摘要:在山区环境下进行无线通信一直是一个通信难题,由于电磁波受到山体、树木和植被等地势阻挡和吸收,传统的无线通信手段很难进行可靠通信,本文介绍了流星余迹通信的基本原理和传输特点,分析在山区条件下流星余迹通信与短波通信、超短波通信、卫星通信的优势,提出使用流星余迹通信,解决山区条件下中远距离通信困难的问题。
关键词:流星余迹;山区通信;无线通信
1引言
山区由于山高林密,树木茂盛,地势错综复杂,电磁波的传输受到反射和散射的影响,除了正常的自由空间波损耗之外,还会造成多径衰落和散射损耗,无线通信系统在山区通信距离会大大降低,甚至无法通信。目前我国在山区通信主要以无线通信为主,但是由于山区地形造成的无线非视距传输路径,给无线传输带来了挑战,尤其是中远距离传输更是一个难以解决的难题。
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2流星余迹通信原理及网络结构
2.1流星余迹通信原理
流星余迹通信是一种以流星余迹为媒介的超视距通信方式,当流星体与地球接近时,流星体会被地球引力捕获,高速坠入地球大气层,与空气分子剧烈碰撞和摩擦,流星体由于高温而气化,形成一条电离气体柱,这个电离气体柱被称为流星余迹,对VHF(甚高频,频率范围30MHz-300MHz)无线电波产生反射或散射,从而实现超视距远距离无线通信,由于其具有随机突发性又被称为流星突发通信(MeteorBurstCommunicationMBC)。
流星余迹出现在80km到120km的空中,在电离层E层的下边缘地区。因此流星余迹超视距通信跨度可达到1600公里,图1中指出流余,短波和卫星通信三种通信手段的反射点和分布高度,从图中可以看出,流星余迹的反射高度最低,因此极限通信距离会小于卫星和短波通信,但是都是1000公里以上的远距离的无线通信手段。
每天进入地球大气层的流星大约100亿颗,并不是所有的流星都能够利用,只有满足一下条件的流星才能够通信。
(1)流星余迹在通信的两个端点的之间的公共区域。(2)经过流余反射的信号强度高于接收机的灵敏度。(3)流星余迹的发生区域在设备收发天线的波束角范围内。
满足上述的条件的流星才能够进行流星余迹通信。
流余通信传输线路的几何关系如图2所示。如果流星余迹的轨迹和已收、发两端点为焦点的所有椭球面上含两站点的任一椭圆相切,则发射波在其切点被该电离余迹反射。椭圆的性质决定了所有切点的入射角和反射角相等,因而任一切点的反射均可使两站之间构成流星余迹链路。
由于流星余迹基数大,虽然有一些几何路径限制,但是在地球的任意两点,能够提供满足通信要求的流星余迹总是存在的。
流星余迹的信号强度随着时间呈指数规律变化,其信号功率为:Pr(t)=Aoq2e式中,Ao-发射功率、发射频率、发收天线增益、余迹内的电子线密度、余迹的初始半径、余迹扩散系数以及路由的几何关系等参数的函数;q-电子线密度;τ-发射频率、余迹扩散系数和电波入射角的函数。如果接受信号强度低于接收机解调门限时,将中断通信。每颗流星余迹的反射信号强度都会随着时间而衰减,所以流余通信是在通信链路内的突发通信,每一颗流星余迹只有秒级甚至毫秒级的时间能够使用。
2.2流余通信的网络结构
流星余迹通信系统通常由主站和从站组成。主站是通信的起始站,连续的发射带有探测帧的信号,当多个接收站站点中的某个站点收到探测信号则发射应答信号,这时双方建立了通信链路,之后双方利用短暂的余迹持续时间,进行数据交换。当数据交换完成或余迹消失后,主站恢复到探测状态。及流星余迹通信过程是一个探测、建链、通信、中断、再探测的过程循环。
