摘 要：討論了流星突發(fā)通信欠密類余跡的信道特性及其模型 。以TMS320VC5509 DSP為核心設計了流星信道模擬器系統(tǒng)，并給出模擬器在實驗室流星突發(fā) 通信自適應變速率系統(tǒng)設計中的測試應用。
關鍵詞：流星突發(fā)通信；信道模擬器；欠密類余跡；自適應變速率；DSP
1引言
流星突發(fā)通信是利用流星高速進入大氣層燃燒而形成的電離余跡（分布在80~120 km的高空 ）對VHF無線電波的反射或散射實現(xiàn)超視距通信的一種無線電通信方式。這種通信方式是間 斷、突發(fā)的，由于其本身所具有的“足跡”和“熱點”等特點，且有良好的抗截獲和抗干擾 能力,因此在軍事方面倍受關注。
我國研究流星通信起步較早，始于20世紀60年代中期，但后來由于種種原因停止。直到本世 紀初，國家才重新啟動流星突發(fā)通信的研制工作。目前，國內(nèi)尚無可用的國產(chǎn)化流星通信設 備。
技術(shù)的發(fā)展，推動了流星突發(fā)通信設備研制的自動化程度。由于流星突發(fā)通信有非實時、數(shù) 據(jù)通過量低的缺點，因此采用自適應變速率技術(shù)，通過檢測信號強度和噪聲電平自動調(diào)節(jié)數(shù) 據(jù)速率，使信息通過量提高，這成為流星突發(fā)通信系統(tǒng)設計的關鍵技術(shù)之一。 本文討論的 流星信道模擬器，能更好地指導實驗室流星自適應變速率通信系統(tǒng)的設計和驗證設計方案的 可行性。
2流星余跡信道特性和數(shù)學模型
流星余跡根據(jù)其電子線密度可分為兩類,電子線密度大于或等于2×1014e/m稱為 過密類,小于2×1014e/m稱為欠密類。欠密類余跡對入射電波進行前向散射傳 播，過密類余跡對入射電波進行反射。雖然過密類余跡反射信號強，信號持續(xù)時間也很長， 但其發(fā)生概率遠遠小于欠密類情況，所以流星余跡通信更多的是依靠欠密類余跡的散射來實 現(xiàn)。這里僅討論欠密類情況。如圖1所示，反射信號在幾百微秒內(nèi)達到峰值,然后由于余跡的 擴散,信號呈指數(shù)衰減(衰落因子為幾百毫秒到幾秒)。
流星余跡根據(jù)其電子線密度可分為兩類,電子線密度大于或等于2×1014e/m稱為 過密類,小于2×1014e/m稱為欠密類。欠密類余跡對入射電波進行前向散射傳 播，過密類余跡對入射電波進行反射。雖然過密類余跡反射信號強，信號持續(xù)時間也很長， 但其發(fā)生概率遠遠小于欠密類情況，所以流星余跡通信更多的是依靠欠密類余跡的散射來實 現(xiàn)。這里僅討論欠密類情況。如圖1所示，反射信號在幾百微秒內(nèi)達到峰值,然后由于余跡的 擴散,信號呈指數(shù)衰減(衰落因子為幾百毫秒到幾秒)。
2.1流星余跡參數(shù)描述
(1)峰值電平
接收功率與距離、波長、電子密度等有關,對欠密類:
接收功率：
PR(t)： 接收信號功率；PT： 發(fā)送信號功率；
GT，GR： 分別為發(fā)送天線增益和接收天線增益；
λ：波長；q：余跡電子線密度；re：電子半徑(2.82×10-15)；
α：余跡電場矢量E與RR之間的夾角；
r0：余跡初始半徑； D：擴散系數(shù)；
t：時間； φ：RT，RR夾角的一半；
β：余跡軸向與RT，RR構(gòu)成平面的夾角。
(2)平均突發(fā)持續(xù)時間
信號的持續(xù)時間是指通過流星路徑傳送信號的有效可用時間，通常為接收信號幅度降到其初 始值的1/ε時所需要的時間。流星余跡反射波的平均突發(fā)持續(xù)時間是多個變參的函數(shù),與1/f 2成正比。通常期望有持續(xù)時間長的余跡,這樣在持續(xù)時間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。通過上 面的關系還可以看出降低工作頻率能夠延長平均余跡可用時間,典型余跡可用時間為幾十毫 秒到幾百毫秒。
