流星余跡通信的發展現狀與應用

【摘要】：流星余跡通信是20世紀中期開始興起的通信技術。它在可靠性、抗干擾性、生存能力以及費用上的優勢使其在民用和軍用領域得到廣泛研究。文章主要就流星余跡通信的概念、特點、改進方法、發展概況和應用等加以介紹，并對未來研究方向做以展望。

【關鍵詞】： 流星余跡通信;編碼;自適應技術;通信協議

1引言

每天進入地球大氣層的各種大小的宇宙微粒平均約為1010個，總重大約1噸（這不包括能產生可視余跡的相對較大的、少見的流星）。它們以每秒11.3～72km的高速進入大氣層后，與空氣中的分子發生猛烈碰撞，從而產生高溫，導致其周圍空氣急劇電離，在距離地面80～120km的高空留下一個細長的、持續時間很短的電離氣體柱，即流星余跡。流星余跡長達數十公里， 初期半徑0.5至數米，隨后迅速擴散。在流星余跡出現的初期，能夠在2000km以內的兩點之間形成超視距無線通信信道。流星余跡通信主要有以下優點：

（1）流星余跡隨機出現、存留時間短、接收地域范圍有限，這大大增強了通信的抗干擾和抗截獲的能力。

（2）生存能力強，受人為或自然原因造成的電離層擾動的影響較小，在核爆后20～120分鐘內即可恢復工作，可作為最低限度通信的后備手段，具有較高的軍用價值。

（3）不需要頻率管理，多條鏈路可以采用同一頻率進行通信。

（4）通信距離遠，站點建設成本低廉，適合于邊遠地區的突發性、低容量數據的傳輸。

可見，流星余跡由于其獨特的信道特性，因此具有其它無線電媒體所不具備的一些特點。流星余跡通信在低數據率超視距通信領域中具有很大優勢，近年來，從商業和軍事需求出發，各國對流星余跡通信的研究始終熱情不減，并有多個系統投入使用。

2流星余跡通信的基本原理

如圖1所示，以接收機和發射機作為焦點旋轉，可以構成一族橢圓體，當有流星余跡與其中一個橢圓體相切時，借助于流星余跡的散射特性，發射機發出的無線電波可以被接收機成功接收，連接收發端的通信鏈路就建立了。

圖1 流星余跡通信原理圖

按照電子線密度的大小，流星余跡可分為欠密類余跡和過密類余跡。電子線密度小于2×1014個電子/m的是欠密類余跡，大于2×1014個電子/m的是過密類余跡。但是由于形成余跡的物理現象比較復雜，流星余跡的電離程度，即自由電子密度分布，是與微粒大小、速度以及周圍的太陽輻射有關的復雜函數，所以這一數字不能作為絕對的分界線。在這兩種余跡中，過密類余跡持續時間比欠密類余跡長，但是過密類余跡數量極為有限，因此，我們討論的主要是欠密類余跡。

由于流星余跡隨機出現、持續時間短暫，所以流星余跡通信是一種間歇通信。流星余跡平均發生間隔依賴于發射功率、天線的方向性等。流星到達率隨每天的不同時刻、每年的不同季節的變化而改變，流星的周期性活動也對其有影響。文獻[1]指出，日變化取決于地球的自轉和公轉，流星數在早晨7～8點鐘最多，晚上8點前后最少;每天最大到達率與最小到達率的平均比率為3～4：1。其原因是凌晨時分，觀測者的方向與地球運動方向相同，地球運動軌道中的流星與地球迎面相遇，其相對運動速度大，因此可形成的電離余跡較多。而傍晚時分，觀測者方向與地球運動方向相反，只能觀測到從地球后面趕上來的流星，其相對速度較低難以形成電離余跡。季節變化取決于地軸傾斜、公轉軌道上的宇宙塵埃分布密度，因此在北半球7～8月份流星數最多，1～2月份最少（南半球情況正好相反），其典型比率為4：1。據分析，在北半球7月的早晨比2月的傍晚，通信能力可能相差15倍。這是因為7～8月份時，北半球前緣接近垂直于地球運動方向，南半球前緣傾斜于地球運動方向，因此，北半球流星到達率最大，而南半球最小。1～2月份時，情況正好相反。地軸傾斜度和宇宙塵埃分布密度共同影響流星到達率的季節變化，在北半球這兩種作用是彼此加強的，在南半球則是相互抵消的。

3系統性能的幾種改進方法

3.1編碼

文獻[2]通過對于恒定SNR模型和時變SNR模型的分析，發現使用FEC可以使吞吐量得到明顯提高。對使用（n，k）線性分組碼的系統，吞吐量可以提高25%。但是需要指出的是要想獲得這樣的改善，就必須降低信噪比門限，因此性能的改善受系統所能忍受的SNR門限約束。還需要說明的是，編碼增加了系統開銷，信息包長度的增加會導致傳送失敗的概率增加，因此在編碼時也要考慮選擇適當長度的信息包。

