流星余跡通信自適應變速系統性能分析與仿真

摘要:為提高流星余跡通信的數據通過量，根據流星余跡通信信道的指數性衰落特性，提出了一種基于信噪比估計的自適應變速方法。該方法根據估計流星信道信噪比的變化情況，動態地改變系統的比特速率，實現自適應變速，從而有效提高了流星信道利用率，實現數據的可靠傳輸。仿真結果表明，在相同信道條件下，該系統的數據通過量比固定速率傳輸系統提高2~4倍，是一種有效而可靠的通信方法。

關鍵詞:流星余跡通信; 自適應變速; 分析與仿真

中圖分類號:TN926.5文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0597－03

流星通信以保密性能好#65380;抗干擾能力強#65380;通信距離遠#65380;設備成本低等優點，尤其是當高空核爆炸的電磁效應使其他通信手段中斷時，它仍能生存的顯著特性，廣受各國關注[1~3]。然而，流星余跡通信的間歇性#65380;信道的時變性和有效通信時間短的缺點，大大限制了其數據通過量。如何提高流星余跡通信的數據通過量，是流星通信的關鍵技術之一。根據流星余跡信道能量隨時間呈指數衰減的變化規律，采用自適應變速率是解決該問題的有效方法。針對流星余跡通信自適應變速傳輸機制問題，國外已開展了卓有成效的研究，Michael B.Pursley和Stuart D.Sandberg等人通過控制編碼冗余度的方法實現自適應變速[4~8];Khaled Mahmud等人提出用軟件的方法，通過改變調制方式實現變速[9~13];Sheldon S.L.Chang等人根據信道信噪比情況，連續改變比特速率方法實現變速[12，13]。國內相關機構也開展了流星余跡通信自適應變速率傳輸理論研究，提出了一種適合于流星余跡傳輸幀結構的聯合信道跟蹤與數據檢測的最大似然ASP接收算法，實現流星余跡通信自適應編碼調制方式數據的最大似然接收[14]。這些研究主要從理論角度分析了自適應變速技術在流星余跡通信中的可實現性和性能的優越性。本文從工程實現的角度出發，綜合考慮系統復雜度和可靠性，根據流星信道能量的指數衰落特性，提出了一種基于接收信噪比估計的自適應變速傳輸方法。

1流星余跡通信系統

1.1基本原理

流星是分布在太陽系中數不清的星際物質，當它們以每秒幾十千米的速度繞著太陽旋轉時，有的就會被地球吸引撞向地球。這些流星以10～75 km/s的速度與大氣層磨擦，從而使流星表面的原子氣化并電離，形成一個細長的圓柱狀的尾跡，這就是流星余跡。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，就是流星余跡通信。按照電子線密度的不同，流星余跡可以分為兩種[15]，即電子線密度小于10e14 electrons/m的是欠密類余跡(underdense)，大于10e14 electrons/m的是過密類余跡(overdense)。它們的時間特性如圖1所示[1，2]。

由圖1可見，對于過密類流星余跡而言，傳輸電波通過表面反射，其接收信號的強度先緩慢到達峰值，然后再緩慢衰落;對于欠密類流星余跡而言，傳輸電波受余跡各個電子的反射。嚴格說來，欠密類余跡是對信號進行再輻射。隨著無線電波滲入余跡，單個電子受到無線載頻的激發后，如同偶極子那樣沿反射角方向對信號再輻射。反射信號在幾百微秒內達到峰值，然后由于余跡的擴散，欠密類流星余跡傳輸信號隨時間呈指數規律衰減。

流星余跡通信中，與以兩站為焦點旋轉的橢球體相接處有流星余跡產生時，這兩站之間才有可能通信。這種狀態稱為兩站之間存在流星突發傳輸路由。發射站發射的電波到達流星余跡，就被以流星余跡為軸的橢球殼再輻射，然后到達這個橢球殼與地面相交的區域[16]。這個區域一般為細長的馬蹄形，稱為足跡。處于這個區域內的站才能收到發射站所發的信息。具體通信原理如圖2所示。

1.2流星余跡通信的主要參數

2自適應變速流星余跡通信系統

2.1自適應變速基本原理

在通信系統中，自適應變速傳輸的準則有兩條[18]，即基于事件的自適應變速和基于信噪比的自適應變速。前者依據前幾幀數據的接收情況來推測當前信道適合于哪種數傳速率，能夠比較真實地反映出信道的實際情況，但由于流星信道的突發特性，傳輸前幾幀數據時的信道與當前信道存在較大延遲，并不能實時準確地反映出當前的信道情況。后者是通過接收端返回的應答來實時計算此時信道的信噪比，然后根據信噪比的大小來確定數傳速率。由于基于信噪比的自適應變速相對于基于事件的自適應變速具有較好的實時性，且在實際運用處理中較為方便，本文將采用基于信噪比的自適應變速傳輸方法。

