的应用越越来越广广泛。尤尤其是支支援短波波通信及及用作卫卫星通信信的替补补手段。在在可能出出现的现现代战争争中，流流星余迹迹通信无无疑是在在极端恶恶劣的电电磁环境境下的一一种最终终通信保保障。虽然我国国开始研研究流星星突发通通信为时时较早，但但应用极极其有限限，至今今未曾有有国产流流星余迹迹通信设设备建成成实用化化的通信信电路。只只是在某某些单位位引进了了一些国国外的流流星余迹迹通信设设备，应应用于边边远地区区。为了了消除对对国外设设备的依依赖性以以及国外外对我国国的技术术封锁，填填补我国国通信领领域的空空白，提提供一种种在未来来通信系系统受到到物理和和电子攻攻击时的的最低限限
13、度的通通信保障障手段，通通过对此此项目的的研究，攻攻克流星星余迹通通信的关关键技术术，为下下一步实实现流星星余迹通通信设备备实用化化和国产产化打下下坚实的的基础1。从目前的的研究来来看，世世界各工工业发达达国家正正致力于于适合流流星余迹迹通信的的新技术术、新体体制的研研究。但但研究的的最终目目的是如如何提高高数据的的平均通通过量。这这是因为为数据平平均通过过量是衡衡量流星星余迹通通信系统统性能的的重要指指标之一一。在流流星余迹迹通信系系统中采采用快速速自适应应高速数数据传输输技术、抗抗多径干干扰的OOFDMM调制解解调技术术和基于于OFDDM信号号功率检检测的自自动增益益控制技技术可以以有效地
14、地提高数数据的平平均通过过量，通通常比固固定速率率时的平平均通过过率提高高35倍。因因此被列列为“十一五五”重点课课题中的的关键技技术。1.2 流星余迹迹的通信信机制及及特点流星余迹迹通信是是利用流流星电离离余迹对对无线电电波的反反射和散散射来进进行通信信的。宇宇宙中一一天之内内大约有有颗流星进进入地球球大气层层，当它它们以每每秒100755千米的的速度和和大气剧剧烈磨擦擦时致使使其表面面的原子子气化并并电离，形形成一个个细长的的圆柱状状的尾迹迹，称之之为流星星余迹。利利用这些些电离余余迹对VVHF无无线电波波的反射射和散射射作用来来通信，这这就是流流星余迹迹通信。尽尽管每天天进入大大气层的的
15、流星数数目是相相当多的的，但只只有具有有合适的的位置，合合适的方方向的流流星才能能用于收收发双方方的通信信。每个个流星电电离余迹迹的寿命命极短，一一般仅为为几百毫毫秒到11秒左右右2。一个个用于通通信的流流星电离离余迹消消失之后后，要等等待下一一个适用用的流星星出现（等等待时间间通常为为几秒钟钟至几分分钟）。显显然，这这种通信信方式只只能是间间断的、突突发的，故故也叫做做流星突突发通信信，即MMBC(Metteorr Buurstt Coommuuniccatiion)。在使用流流星电离离余迹来来传播无无线电信信号时，流流星余迹迹的高度度决定了了流星余余迹通信信双方的的距离，这这一情形形可由图
16、图1.11来表述述。图1.11 流流星余迹迹通信的的机制流星余迹迹通信具具有以下下显著优优点33-5：1.通信信距离远远，单跳跳跨距可可达20000公公里（电电离余迹迹高度为为1000公里时时），若若加中继继，则可可通距离离更远。2.由于于电波方方向性强强（与卫卫星通信信和短波波通信相相比），且且存在“足迹”和“ 热点点”等特性性，因而而防截获获、抗干干扰能力力强，不不易遭受受非视距距干扰。3.受核核爆炸、太太阳黑子子、极盖盖中断和和极光影影响小，不不会像短短波通信信那样长长期中断断通信，尤尤其是核核爆时也也能进行行通信，抗抗毁性强强。4.由于于接收信信号区域域小，其其隐蔽性性、保密密性、抗抗