流星余迹通信网络是一种分层异构无线分组数据传输网络。
系统网络分为两层,包括主站间网状骨干网和主从站间星状接入网。主站网状网逻辑上无中心,各节点平等,可两两互通,节点间相互交换路由信息,共同维护网络运行。主从星状接入网以主站为中心,各从站只与所属主站通信,由主站控制各从站节点的接入。通信系统结构如图3所示。
流余通信系统的网络结构特征:以主站为区域中心,通过从站实现地域覆盖;全网以主站为通信枢纽,通过主站中继转发实现网内节点全联通。一个主站只要与网内任何一个主站节点相通,即可实现该节点自身及所属从站全部入网;同样,从站只要与网内任何一个主站建立通信联络,即可实现入网。
3国外流星余迹通信的应用
外国流余通信应用领域集中在信息收集、情报收集、移动通信、大范围通信网等领域,其中大规模的应用系统有北美防空联合司令部通讯网,覆盖了2/3的美国国土;北约盟军军事行动司令部的COMET流余通信系统,各个站点分别位于意大利、英国、挪威、德国、法国。前苏联的流星余迹通信系统为栅格组网,以莫斯科为中心,东连新西伯利亚和远东的伯力,西连基辅,北连圣彼得堡,通信范围覆盖两大洲。日本在海上自卫队也配备了流星余迹通信,保障应急指挥系统通信。
(1)1977年美国流星通信公司(MMC)与西联公司建立了测报积雪监测系统。该系统为监测美国西部地区积雪以及水文探测服务。(2)北美防空联合司令部的流星余迹通信网,覆盖了2/3的美国国土。(3)北约的COMET流星通信系统,站点覆盖了大部分欧盟成员国。(4)前苏联的流星余迹通信网,连通了莫斯科、基辅、新西伯利亚,覆盖了两个大洲。(5)日本的海上自卫队也配备了流星余迹通信系统,作为应急通信手段。
4流余通信在山区环境下的优势
山区无线通信由于山体、树木和植被对无线信号吸收和遮挡,造成信道衰落严重,通信系统的通信覆盖范围受到严重影响,同时发射信号在山体传播过程中经过多次的反射、折射,使接收端收到的信号非常复杂,难以进行解调。流星余迹通信采用的是超视距通信手段,信号传输路径不受山体的影响,可以避免上述不利的因素。山区通信主要是短波通信、超短波通信和近年来的新兴的卫星通信,其中近距离通信主要采用超短波通信,远距离通信使用短波通信和卫星通信。但是这几种通信方式都有其优缺点:短波通信灵活,不容易收地区影响实用性强,但是短波通信容易手段周围噪声和电离层变化的影响,容易造成中断,而且电波通信的功耗大;卫星通信可靠性高,组网灵活,功耗低,但是卫星通信主要依靠卫星资源,运行成本高昂,同时卫星的工作频段是公开的容易受到恶意干扰;超短波通信组网灵活,使用方便、体积小,但是超短波通信是视距传输,对地形要求严格,通信距离短。
流星余迹通信在山区通信有以下几点优点:
(1)设备体积小、架设方便,对地形的要求低。(2)以自然流星作为通信媒介,运行成本低廉。(3)相对短波通信频段,受到的干扰小。(4)通信可靠,不受天气和电离层变化的影响。(5)通信保密性高,抗损毁能力强,由于流星余迹通信是猝发通信,别人很难接收流余信号。(6)通信距离远,单跳传输距离可达到1600公里以上。
5结语
目前山区通信手段单一,有线通信成本比较贵且实施困难,有些地区还没有通信网络,当发生暴雨、泥石流等自然灾害时,很难迅速的上报实时信息和下达指示命令,为了保障可靠通信,需求一种满足山区通信的通信手段。本文将流星余迹通信方式和其他通信方式进行对比,总结流星余迹通信的优点,如果应用到山区环境,既能够满足山区环境通信要求,又可以降低成本和便于维护。
参考文献
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