流余通信在山區(qū)條件下的應(yīng)用

孫明杰　陳文周

摘要：在山區(qū)環(huán)境下進(jìn)行無線通信一直是一個(gè)通信難題，由于電磁波受到山體、樹木和植被等地勢(shì)阻擋和吸收，傳統(tǒng)的無線通信手段很難進(jìn)行可靠通信，本文介紹了流星余跡通信的基本原理和傳輸特點(diǎn)，分析在山區(qū)條件下流星余跡通信與短波通信、超短波通信、衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)，提出使用流星余跡通信，解決山區(qū)條件下中遠(yuǎn)距離通信困難的問題。

關(guān)鍵詞：流星余跡；山區(qū)通信；無線通信

中圖分類號(hào)：TN926 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0021-02

1 引言

山區(qū)由于山高林密，樹木茂盛，地勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，電磁波的傳輸受到反射和散射的影響，除了正常的自由空間波損耗之外，還會(huì)造成多徑衰落和散射損耗，無線通信系統(tǒng)在山區(qū)通信距離會(huì)大大降低，甚至無法通信。目前我國在山區(qū)通信主要以無線通信為主，但是由于山區(qū)地形造成的無線非視距傳輸路徑，給無線傳輸帶來了挑戰(zhàn)，尤其是中遠(yuǎn)距離傳輸更是一個(gè)難以解決的難題。

2 流星余跡通信原理及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 流星余跡通信原理

流星余跡通信是一種以流星余跡為媒介的超視距通信方式，當(dāng)流星體與地球接近時(shí)，流星體會(huì)被地球引力捕獲，高速墜入地球大氣層，與空氣分子劇烈碰撞和摩擦，流星體由于高溫而氣化，形成一條電離氣體柱，這個(gè)電離氣體柱被稱為流星余跡，對(duì)VHF（甚高頻，頻率范圍30MHz-300MHz）無線電波產(chǎn)生反射或散射，從而實(shí)現(xiàn)超視距遠(yuǎn)距離無線通信，由于其具有隨機(jī)突發(fā)性又被稱為流星突發(fā)通信（Meteor Burst Communication MBC）。

流星余跡出現(xiàn)在80km到120km的空中，在電離層E層的下邊緣地區(qū)。因此流星余跡超視距通信跨度可達(dá)到1600公里，圖1中指出流余，短波和衛(wèi)星通信三種通信手段的反射點(diǎn)和分布高度，從圖中可以看出，流星余跡的反射高度最低，因此極限通信距離會(huì)小于衛(wèi)星和短波通信，但是都是1000公里以上的遠(yuǎn)距離的無線通信手段。

每天進(jìn)入地球大氣層的流星大約100億顆，并不是所有的流星都能夠利用，只有滿足一下條件的流星才能夠通信。

（1）流星余跡在通信的兩個(gè)端點(diǎn)的之間的公共區(qū)域。（2）經(jīng)過流余反射的信號(hào)強(qiáng)度高于接收機(jī)的靈敏度。（3）流星余跡的發(fā)生區(qū)域在設(shè)備收發(fā)天線的波束角范圍內(nèi)。

滿足上述的條件的流星才能夠進(jìn)行流星余跡通信。

流余通信傳輸線路的幾何關(guān)系如圖2所示。如果流星余跡的軌跡和已收、發(fā)兩端點(diǎn)為焦點(diǎn)的所有橢球面上含兩站點(diǎn)的任一橢圓相切，則發(fā)射波在其切點(diǎn)被該電離余跡反射。橢圓的性質(zhì)決定了所有切點(diǎn)的入射角和反射角相等，因而任一切點(diǎn)的反射均可使兩站之間構(gòu)成流星余跡鏈路。

由于流星余跡基數(shù)大，雖然有一些幾何路徑限制，但是在地球的任意兩點(diǎn)，能夠提供滿足通信要求的流星余跡總是存在的。

流星余跡的信號(hào)強(qiáng)度隨著時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律變化，其信號(hào)功率為：Pr（t）=Aoq2e

式中，Ao-發(fā)射功率、發(fā)射頻率、發(fā)收天線增益、余跡內(nèi)的電子線密度、余跡的初始半徑、余跡擴(kuò)散系數(shù)以及路由的幾何關(guān)系等參數(shù)的函數(shù)；

q -電子線密度；

τ-發(fā)射頻率、余跡擴(kuò)散系數(shù)和電波入射角的函數(shù)。

如果接受信號(hào)強(qiáng)度低于接收機(jī)解調(diào)門限時(shí)，將中斷通信。每顆流星余跡的反射信號(hào)強(qiáng)度都會(huì)隨著時(shí)間而衰減，所以流余通信是在通信鏈路內(nèi)的突發(fā)通信，每一顆流星余跡只有秒級(jí)甚至毫秒級(jí)的時(shí)間能夠使用。

2.2 流余通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

流星余跡通信系統(tǒng)通常由主站和從站組成。主站是通信的起始站，連續(xù)的發(fā)射帶有探測(cè)幀的信號(hào)，當(dāng)多個(gè)接收站站點(diǎn)中的某個(gè)站點(diǎn)收到探測(cè)信號(hào)則發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，這時(shí)雙方建立了通信鏈路，之后雙方利用短暫的余跡持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)數(shù)據(jù)交換完成或余跡消失后，主站恢復(fù)到探測(cè)狀態(tài)。及流星余跡通信過程是一個(gè)探測(cè)、建鏈、通信、中斷、再探測(cè)的過程循環(huán)。

