OFDM在流星余迹通信中的应用

　　摘 要：流星余迹通信是一种突发通信。在研究流星余迹通信及其信道特点的基础上，提出了将OFDM应用于流星余迹通信的设计思想，对具体实现中的关于OFDM参数的选取、同步及峰平比的降低等关键技术进行了深入分析，并给出了可行的解决方案。

　　关键词：流星余迹通信; 正交频分复用; 多径干扰;参数选择

一、引言

　　流星余迹通信是利用流星电离余迹对VHF无线电波的反射和散射作用来进行通信的。由于流星电离余迹的持续时间一般很短，仅为几百毫秒到1 s左右，所以一个余迹消失后，要等待下一个适用的流星余迹出现，其等待时间一般为几秒钟至几分钟甚至更长。显然，这种通信方式只能是间断的、突发的，故也叫流星突发通信。上世纪50年代，人们开始研究流星余迹通信的可行性。随着半导体技术和微型计算机技术的发展，流星余迹通信开始应用在低速率数据传输系统中。到90年代初，出现了数据传输速率从2~64 kbps自适应变化的流星余迹通信系统，极大提高了系统的传输性能。流星余迹通信具有保密性好、抗干扰性强、传输距离远以及设备简单等众多优点，被广泛应用于军事、气象、海洋、水质、大气污染的监测报告等各领域。

　　由于流星余迹通信信道的特殊性，为了更有效地进行数据传输，提高数据通过率，必须选择高效的数据传输方式。流星余迹通信的一个最为突出的特点就是其突发性，用于一次数据传输的时间只有几百毫秒甚至更短；另外流星信道还存在着多径干扰，这也对数据传输的效率产生负面影响。近年来得到快速发展的正交频分复用(OFDM)技术具有频谱效率高、抗干扰性能好、可自适应选择调制方式、可动态分配信道、实现方便等众多优点而得到广泛应用。OFDM用于流星通信系统无疑将能使系统保持高的数据通过率同时具有较强的抗多径干扰能力。

二、流星余迹通信的信道特点

　　按照余迹的电子线密度，流星余迹可分为2类：电子线密度大于或等于2×1014 e/m的称为过密类，小于2×1014e/m的称为欠密类。随着余迹的扩散，电子线密度随之下降。
　　对于欠密类流星余迹,接收信号的功率随时间呈指数衰减,所以一次流星余迹的可用时间很短并且通信方式也只能是间断式的，要获得较高的数据通过率，必须使用具有较高速率的数据传输方式。对于过密类余迹也有类似的结论。

　　国内外在提高流星余迹通信的传输速率时，发现实际信道容量的提高远小于理论预计值，这是由于多径传播引起的。在流星余迹通信中多径产生的一个主要原因是在离地面80~100 km高度上天线照射区内出现两个或多个流星余迹。尤其在过密类余迹中，出现两个或多个流星余迹的概率增加。多个流星余迹引起的多径信号的时间迟延可达300~500μs。另一个产生多径干扰的原因是由于电离层中风的剪切作用。单个过密类余迹畸变为不规则的圆柱，形成两个或更多的主菲涅耳区，因而产生了几个不同的传输路径。这种情况下的多径延迟最大可为几十微秒。夏季经常而不定期出现的离散E层，它的信号往往很强。E层反射信号多径时散值约40μs，而且包含严重的快衰落。在高纬度和极区离散E层也较多地产生，再加上极光产生多径干扰，在极区多径延迟时间可以超过1 ms。因此抗干扰特别是多径干扰也是流星余迹通星要解决的一个重要问题。

　　针对流星余迹通信的上述特点，在系统设计方案中我们引入了OFDM技术。

三、OFDM及其在流星通信中的应用

1.OFDM基本原理

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作是一种调制技术，也可看作是一种复用技术。其基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影响。同时还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由多径带来的符号间干扰（ISI）。而且，一般采用循环前缀作为保护间隔，从而还可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI）。