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）。

　　与传统的频分多路传输方法相比，由于OFDM系统各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统能最大限度地利用频谱资源，并且各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用快速傅里叶变换（IFFT/FFT）来实现。

　　我们可以由熟悉的多载波信号的表达式推导OFDM信号的IFFT表达式。一个多载波信号可表示为

其中，ωn=ω0+nΔω为第n个载波频率，dn为第n个载波上的复数信号。

　　设信号的采样频率为1/T，在t=KT时刻，则有：

　　假定一个符号周期τ内含有N个采样值，即有τ=NT，不失一般性，令ω0=0，则

比较，可以看出，若把dn看作频域采样信号，s(KT)为对应的时域信号。当成立时，式（3）和式（4）等价。由此可知，若选择载波频率间隔为1/τ，用IDFT来定义OFDM，可保持子载波的正交性，式（4）即为OFDM的IDFT数学表示,实际一般用IFFT来实现。在接收端，对信号进行FFT变换，即可恢复dn，因此，FFT变换的过程也就是对OFDM信号的解调过程。

　　随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都很容易实现，从而大大降低了系统实现的复杂度。

2.OFDM流星通信系统设计

　　由于OFDM自身所具有的抗多径干扰、抗窄带干扰、频带利用率高以及实现方便等优点，使其在流星信道条件下的数据传输的实现中成为一种比较理想的选择方案。

　　(1)OFDM主要参数选取

　　流星余迹通信中可采用MPSK、MQAM（矩形QAM）的调制方式。矩形QAM信号星座具有容易产生的独特优点，即通过在两个相位正交的子载波上施加两个PAM信号来产生。此外，它们也相对容易解调。矩形QAM星座包括4QAM、16QAM以及64QAM等，因此每个星座点分别所对应的比特数量为2、4、 6。采用这种调制方法的步长必须为2，而利用MPSK则可传输任意比特数量如1、2、3，分别对应2PSK、4PSK及8PSK。并且MPSK调制的另一个好处就是该调制方案是等能量调制，不会由于星座点的能量不等而为OFDM系统带来峰平比（PAR）较大的问题。但是其缺点也是显而易见的，即性能不如QAM调制方法好，特别当M比较大的时候。

　　每个子信道可采用不同的调制方式，选择时要兼顾数据速率、频谱效率以及传输的可靠性，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。采用自适应技术，特性较好的子信道可采用效率较高的调制方式，而衰落较大的子信道选用低效方式，选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。

　　（2）M-OFDM时域和频域同步

　　在M-OFDM系统中，OFDM接收机为了正确地解调出各个子载波，在解调之前至少必须完成两个同步任务时间同步和频率同步。时间同步就是所谓的定时恢复，也包括两个内容：①采样时钟同步，包括时钟频率和相位的同步捕获与跟踪；②码元同步，又称位同步，是指估计OFDM符号的起始界，找到正确的FFT窗口位置以便进行无ISI、无ICI符号解调或使ISI/ICI最小化。在OFDM接收机中，可以借助特殊的训练序列来实现同步，也可以利用OFDM本身的循环结构即利用循环前缀来完成符号同步。基于训练序列/训练符号的方法被称为前导训练同步，发送的训练序列是接收机已知的，属于非盲符号同步算法；基于循环前缀的符号同步算法，被称为循环前缀同步算法，由于无需知道具体的训练数据信息，属于盲同步算法。本文中设计的发送序列为已知的，初始同步属于非盲符号同步算法。在确定位同步之后，即根据位同步来确定相应的帧同步进而接收数据帧。

　　在信号捕获阶段采用滑动窗口的FFT算法确定位同步时， 滑动步长的大小确定比较关键，要同时兼顾到同步精度以及DSP 的运算速度。滑动步长太大，同步精度就会降低；滑动步长减小，同步精度将会提高，但对DSP处理速度就有更高的要求。设计中应根据实际情况作必要的取舍。其流程如图1所示，其中N为FFT运算的点数，k为滑动步长。

　　 频率同步即载波同步，要求接收端的振荡频率要与发送载波同频同相。由于各子载波之间利用正交性来区分，确保这种正交性对于OFDM系统来说至关重要，因此对载波同步的要求也就相对比较严格。载波频率偏差将会导致接收信号在频域里的移动，如果载波频率偏差是子载波间隔Δｆ的ｎ倍，那么接收的频域子载波被移动ｎ个子载波位置。在这种情况下，子载波之间仍然是相互正交的，但是接收的数据符号在解调的谱中处于错误的位置，这将导致误错误的解调数据；如果载波频率偏差不是子载波间隔Δｆ的ｎ倍，那么在子载波之间将会有能量泄漏，使子载波间的相互正交性遭到破坏，产生干扰，从而影响系统BER性能。由于OFDM信号对频差的敏感性，在数据解调之前，必须先对频差进行估计，然后予以校正。此时进行准确的频偏估计是十分必要的，常用估计的方法有插入导频法，最大似然估计法等。具体的估计算法可查阅相关文献资料［2，3］。

　　（3）PAR的解决

　　由于OFDM信号是有一系列独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就很有可能产生比较大的峰值功率（Peak Power）,由此很容易造成较大的峰值平均功率比（peak-to-average ratio，PAR），简称峰平比。峰平比可定义为

　　　　PAR过高是OFDM系统的一个主要缺点，即相对于单载波系统，OFDM发射机的输出信号瞬时值会有较大的波动。这将要求系统内的一些部件，如功率放大器、A/D、D/A等具有很大的线性动态范围。否则，这些部件的非线性会对动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的谐波也会造成子信道间的相互干扰，从而影响OFDM系统的性能。因此减小PAR是OFDM系统所面临的一个重要问题。

　　目前常用的减小PAR的方法主要分3类：编码方法、信号预畸变技术和加扰乱序列。在实际应用中几类方法也可结合起来使用，在PAR得到最大改善的同时使系统性能达到最佳。图2所示为经过峰平比处理前后的OFDM信号的仿真波形图。信号为QPSK调制,仿真表明经处理后信号的PAR要比原始信号降低3 dB左右。

四、结束语

　　本文在研究流星余迹信道的基础上,提出了将OFDM应用于流星余迹通信的设计思想，主要是利用OFDM高效率传输及抗多径干扰来提高通信系统的性能。对OFDM流星通信系统设计中的几个关键技术即参数的选取、同步以及峰平比的降低进行了比较深入的分析,并给出了可行的解决方案。本文提出的系统设计方案现已进入实现阶段，测试表明系统性能良好。

参考文献

［1］SUGAR,G R.Radio propagation by reflection from meteroric trails［Ｊ］. Pro.IEEE,1964,52:116~136.

［2］Timothy M Schmidl,Donal C Cox.Robust frequency and timing synchronization for OFDM［Ｊ］.IEEE transactions on communications.1997 ,45(12).

［3］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用［Ｍ］. 北京：人民邮电出版社，2003.