信號交織也對于改善差錯性能有幫助，糾錯碼與交織技術的結合使用會對系統性能帶來明顯改善。近幾年興起的低密度奇偶校驗碼（LDPC， Low Density Parity Check Codes）由于傳信率接近香農限，譯碼簡單，易于硬件并行處理等優點而備受關注，被公認為是第4代移動通信的首選編譯碼技術，LDPC在MBC中的應用的相關研究也在進行當中，相信會對改善流星余跡通信系統性能有所幫助。

3.2自適應技術

由于流星余跡是一條時變信道，為達到較高的吞吐量和較低的誤碼率，采用自適應技術無疑是比較好的解決方案。例如，采用自適應功率方法，與固定功率方法相比，在傳輸相同的信息量的情況下，可以節省37%的傳輸功率。自適應速率數據傳輸與固定速率數據傳輸相比，可以有效地提高吞吐量，具體方法包括初始數據速率的選擇，數據幀長的確定，自適應變速準則的選擇，以及差錯控制等方面。在自適應技術中，如何及時跟蹤信道的變化是對這項技術的首要要求，其次是針對信道的變化采取何種策略提高系統性能，而這種策略所付出的代價應該是可以承受的。

3.3通信協議

通信協議在提高系統性能上起著至關重要的作用，文獻[3]中對廣播、探測信道以及兩者的結合這三種協議進行了詳細分析。對廣播協議和探測信道協議的分析表明：

（1）如果是一個主站對多個從站廣播，則宜采用廣播協議。當消息或信息包的大小遠小于余跡平均突發長度時，則使用廣播協議是適當的。廣播協議的缺點是浪費了大量可用的通信時間。由于當主站向大量接收機同時廣播時，每個接收機對每個信息包應答是不實際的，因而不能使用ARQ。

（2）探測信道協議在利用可發送數據時間上更有效率，在點對點通信中更適用。它與廣播協議的區別在于它能夠感知信道的存在，并且它使用了ARQ方案。

（3）當消息或信息包的大小是平均突發長度2倍或3倍時，ARQ對吞吐量帶來重大提升（也即減小了等待時間）。

文獻[3]研究發現，對于長信息，使用ARQ方案可以帶來重大的性能改善;然而當信息長度與平均突發長度相似時，使用ARQ方案沒有什么幫助。對于與平均突發長度相似的信息包長度，研究發現其感知信道存在的能力使得完成一條信息的所需時間減少了20%，但是對于更短的信息包長度，并不需要信道探測。

4流星余跡通信的發展

早在30年代，人們就已經知道了流星余跡能反射和散射無線電波。從那時起，為了對上層大氣及流星進行物理研究，宇宙及地球物理學家就對流星余跡廣泛進行了雷達探測。進入50年代，研究人員開始探討利用流星余跡進行遠距離通信的可行性，加拿大的JANET實驗系統獲得成功，這是一個點對點通信系統，兩站相距900km，工作頻率約為40MHz，雙工工作，收發頻率間隔約1MHz，發射功率500W，采用五單元八木天線，平均每分鐘傳34個字。1958年空軍劍橋研究中心首次成功進行了機載流星余跡通信試驗，采用18dB菱形天線，工作頻率49.6MHz，發射功率30kW，試驗證明流星余跡通信可用于運動目標。

60年代，由于計算機以及固態電路技術還不成熟，以及衛星通信等新興通信系統的出現，人們對流星余跡通信系統的興趣減退了。盡管如此，1965年北約組織還是在荷蘭和法國之間建立世界上第一條流星余跡通信線路，稱為COMET。在70年代隨著微處理機的出現和固態電路技術的發展，成本低廉的流星余跡通信系統重新獲得青睞。1975年美國成立了流星通信公司（MCC），并研制開發出MCC-500系列流星余跡通信設備。90年代，美國國防部將流星余跡通信列為90年代十大軍事通信系統與計劃之一，準備在戰術層上對其開發以作為軍隊“數字化”戰場的通信手段，使其成為其他類型通信系統的補充和后備手段。美國軍用標準草案MIL-STD-188-135，是流星余跡通信系統標準化的最早嘗試，當時歐洲還沒有開展相關工作。美國國防部高級研究計劃署（ARPA）在1993年開發的AMBTB，MCC在1992年開發的HPTL，顯示了MBC在多媒體和車輛追蹤方面的能力。美國國防部2000年5月編寫的《發展中的科學技術目錄》中，把流星余跡通信與衛星中繼、長波通信并列為超視距通信的三大組成部分。2002年由美國NIAC資助的“火星流星余跡通信網”項目，對在火星上進行流星余跡通信進行了可行性評估，MCC作為商業陸地MB系統的開發者和專利持有者成為該研究的技術伙伴。日本在1991年用50MHz業余無線電進行了預備實驗。1992年9月2日，日本第一個供研究的MBC實驗臺創立，稱RANDOM，兩臺直線距離約為750km，頻率48.375MHz，采用最大功率為300W的各種輸出功率進行信息傳送實驗。自2001年起，日本福岡大學與我國西安電子科技大學合作在南極進行極地流星余跡通信試驗。