單個余跡的持續(xù)時間并不能完全決定其可用時間,因為隨著信號的衰落,增大發(fā)射功率或提高 接收機靈敏度同樣能夠延長余跡的可用時間。
(3)等待時間
等待時間是流星余跡通信系統(tǒng)的一個很重要的參數(shù),他說明了平均等待多長時間才能 進行新一次的信息傳輸。等待時間與工作頻率成反比,典型等待時間為幾秒到幾分鐘。
(4)占空比
占空比在描述及比較流星余跡鏈路時是非常有用的,他表明流星余跡鏈路實際通信傳輸數(shù)據(jù) 的時間所占的百分比，與1/f2成正比。
占空比=平均突發(fā)持續(xù)時間/平均等待時間
(5)平均通過量
流星通信最大的特點就是他的突發(fā)性。衡量這種系統(tǒng)的性能時，不能單純看最高的發(fā)送速率 ，而必須采用平均通過量來描述系統(tǒng)的性能。
平均通過量=數(shù)據(jù)傳輸率×占空比
2.2流星突發(fā)通信信道數(shù)學模型
實踐證明流星突發(fā)信道的產(chǎn)生可用泊松過程來描述，流星產(chǎn)生的間隔服從指數(shù)分布。由于流 星突發(fā)信道是隨機信道，給建立精確的信道模型帶來一定困難，在模擬時需要簡化處理。對 于欠密類余跡，接收功率表示為：
其中PR(0)為峰值電平，是一個隨機變量；τ是衰落常數(shù)，與鏈路參數(shù)有關。 當 鏈路確定后，其均值相對穩(wěn)定，變化范圍小，所以可以當作常數(shù)處理。
(1)峰值電平
接收功率與距離、波長、電子密度等有關,對欠密類:
接收功率：
PR(t)： 接收信號功率；PT： 發(fā)送信號功率；
GT，GR： 分別為發(fā)送天線增益和接收天線增益；
λ：波長；q：余跡電子線密度；re：電子半徑(2.82×10-15)；
α：余跡電場矢量E與RR之間的夾角；
r0：余跡初始半徑； D：擴散系數(shù)；
t：時間； φ：RT，RR夾角的一半；
β：余跡軸向與RT，RR構(gòu)成平面的夾角。
(2)平均突發(fā)持續(xù)時間
信號的持續(xù)時間是指通過流星路徑傳送信號的有效可用時間，通常為接收信號幅度降到其初 始值的1/ε時所需要的時間。流星余跡反射波的平均突發(fā)持續(xù)時間是多個變參的函數(shù),與1/f 2成正比。通常期望有持續(xù)時間長的余跡,這樣在持續(xù)時間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。通過上 面的關系還可以看出降低工作頻率能夠延長平均余跡可用時間,典型余跡可用時間為幾十毫 秒到幾百毫秒。
單個余跡的持續(xù)時間并不能完全決定其可用時間,因為隨著信號的衰落,增大發(fā)射功率或提高 接收機靈敏度同樣能夠延長余跡的可用時間。
(3)等待時間
等待時間是流星余跡通信系統(tǒng)的一個很重要的參數(shù),他說明了平均等待多長時間才能 進行新一次的信息傳輸。等待時間與工作頻率成反比,典型等待時間為幾秒到幾分鐘。
(4)占空比
占空比在描述及比較流星余跡鏈路時是非常有用的,他表明流星余跡鏈路實際通信傳輸數(shù)據(jù) 的時間所占的百分比，與1/f2成正比。
占空比=平均突發(fā)持續(xù)時間/平均等待時間
(5)平均通過量
流星通信最大的特點就是他的突發(fā)性。衡量這種系統(tǒng)的性能時，不能單純看最高的發(fā)送速率 ，而必須采用平均通過量來描述系統(tǒng)的性能。
平均通過量=數(shù)據(jù)傳輸率×占空比
2.2流星突發(fā)通信信道數(shù)學模型
實踐證明流星突發(fā)信道的產(chǎn)生可用泊松過程來描述，流星產(chǎn)生的間隔服從指數(shù)分布。由于流 星突發(fā)信道是隨機信道，給建立精確的信道模型帶來一定困難，在模擬時需要簡化處理。對 于欠密類余跡，接收功率表示為：
其中PR(0)為峰值電平，是一個隨機變量；τ是衰落常數(shù)，與鏈路參數(shù)有關。 當 鏈路確定后，其均值相對穩(wěn)定，變化范圍小，所以可以當作常數(shù)處理。