17、毁性和和频谱重重用性均均优于其其它通信信方式。5.可靠靠性高，无无需像短短波通信信那样要要经常改改变工作作频率才才能工作作。6.设备备简单，自自动化程程度高，无无需频率率配置，因因而操作作十分方方便。7.有较较大的自自主权，不不像卫星星通信，必必须申请请使用权权。8.一次次性投资资和运营营费用均均低于卫卫星通信信。流星星通信系系统无需需像卫星星通信那那样要租租用转发发器，工工作费用用仅为卫卫星通信信的几分分之一，故故有“自然卫卫星”之称。这这就为流流星通信信在民用用方向找找到了市市场。流星余迹迹通信的的主要缺缺点是通通信是间间歇性的的，数据据通过率率不高。1.3 流星余迹迹通信的的发展历历史和
18、现现状早在200世纪330年代代人们就就发现流流星进入入地球大大气层后后，由于于高速运运动与大大气产生摩摩擦，结结果使大大气产生生一个很很长的电电离轨迹迹，而这这一轨迹迹能反射射无线电电波。美美国的一一家长波波传输局局在进行行电波观观测实验验时，发发现了电电波的异异常传送送和流星星进入地地球大气气层有关关系。其其后出现现了一些些讨论流流星通信信可能性性的论文文。19935年年，Skkelllet.A.MM正确揭揭示了流流星余迹迹通信的的机理。二二次世界界大战中中，众多多工程人人员对流流星反射射进行了了诸多研研究，但但进展比比较缓慢慢。直到二战战后无线线电技术术扩展到到VHFF、UHHF频段段，
19、无线线电工作作者才对对流星散散射现象象产生了了更多兴兴趣。220世纪纪50年年代到770年代代，人们们对应用用流星进进行通信信的可行行性进行行了实际际测试，随随着半导导体技术术和微型型计算机机技术的的发展，流流星余迹迹通信系系统开始始应用在在低速数数据系统统中，但但是两次次余迹之之间的等等待时间间太长，不不适合于于现代应应用。第一个实实用的流流星余迹迹通信系系统是220世纪纪50年年代，加加拿大在在Torrontto和PPortt Arrthuur之间间建立的的JANNET系系统，JJANEET系统统采用两两个载波波形式的的全双工工通信方方式，通通信开始始和终止止由接收收对方的的信号强强度来决
20、决定。收收方检测测出高于于一定强强度的信信号时，就就认为通通信开始始，数据据到来，当当收到的的是低于于一定强强度的信信号时，就就认为通通信截至至。第二二代流星星余迹通通信系统统以美国国阿拉斯斯加的SSNOTTEL系系统为代代表6，它于于70年年代末投投入使用用，由两两个主站站及分布布在西部部11州州的5440个终终端组成成，用于于收集积积雪量等等气象情情报。到了九十十年代初初，出现现了数据据传输速速率从2264KKbpss自适应应变化，天天线由单单波束热热区自适适应天线线、Buutleer_MMariix 天天线阵发发展到余余迹自适适应天线线阵等新新技术，大大大提高高了系统统性能。用用1千瓦瓦
21、发射功功率使平平均数据据通过率率提高到到1000bitt/s。根根据19994年年报道，美美国在CCharriesstonn 和VVeroona 之间建建立了一一个流星星余迹实实验线路路(AMBBTB)。用110KWW的发射射功率和和自适应应天线阵阵，21288Kbpps 自自适应变变速，消消噪技术术和数据据压缩技技术使平平均数据据通过率率达到44Kbpps。在在这个速速率支持持下进行行了多媒媒体通信信试验，业业务包括括“闲谈”方式文文本信息息、相互互交谈话话音、图图像、慢慢扫描电电视等，并并在车辆辆和舰船船上安装装了高增增益移动动天线，实实现了移移动流星星余迹通通信。网网络拓扑扑结构也也由高