我國很早就開始對流星余跡通信進行研究。60年代中期研制出第一套流星余跡設備，到80年代中期已經研制出了A～E型五代設備。70年代，我國曾用C型和D型設備相結合，經低空核效應實驗，驗證了流星余跡在核爆情況下的快速恢復能力，取得了珍貴的實驗數據。目前國內從事流星余跡研究的主要有西安電子科技大學和信息產業部第54研究所等單位。2001年末到2002年初，西安電子科技大學派遣一名博士生赴南極參與“中日合作流星余跡極區通信試驗”項目。據文獻[4]，試驗在中山站和日本昭和站之間進行，兩站相距1400公里，中山站采用上邊帶調制，載頻46MHz，單音信號1250Hz，發射功率115W，用GPS使收發同步并確保兩站時差在10s以內。該項目是將流星余跡通信應用于南極高緯度地區的首次嘗試，此后該校又連續兩次派博士生赴南極從事流星余跡通信試驗。2003年10月，在第五屆高交會上，西安電子科技大學和深圳無線電管理辦公室就“現代物流星余跡通信系統”項目簽約合作。此外，該校近年來研究項目還有“流星余跡最低限度通信瓶頸技術研究”、十五電子預研背景課題“流星余跡通信自適應數傳和組網協議及專用天線技術”等等。目前該校成功開發出新一代全雙工流星余跡通信系統。據文獻[5]，該系統主要由PC機、通信控制器、收、發信道機、螺旋濾波器、功率放大器以及天線等部分組成，在陜西西安至河北霸州之間進行的距離850km的遠距離流星余跡通信線路實驗，充分驗證了全雙工流星實驗的有效性和電離層散射通信的可能性。

5流星余跡通信的應用

我們可以利用MBC建立成本低廉的數據通信系統、信息收集系統、廣播系統等。

圖2 SCAN系統站點分布圖

數據通信方面的應用。如美國空軍（U.S.A.F.）阿拉斯加空中指揮系統（AAC）， 該系統包括設置在遠距離雷達站的13個大功率（10kW）發射機，作為衛星傳輸雷達數據的后備手段，并成功完成了指揮戰斗機作戰的通信試驗。1983年美國海軍利用流星余跡通信在夏威夷附近成功地向珍珠港指揮中心報告了自己的位置。

信息收集方面的應用。據文獻[6]，1978年美國的MCC與西聯公司聯合建立的SNOTEL系統，目前覆蓋阿拉斯加和美國西部12個州，擁有超過700個遠端站，美國政府利用該系統收集水文氣象數據。美國1991年開始試驗的SCAN系統（見圖2），目前在36個州擁有90個站點，主要進行氣候、土壤監控。2000年9月，美國農業部下屬的NRCS與其他機構合作在Stoneville地區建立了一個主站，從1000英里半徑內的眾多流星突發氣象站收集氣象、土壤數據。巴基斯坦1997年完成的印度河水流預測項目，建立了18個遠端數據收集平臺，數據經由改進的流星余跡通信系統發送。在我國，位于我國西南部的丹江口水電工程利用流星余跡系統來檢測丹江口水庫在輸送水流時的水位。這一數據用于集水處水池的水資源和洪水預測。

美國很早就利用流星余跡通信進行移動物體追蹤。70年代末、80年代初，美國開發了用于基站與數萬在美國行駛的卡車之間進行移動通信的TRANSTRACK系統。1984年，美國SRS公司為美國海防巡邏部門建立了一個利用流星余跡通信自動跟蹤900km以外海上航行船只的系統。

6結束語

流星余跡通信是利用自然形成的流星余跡進行通信的一種通信方式。由于余跡出現的隨機性，因此它屬于突發通信，它獨特的信道特性使其具有抗干擾強、難以截獲、價格低廉等優勢，適合低數據率超視距數據通信、信息收集、遠程跟蹤等用途。為更好的利用流星這一天然“衛星”，尚需作大量工作。為提高流星余跡通信的性能，應充分利用各專業領域的研究成果，使之有效地為流星余跡通信服務，如糾錯碼與交織技術的結合、擴頻技術、OFDM、LDPC碼等技術在流星余跡中的應用等等。如何實現最優網絡規劃;為避免重復建設，保障互聯互通，如何使流星余跡通信系統與已經建成或正在建設的各種通信系統連接起來，制訂相應的技術規范，使之構成一個完整的互為依托的體系，也是我們應該考慮的問題。

參考文獻：

[1]Davras Yavuz. Meteor Burst Communications[J]. IEEE Communications Magazine. 1990，9：40-48.

[2]Akira Fukuda， Kaiji Mukumoto， Yasuaki Yoshihiro. Experiments on meteor burst communications in the Antarctic. Adv. Polar Upper Atmos. Res.， 17，120-136， 2003.

[3]李贊，金力軍. 新一代全雙工流星余跡通信系統. 西安電子科技大學學報（自然科學版）[J].2005，32（3）：封2.

[4]NWS Cold Regions Workshop. SNOW SURVEY， SNOTEL （SNOwpack TELemetry） amp; SCAN （Soil Climate Analysis Network. 2004. http：//www.wcc.nrcs.usda.gov/.