針對流星余跡信道特點，自適應變速率的方法一般有以下幾種[19]:a)Abel’s方法，即當流星來時，實時測量接收信號振幅的峰值，以決定在本次流星余跡通信中所選用的最佳數據速率，但在一個余跡時間或一次突發傳輸內，數據速率不變;b)自適應改變碼元速率，即系統的調制制度是固定的，根據信道條件的變化改變碼元速率，隨著碼元速率的改變，需要實時改變系統濾波帶寬;c)自適應改變比特速率，系統采用M進制調制，固定碼元速率，根據信道條件的變化改變M值，如BPSK#65380;QPSK#65380;16QAM等;d)自適應改變編碼速率，即系統的調制制度和碼元速率是固定的，前向糾錯編碼的冗余度根據信道條件的變化改變。從流星余跡通信系統的可實現出發，考慮到實現的復雜度因素，本文采用改變比特速率的方法來實現自適應變速。

2.2基于信噪比估計的自適應變速流星余跡通信系統

本文提出的是一種基于信噪比的原則，碼元速率固定，按照改變比特速率的方法實現自適應變速的流星余跡通信系統，結構如圖3所示。其運行原理是:首先對選擇的比特流進行編碼處理，接著對信息流進行調制和數/模轉換，最后經過上變頻后將信號發送出去。經過流星信道傳輸后，在接收端，信號首先經過下變頻和模/數轉換，然后選擇相應的解調方式對其進行解調，最后對解調后的信號通過解碼恢復為原始信息數據。與此同時，在解調前對接收信號進行信噪比估計，并根據估計的信噪比決定下一步數據的發送速率和調制方式，從而完成自適應變速流星余跡通信。該系統中，比特流是指參與變速的4～64 kbps五個信息速率;信噪比估計是對接收信號進行信噪比估計;速率選擇是根據計算出的信噪比，依據自適應變速系統中信噪比與數據傳輸速率對應關系，選擇出適合信道傳輸的信息速率;調制方式選擇是根據系統所選比特速率，依據系統調制方式與比特速率對應關系，選擇出對應的調制方式;流星信道模塊中，既有高斯白噪聲，又要對信號能量進行指數衰減。衰減公式如式(5)所示。圖3中其余單元與其他通信系統的同名模塊功能相似，在此不再贅述。

2.3變速條件的確定

研究表明，欠密類的流星數量遠遠多于過密類流星數量，因此本文以欠密類為例，以信噪比為變速準則，以碼元速率固定#65380;改變比特速率的方法實現變速?；敬a元速率為16 kBd，根據信噪比情況，采用4～64 kbps比特速率，共分五檔，調制方式依次采用BPSK#65380;QPSK#65380;16QAM來自適應變速。

對于高斯白噪聲背景下的多進制調制系統，其誤符號率為[14]

從圖4可以看出，在滿足誤碼率要求情況下，通過不同傳輸速率的信噪比和誤碼率之間的關系，可得出基于信噪比變速的參考變速門限。誤碼率要求不大于10e-3時，速率為64#65380;32#65380;16#65380;8和4 kbps的比特流參考變速門限值應該分別為11.35#65380;10.0#65380;5.79#65380;5.27和3.22 dB。也就是說，當信噪比大于11.35 dB時，系統可以用64 kbps的速率發送信息;當信噪比小于11.35大于10.0 dB時，系統可以用32 kbps的速率發送信息，依此類推。

從以上分析可知，基于信噪比的自適應變速流星余跡通信系統的變速機理是:當可用流星出現時，首先信噪比估計單元根據接收到的信號估計出信道信噪比，然后速率選擇模塊依據信噪比與數傳速率對應關系，選擇出對應的可用速率，同時調制方式選擇模塊依據調制方式與比特速率對應關系，選擇出對應的調制方式，從而完成自適應變速流星余跡通信。在此模型中，當信噪比較高時，系統會自動選擇64或32 kbps等較高的信息速率進行通信;當信噪比較低時，系統會自動選擇8或4 kbps等較低的信息速率進行通信，而碼元速率始終保持不變。因此，整個系統是通過信噪比估計單元#65380;控制速率選擇單元和調制方式選擇單元協同工作來實現自適應變速過程。

3性能分析與系統仿真

以上對基于信噪比的自適應變速流星余跡通信系統的性能參數從理論角度進行了分析與論證。下面以SPW(signal processing worksystem)為仿真工具，通過仿真來驗證系統性能。在本系統中，接收信噪比的估計是變速的主要依據，在SPW中信噪比的估算公式為

SNR=Es/N0=PS/var×fs/(4BW)(10)