22、性性能的链链路协议议发展为为栅格网网和由多多个星型型网和骨骨干网组组成的交交互式网网络。这这些被称称为第三三代流星星通信系系统，现现在正处处在研制制阶段。近年来，国国外流星星余迹通通信技术术和发展展主要具具有以下下几个特特点：1 设备趋于于小型化化和机动动化由于新一一代流星星余迹设设备采用用了许多多大规模模集成电电路和固固态功率率放大器器，使其其设备体体积、重重量和功功耗大大大减小。到到90年年代初，国国外已实实现1KKW固态态功率发发射，一一个全双双工主站站重量仅仅为1880kgg左右，体体积为222588（英寸寸），从从站重量量仅为110kgg左右，体体积仅像像一台114英寸寸彩电一一样大
23、小小，只要要配上终终端及一一副天线线，即可可与主站站在20000kkm（最最佳范围围为60008800kkm）内内进行通通信。随随着设备备的不断断小型化化，使其其具备了了更好的的机动性性和灵活活性。国国外已有有许多利利用流星星余迹突突发特性解决移移动平台台（如车车、船及及飞机）的的数据通通信实例例。可以以预料，新新一代移移动式或或背负式式流星余余迹通信信设备必必将产生生，并将将在数据据通信领领域方面面发挥更更大作用用。2 采用新技技术，提提高自动动化和抗抗干扰能能力目前，流流星余迹迹通信设设备由于于采用了了新型计计算机系系统及前前向纠错错、自适适应、噪噪声消隐隐和频率率合成等等技术，使使流星余
24、余迹通信信设备的的功能、操操作、检检测能力力及抗干干扰能力力更加完完善和提提高。新新一代流流星余迹迹通信设设备已从从过去单单一工作作频率和和单一数数据率发发展成为为：在33676MMHz频频率范围围内连续续可跳，自自适应调调节数据据速率为为264Kbitt/s，每每份报文文信息长长度为11250080000字符，并并可进行行系统自自动诊断断以及信信道自动动监视，使使其自动动化程度度提高，操操作更为为简单方方便。3 组网能力力大大加加强，提提高了网网络的抗抗毁能力力随着计算算机技术术的发展展，以及及控制软软件和组组网协议议的不断断改进，已已使流星星余迹通通信网络络结构从从过去的的星形网网，发展展
25、成为可可支持2254个个主站和和最多338255个从站站的栅格格状的通通信网络络，其系系统具有有优先级级多址信信息管理理、信息息段保护护、信息息自动衔衔接与应应答、自自适应信信息流量量控制、迂迂回可变变路由选选择、加加密传输输等。由由于新型型栅格网网络使栅栅格冗余余连接、迂迂回路由由和多路路由通道道，可使使网络迅迅速配置置、从站站多方入入网，从从而使流流星余迹迹通信网网的抗毁毁性、灵灵活性和和隐蔽性性大大提提高。4 系统容量量不断扩扩充，可可提供多多种传输输业务目前，流流星余迹迹通信设设备大多多用于数数据收集集和数据据传输。其其中数据据收集系系统已广广泛用于于遥测、水水文、环环境监视视、供水水
26、系统、海海洋观测测以及舰舰船或车车体跟踪踪等。此此外，由由于传输输系统以以及固态态功率放放大能力力的不断断提高，改改善了流流星余迹迹通信性性能，减减小了流流星的等等待时间间，提高高了可用用流星率率，使较较小的流流星产生生的余迹迹也可用用于通信信，从而而增加了了流星传传输话音音、数据据、静态态图像、传传真的可可能性。由于我国国地域广广阔，且且偏远山山区较多多，因此此很适合合流星余余迹通信信系统的的应用。我我国研究究流星突突发通信信的起步步并不晚晚，算得得上是最最早的国国家之一一。但是是迄今为为止，国国内还没没有一条条实用化化的流星星突发链链路。我国早在在二十世世纪600年代中中期研制制出第一一代
27、A型型流星突突发通信信设备，经经过约220年的的不断改改进，先先后又研研制出BBE四四代设备备。其中中D型机机于700年代研研制成功功，是流流星突发发和电离离层散射射相结合合的系统统，采用用了自适适应信道道选择技技术；770年代代，由电电子工业业部门用用C型机机和D型型机参加加我国低低空核效效应试验验，验证证流星余余迹在核核爆炸情情况下的的快速恢恢复能力力，取得得了弥足足珍贵的的数据。这这还是世世界上唯唯一的一一次流星星突发低低空核效效应试验验，意义义匪浅。EE型机于于80年年代初研研制成功功，采用用了Z880 CCPU和和集成电电路，而而其时微微处理机机在我国国刚刚问问世。遗遗憾的是是，由于