流星余跡通信網(wǎng)絡(luò)是一種分層異構(gòu)無線分組數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為兩層，包括主站間網(wǎng)狀骨干網(wǎng)和主從站間星狀接入網(wǎng)。主站網(wǎng)狀網(wǎng)邏輯上無中心，各節(jié)點(diǎn)平等，可兩兩互通，節(jié)點(diǎn)間相互交換路由信息，共同維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。主從星狀接入網(wǎng)以主站為中心，各從站只與所屬主站通信，由主站控制各從站節(jié)點(diǎn)的接入。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

流余通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征：以主站為區(qū)域中心，通過從站實(shí)現(xiàn)地域覆蓋；全網(wǎng)以主站為通信樞紐，通過主站中繼轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)全聯(lián)通。一個(gè)主站只要與網(wǎng)內(nèi)任何一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)相通，即可實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)自身及所屬從站全部入網(wǎng)；同樣，從站只要與網(wǎng)內(nèi)任何一個(gè)主站建立通信聯(lián)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)。

3 國外流星余跡通信的應(yīng)用

外國流余通信應(yīng)用領(lǐng)域集中在信息收集、情報(bào)收集、移動(dòng)通信、大范圍通信網(wǎng)等領(lǐng)域，其中大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)有北美防空聯(lián)合司令部通訊網(wǎng)，覆蓋了2/3的美國國土；北約盟軍軍事行動(dòng)司令部的COMET流余通信系統(tǒng)，各個(gè)站點(diǎn)分別位于意大利、英國、挪威、德國、法國。前蘇聯(lián)的流星余跡通信系統(tǒng)為柵格組網(wǎng)，以莫斯科為中心，東連新西伯利亞和遠(yuǎn)東的伯力，西連基輔，北連圣彼得堡，通信范圍覆蓋兩大洲。日本在海上自衛(wèi)隊(duì)也配備了流星余跡通信，保障應(yīng)急指揮系統(tǒng)通信。

（1）1977年美國流星通信公司（MMC）與西聯(lián)公司建立了測(cè)報(bào)積雪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)美國西部地區(qū)積雪以及水文探測(cè)服務(wù)。（2）北美防空聯(lián)合司令部的流星余跡通信網(wǎng)，覆蓋了2/3的美國國土。（3）北約的COMET流星通信系統(tǒng)，站點(diǎn)覆蓋了大部分歐盟成員國。（4）前蘇聯(lián)的流星余跡通信網(wǎng)，連通了莫斯科、基輔、新西伯利亞，覆蓋了兩個(gè)大洲。（5）日本的海上自衛(wèi)隊(duì)也配備了流星余跡通信系統(tǒng)，作為應(yīng)急通信手段。

4 流余通信在山區(qū)環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)

山區(qū)無線通信由于山體、樹木和植被對(duì)無線信號(hào)吸收和遮擋，造成信道衰落嚴(yán)重，通信系統(tǒng)的通信覆蓋范圍受到嚴(yán)重影響，同時(shí)發(fā)射信號(hào)在山體傳播過程中經(jīng)過多次的反射、折射，使接收端收到的信號(hào)非常復(fù)雜，難以進(jìn)行解調(diào)。流星余跡通信采用的是超視距通信手段，信號(hào)傳輸路徑不受山體的影響，可以避免上述不利的因素。山區(qū)通信主要是短波通信、超短波通信和近年來的新興的衛(wèi)星通信，其中近距離通信主要采用超短波通信，遠(yuǎn)距離通信使用短波通信和衛(wèi)星通信。但是這幾種通信方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)：短波通信靈活，不容易收地區(qū)影響實(shí)用性強(qiáng)，但是短波通信容易手段周圍噪聲和電離層變化的影響，容易造成中斷，而且電波通信的功耗大；衛(wèi)星通信可靠性高，組網(wǎng)靈活，功耗低，但是衛(wèi)星通信主要依靠衛(wèi)星資源，運(yùn)行成本高昂，同時(shí)衛(wèi)星的工作頻段是公開的容易受到惡意干擾；超短波通信組網(wǎng)靈活，使用方便、體積小，但是超短波通信是視距傳輸，對(duì)地形要求嚴(yán)格，通信距離短。

流星余跡通信在山區(qū)通信有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)備體積小、架設(shè)方便，對(duì)地形的要求低。（2）以自然流星作為通信媒介，運(yùn)行成本低廉。（3）相對(duì)短波通信頻段，受到的干擾小。（4）通信可靠，不受天氣和電離層變化的影響。（5）通信保密性高，抗損毀能力強(qiáng)，由于流星余跡通信是猝發(fā)通信，別人很難接收流余信號(hào)。（6）通信距離遠(yuǎn)，單跳傳輸距離可達(dá)到1600公里以上。

5 結(jié)語

目前山區(qū)通信手段單一，有線通信成本比較貴且實(shí)施困難，有些地區(qū)還沒有通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)生暴雨、泥石流等自然災(zāi)害時(shí)，很難迅速的上報(bào)實(shí)時(shí)信息和下達(dá)指示命令，為了保障可靠通信，需求一種滿足山區(qū)通信的通信手段。本文將流星余跡通信方式和其他通信方式進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)流星余跡通信的優(yōu)點(diǎn)，如果應(yīng)用到山區(qū)環(huán)境，既能夠滿足山區(qū)環(huán)境通信要求，又可以降低成本和便于維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王小波.流星余跡通信系統(tǒng)中通信控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2015.

[2]張波，樊銳軼.流余通信在海洋信息傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)[J].信息通信，2016，（4）：212-213.

[3]胡炳輕，陳鳴.流星突發(fā)通信在軍事通信中的應(yīng)用分析[J].無線電通信技術(shù)，2008，34（3）：58-61.

[4]蔣曉紅，呂東強(qiáng)，肖斌.認(rèn)知無線電在山區(qū)無線通信中的應(yīng)用研究[J].無線電通信技術(shù)，2010，36（6）：55-57.