基中:fs為采樣頻率;Ps為信號接收功率;var為噪聲的平均功率;BW為信號帶寬(等于符號速率)。其余幾個在實驗中均為常量，只有信號接收功率Ps是時變的，即信噪比主要隨它而變化。對于欠密類流星，Ps在數值上等于 PR(t)，這里式(5)中的PR(0)為初次接收到的信號功率，t為時間，τ為流星信道指數衰減的重要因子。由前面流星余跡通信參數中推導出的式(3)~(5)可知，當兩個通信臺站的距離一定時，τ的大小主要由余跡的高度決定。流星余跡通信距離一般為300～2 000 km，余跡高度一般在80～120 km，因此τ值一般在0.1～0.5。在實驗中，τ值取0.3。

在仿真中，設系統要求誤碼率不高于10e-3，var=0.1 W，接收信號功率的初始值等于發送功率，且PR(0)=8 W，碼元速率BW=16 kbaud/s，采樣頻率為16 kHz，時間t遞增間隔為1/16 000 s。調制方式與比特速率對應關系和變速門限分別對應表1。

根據上述設定的參數，經過仿真，自適應變速#65380;固定速率的QPSK調制和固定速率的BPSK調制系統的誤碼率曲線對比，如圖5所示。從曲線可看出，在滿足誤碼率要求的情況下，自適應變速系統的有效數據通過量和有效通信時間得到了大幅度的提高。

在碼元速率和誤碼率要求相同的條件下，自適應變速系統#65380;固定速率的16 kbps/BPSK和32 kbps/QPSK系統的數據通過量對比如圖6所示。從三條曲線的對比中可以看出，基于信噪比的自適應變速流星余跡通信系統的數據通過量是固定速率系統的2～4倍。

參考文獻:

[1]FUKUDA A.Meteor burst communications[M]. Tokyo: Corona Publishing Co Ltd， 1997:85－87.

[2]SCHILLING D L. Meteor burst communications:theory and practice[R]. New York:Wiley，1993:13－21.

[3]SCHANKER J Z. Meteor burst communications[M].Boston:Artech House，1990:54－67.

[4]PURSLEY M B，SANDBERG S D.Variable－rate coding for meteor－burst communication[J].IEEE Trans on Communications， 1992，45(1):78－89.

[5]RYAN W E. Meteor burst communication[J]. IEEE Trans on Communications， 1997，45(5):157－174.

[6]FUKUDA A， MUKUMOTO K. Performance evaluation of random a simplex meteor burst communication system[C]//Proc of MICC.1993: 1256－1263.

[7]JABRI A K A， ALSHAHRANI A. Adaptive－rate transmission with coding and interleaving for a further improvement in the throughput of meteor－burst communication systems[C]//Proc of IEEE MILCOM.Boston:IEEE，1998:391－396.

[8]RAHELI R， POLYDOROS A， TZOU C K. Per－survivor processing: a general approach to MLSE in uncertain environments[J]. IEEE Trans on Communications， 1995， 43(2/3/4): 354－364.

[9]WHITBY B I. Meteor scatter protocol throughput performance:type－I and type－II[R].[S.l.]:Dept Elec Eng， University of the Witwaterstand， 1991:31－37.

[10]WHITBY B I. Protocol analysis for the meteor burst channel[D].University of the Witwaterstand，1991:78－79.

[11]CHANG S S L， SCHILLING D L. Efficient communications using the meteor－burst channel[J]. IEEE Trans on Communications， 1992，40(1):231－237.

[12]DJUKNIC G M， SCHILLING D L. Performance analysis of an ARQ transmission scheme for meteor burst communications[J].IEEE Trans on Communications，1994 ，42(2):573－579.

[13]李贊，常義林，金力軍，等.基于狀態自適應選擇的流星余跡通信聯合最大似然接收機[J].中國科學E輯，2004，34(10):1159－1171.

[14]MAHMUD K， MUKUMOTO K， FUKUDA A. A bandwidth efficient variable rate transmission scheme for meteor burst communications [J].IEICE Trans Commun， 2001，E84－B(11):2956－2966.

[15]周俊.流星全雙工數據傳輸[D].西安:西安電子科技大學， 2005:25－27.

[16]ZHU Zhen－yu，SADJADPOUR H R. An adaptive per－survivor proces－sing algorithm [J]. IEEE Trans on Comm， 2002，50(11):1716－1718.

[17]李建東.楊家瑋.個人通信[M].北京:人民郵電出版社，2001:198－199.

[18]司江勃.流星余跡通信關鍵技術研究[D] .西安:西安電子科技大學，2006:23－25.

[19]朱本強.流星余跡通信全雙工數據鏈路協議的研究[D].西安:西安電子科技大學， 2003:31－33.

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