28、于种种原原因，流流星余迹迹通信的的研制工工作自此此停止。本世纪初初，国家家重新启启动了流流星突发发通信的的研制工工作，并并把它列列为“十五”和“十一五五”通信技技术重点点项目。计计划在未未来几年年内，可可研制生生产出实实际可用用的流星星突发通通信设备备，并达达到国外外二十世世纪九十十年代的的水平，填填补我国国还没有有实用的的国产化化流星通通信设备备的空白白。目前，在在已有的的40多多年的研研究基础础上，我我校正承承担着国国家“十一五五”重点课课题中流流星余迹迹通信的的相关工工作，与与国内各各相关单单位通力力合作，以以期早日日开发出出新一代代的流星星余迹通通信系统统，早日日建立和和完善我我国最低
29、低限度通通信保障障体系。1.4 本文所做做的工作作及内容容安排1. 本本文内容容本文的目目的是根根据本流流星余迹迹通信实实验系统统中采用用的关键键技术，结结合研究究生期间间所承担担的科研研和测试试工作，从从工程应应用角度度入手，以以实验通通信系统统为平台台，对实实际线路路测试的的结果进进行研究究分析，着着重讨论论以下几几个问题题：(1) 流星余余迹通信信的信道道及传输输特性。(2) 适用于于流星余余迹通信信的OFFDM传传输技术术、自适适应变速速率技术术和基于于功率检检测的自自动增益益控制技技术。(3) 流星余余迹通信信实验系系统远距距离线路路测试的的实验结结果及分分析。2. 本本文内容容第一
30、章简简要介绍绍了论文文的选题题背景，并并结合流流星余迹迹通信的的发展，指指出了研研制具有有现代通通信技术术特征的的流星余余迹通信信系统设设备的必必要性、紧紧迫性与与现实意意义。第二章主主要分析析了流星星的形成成、流星星突发信信道的产产生及其其特征，及及无线信信号在其其中的传传输特性性，为流流星余迹迹通信设设备的研研发提供供理论模模型与依依据。第三章重重点介绍绍了流星星余迹通通信实验验系统中中采用的的关键技技术，对对自适应应高速数数据传输输、OFFDM调调制解调调、基于OFFDM信信号功率率检测的的自动增增益控制制。第四章主主要结合合室内联联调结果果及远距距离线路路实验的的数据和和分析结结果，对
31、对系统的的整体性性能及各各关键技技术的实实际应用用结果做做出完整整的分析析。第二章 流星余迹迹通信的的信道及及传输特特性2.1 流星的形形成和分分布2.1.1 流星的的形成在地球上上，一天天之内宇宇宙星空空中约有有数量级级颗流星星体进入入地球大大气层，而而每年降降落到地地球上的的陨石只只有20多吨吨，大概概有两万万多块，故绝大多数数的流星星体在进进入大气气层后与与大气摩摩擦而燃燃烧掉，其其大小只只有沙砾砾一样，但是重量量在g以以上的流流星即可可为通信信所用7。流星微粒粒以每秒秒几十公公里的速速度进入入大气层层时，与与稀薄空空气中的的分子和和原子碰碰撞、摩摩擦，致致使流星星体很快快的发热热，溶化
32、化并汽化化。从流流星体中中飞出的的原子具具有相当当大的能能量，它它又与周周围空气气的分子子和原子子相碰撞撞。由于于这样的的碰撞，在在大气中中流星体体的飞行行就伴随随着强烈烈的电离离现象，也也就是流流星体和和空气中中的中性性分子与与原子分分离成带带正负电电的微粒粒。由于于这个过过程，在在流星体体的飞行行途中，于于801200公里的的高空产产生电离离的流星星余迹8。由于流星星体的直直线运动动，因此此在形成成的初期期余迹表表现为电电离气体体的直线线柱。典典型电离离余迹的的平均长长度大约约等于225公里里。在形形成的末末期，余余迹的起起始半径径达数厘厘米。余余迹形成成的起始始时期延延续几分分之一毫毫秒
33、。在在这个时时期内，从从流星体体中汽化化的微粒粒的速度度大约可可以降到到每秒00.5公公里左右右。然后后，开始始了由于于不同极极性的带带电微粒粒的扩散散所引起起的余迹迹的迅速速扩散过过程。余余迹的这这个存在在时期延延续得要要比起始始时期长长得多。可可以认为为，余迹迹突然产产生，并并很快地地扩散。所所以余迹迹体积的的迅速增增大，致致使余迹迹内的体体电子密密度急剧剧下降。余余迹存在在的时间间一般在在十分之之几秒到到几秒，有有的达几几分钟。但但由于高高空风的的影响，它它们失去去起始的的形状，变变成弯弯弯曲曲的的或吹散散成几段段。最后后，由于于电子和和离子的的复合，重重新组成成中性微微粒，余余迹终于于
34、消失了了。应该强调调的是，上上述过程程中主要要的因素素是带电电的余迹迹微粒的的扩散作作用。2.1.2 流流星余迹迹的分类类流星余迹迹电离的的程度可可用离子子化气体体柱内平平均每米米所含有有的自由由电子数数目来表表示，即即每米的的电子数数目()，我们们称之为为流星余余迹的电电子线密密度。由由于流星星颗粒的的大小不不同，进进入大气气层后与与大气摩摩擦后生生成的电电子的密密度也就就不同，余余迹可支支持通信信的能力力也就不不同。我们按按照电子子线密度度的大小小，将流流星余迹迹分为两两类：电电子线密密度小于于的流星星余迹称称为欠密密类流星星余迹，电电子线密密度大于于的流星星余迹称称为过密密类流星星余迹6
35、。进入入到大气气层的流流星数目目与余迹迹的电子子线密度度成反比比，即电电子线密密度越大大的流星星余迹的的数量越越少，所所以可用用的余迹迹绝大多多数为欠欠密类余余迹。但但由于过过密类一一般有长长得多的的持续时时间，故故过密类类信号的的累积持持续时间间比欠密密类大得得多。对于欠密密类余迹迹，由于于电子线线密度较较小，入入射无线线电波可可以渗入入余迹表面面，余迹迹内部每每个电子子独立于于其它所所有电子子对无线线电磁波波进行散散射。严严格说来来，欠密密类余迹迹是对无无线电波波信号进进行再辐辐射，随着无无线电波波渗入余余迹，单单个电子子受到无无线载频频的激发发后，如如同偶极极子那样样沿反射射角方向向对信
36、号号再辐射射。欠密密类流星星余迹可可以认为为是由自自由电子子组成的的管状云云束，它它具有统统一的轴轴并且电电子密度度沿半径径成高斯斯分布。欠密类的的流星余余迹反射射来的信信号在很很快的时时间内达达到峰值值，然后后由于余余迹的扩扩散，信信号呈参参数为时时常数的的指数衰衰减（时常数数即为衰衰落因子子，通常常衰落因因子为几几百毫秒秒到几秒秒）9。欠密类类余迹持持续时间间从几百百毫秒到到几秒不不等，一一般小于于1秒钟钟，但其其数量远远比过密密类多。欠欠密类余余迹大多多起散射射作用，接接收端信信号比较较弱，这这是由于于其散射射具有强强方向性性，只有当当散射线线与余迹迹轴的夹夹角等于于入射线线与余迹迹轴的
37、夹夹角时，才才有足够够强的信信号，这个条条件称为为“镜面反反射条件件”，接收收功率波波形如图图2.1所示。图2.11欠密类类流星余余迹接收收功率波波形虽然每天天进入大大气层的的流星体体数量众众多，但但是并不不是说通通信是“实时”的，因因为在某某个位置置能提供供一个足足够合适适的通信信路径的的流星余余迹不会会总是连连续存在在的。一一个流星星的电离离余迹呈呈指数衰衰减到一一定程度度后，便便无法维维持通信信需要，余余迹消失失之后，到到下一个个适用的的流星出出现，通通常要等等待几秒秒到几分分钟的时时间，有有时甚至至十几分分钟。显显然，这这种通信信方式只只能是间间断的，突突发的。因因此，流流星余迹迹突发
38、通通信仅适适用于小小容量且且无实时时要求的的场合，而而不适用用于大容容量的实实时通信信。对于过密密类流星星余迹，由由于其电电子线密密度较大大，不像像欠密类类流星余余迹一样样变现为为内部电电子独立立散射无无线电波波的管状状云束，它它更像一一个等离离子云，这这种类型型的余迹迹对无线线电波的的反射比比欠密类类余迹要要复杂的的多，这这是因为为电子之之间存在在着复杂杂的相互互作用。过密类余余迹的反反射可以以分为镜镜面反射射非镜面面反射两两种。对于镜面面反射，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
39、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2.22 过密密类流星星余迹接接收功率率波形有时很大大的流星星余迹形形成后，由由于高海海拔风的的影响，余余迹开始始弯曲和和漂移，几几秒种后后，这些些余迹表表现为云云而不是是余迹，这这些电子子云漂移移时有多多个点满满足镜面面反射条条件，在在接收端端，无线线信号表表现为多多径效应应和衰落落现象，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
40、重影响了通信的性能，如图2.3所示。图2.33有多径径和衰落落的过密密类余迹迹流星的质质量与其其体积，电电子线密密度成线线性关系系。流星星出现的的概率与与其大小小，电子子线密度度有关,流星的的电子线线密度越越高体积积越大，其其出现的的概率越越小,电子线线密度越越低体积积越小，流流星出现现的概率率越大。具具体说来来,就是电子子线密度度每升高高一个数数量级,流星出现现的数目目就降低低一个数数量级。表2.11不同电电子线密密度的流流星出现现的概率率2.1.3 流流星余迹迹的分布布流星信号号的发生生具有很很大的随随机性。但但从长期期统计的的结果看看，流星星信号的的间隔时时间服从从泊松过过程分布布。尽管
41、管信号的数目受地理位位置、通通信距离离和方向向等影响响，但流流星突发发的数目目与昼夜夜和季节节的变化化仍有一一定的规规律可循循。流星信号号数目的的昼夜变变化取决决于地球球的自转转及地球球绕太阳阳的公转转运动。假假如地球球不动，而而流星微微粒从各各个方向向均匀地地进入大大气，那那么在地地球上任任意点观观察到的的流星数数目将是是常数。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大，而另一面则较小。黎明时(06：00)，太阳方方向与水水平面方方向平行行，地球球公转方方向与地地球水平平面垂直直，流星星观测的的视线方方向与地地球
42、的公公转运动动方向相相同，流流星体和和地球迎迎面相碰碰，由于于迎面和和被追上上的流星星数目在在增长，相相对速度度大，因此能能看到的的流星数数目多。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。流星的亮亮度与流流星的体体积成正正比，与与流星相对对地球速速度平方方成正比比。因此此，黎明明时的流流星比黄黄昏后的的流星亮亮度要大大些。如如图2.4所示示，图中中横轴表表示244小时进进行观测测的时间间，纵轴轴表示平平均每小小时流星星出现的的相对
43、概概率，日日出(06：00)和日落落(18：00)时流星星数目的的典型比比值约为为4：116。但对于流星星余迹通通信来说说，流星星余迹的的利用概概率在日日出和日日落时并并不是44：1，数数据传输输的利用用时间也也不是44：1，所所以并不不是说黎黎明前在在链路上上传输的的数据是是黄昏后后的4倍。图2.44流星出出现数目目的昼夜夜变化流星体在在地球公公转轨道道上的分布不均匀以及及地球地地轴相对对于椭球球面的倾倾斜这两两种机制制共同导导致了季季节变化化，当北北半球流流星到达达率增大大时，而而南半球球则相应应减少。季季节变化化的幅度度与日变变化的幅幅度是可可相比拟拟的。流流星余迹迹通信系系统可用用流星
44、余余迹出现现数量，在在北半球球最高的的7月份和和最低的的2月份的的季节之之间变化化约为44：1，如如图2.5所示示，图中中横轴表表示一年年中每月月观测时时间，纵纵轴表示示每月内内平均每每小时出出现的流流星数量量。图2.55流星数数目的季季节变化化该比例是是在将所所有关于于流星出出现试验验数据综综合考虑虑基础上上得到的的，如果果把流星星雨现象象排除，流流星出现现概率的的季节变变化的最最大值与与最小值值之比接接近2：1，在在系统设设计时，如如果不排排除流星星雨现象象，那在在大多数数时候流流星出现现速率会会变大，但但是实际际流星余余迹链路路性能在在流星雨雨现象不不存在时时要比假假设存在在时的预预测情
45、况况差得多多。在赤道地地区流星星余迹到到达率的的日变化化最大，在在两极地地区变化化最小，然然而两极极地区的的季节变变化却大大于赤道道区。若若以年为为周期，可可由流星星余迹传传播路径径出现的的日变化和和季节变化化，很容容易得到到通信链链路出现现的最大大变化比例例为166：1。这这是设计计利用流流星余迹迹的通信信系统所所必须考考虑的重重要因素素。2.2 流星余迹迹信道的的数学模模型无线电波波从发送送端发射射经过无无线传播播到达流流星余迹迹，功率率存在路路径损耗耗；无线线电波受受到流星星余迹的的反射或或散射，功功率存在在反射损损耗；反反射电波波从余迹迹反射到到接收端端，功率率也会存存在路径径损耗。无
46、线电波波经过流流星余迹迹信道后后，在接接收端接接收到的的信号功功率收到到多个因因素的影影响，包包括发送送天线和和接收天天线的增增益、发发送站和和接收站站之间的的距离、流流星余迹迹电子线线密度的的强度、余余迹的方方向性等等等。电电子线密密度较小小的欠密密类余迹迹和电子子线密度度较大的的过密类类余迹的的接收功功率有较较大区别别，它们们有不同同的数学学模型。2.2.1欠密密类余迹迹的数学学模型欠密类余余迹是对对信号进进行再辐辐射，随着无无线电波波渗入余余迹，单单个电子子受到无无线载频频的激发发后，如如同偶极极子那样样沿反射射角方向向对信号号再辐射射。图2.66为流星星余迹传传输的链链路图。信号号从发
47、送送站发送送，经过过余迹反反射，被被接收站站接收。图2.66 流流星突发发通信链链路 图中从从发送站站到反射射余迹之之间的距距离为发发射距离离，从反反射余迹迹到接收收站之间间的距离离为接收收距离，两两站点之之间的地地面距离离为发送送距离，流星余余迹到地地面的高高度为hh。Weittzenn给出的的欠密余余迹接收收电平和和持续时时间的模模型9与试验验结果相相当吻合合，其模模型为：式(2-1)表示接收收到的功功率电平平，可以以知道随随时间按按指数衰衰减。表表示接收收到某个个余迹反反射电波波的初始始功率电电平，它它是余迹迹形成的的最初状状态，因因为欠密密余迹的的功率电电平上升升时间很很短，又又由于系系统同步步也需要要时间，所所以可以以认为是是接收功功率的最最大值。表示功率电平衰减常数，由信道参数决定。和都是随随机变量量。电平平衰减常常数虽然然是一随随机变量量，但当当链路参参数确定定后（主主要是频频率和站站间距离离），其其均值相相对稳定定，变化化范围小小，所以以可以当当作常数数处理。欠密余迹迹突发的的反射功功率通常常用下面面的公式式表示11，这是是Eshhlemman等等在二十十世纪五五十年代代初提出出的，这这个模型型很好的的表示了了实际情情况，由由于处理理也容易易而适用用于分析析。式(2-2)