流星余迹突发检测及其信道模型仿真

张 磊， 朱立东

（电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都 611731）

0 引言

由于地球引力的存在，星际物质离地球很近时，会偏离原轨道高速撞向地球，穿过大气层的时候，剧烈的摩擦使得自身燃烧发光，形成流星。摩擦的过程中气体分子产生了电离，在流星运行的轨道上留下了电离气体柱，这就是流星余迹。

流星余迹通信的传输距离远，通信距离可达2 000 km，且不会因为气候，时空等变化或者电离层的骚扰，影响通信质量；由于流星的突发性，所以流星余迹通信的保密性好，抗干扰能力强，不容易被敌方侦查，干扰及拦截。另一方面，流星余迹通信容量小，数据率不高，并且数据率随时间，气候和季节变化。流星具有突发性，所以通信常常会出现间断、时延，不适合民用通信[1]。

目前实测数据不方便对外公开，所以对于流星余迹通信突发检测的研究很少，研究集中在利用计算机仿真产生数据，并利用此数据进行信道容量估计[2]，链路分析和设计[3],反射特性分析[4]等居多。现利用有限的实测数据，进行突发检测的研究，并得出规律性的参数分布，进而研究后续的信道建模，在文献[5]的基础上，假设出方程里面某些参数的分布，进而得出比较精确的信道模型。

1 流星突发检测方法

1.1 平滑实测数据

一般说来，数据采集系统采集到的数据，往往叠加有噪声。噪声有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。前者的典型代表为50 Hz的工频干扰，后者的代表为随机信号。由于随机干扰的存在，使得用采样离散数据绘成的曲线呈现折线形状，很不光滑。这表明采样数据中的高频成分比较丰富。为了消除干扰的影响，提高曲线的光滑度，常常需要对采样数据进行平滑处理。引入五点三次平滑方法。具体的方法如下：

对采集到的离散数据序列 x ( n Ts)进行平滑，设采样得到的 2N+1个等间 隔 点 x-N, x-N+1, … ,x-2, x-1,x0, x1, x2, … ,xN-2,xN-1,xN上 的 采 样 值 为 y-N, y-N+1, … ,y-2, y-1,y0,y1, y2,… ,yN-2, yN-1,yN。假设用m次多项式来平滑所得到的采样值，

为了确定出式(1)中的系数，使多项式对于所给出的采样离散值具有很好的平滑，将所有点(ti, yi) 代入式(1)，有2N+1个等式：

由于平滑的曲线不一定通过所有的点(ti, yi) ，所以这些等式不全为 0。根据最小二乘法原理，对于(2N+1)组数据(ti, yi)，求其最好的系数值 aj，就是求能使误差 Ri的平方和为最小值的那些 aj值。设：

使 φ ( a0, a1,… ,am)达到最小值。则 a0, a1,… ,am必须满足下列方程组：

式(5)叫做“正规方程组”。

当N=2，m=3时，并注意N与 ti的关系，则有：

再代入式(1)，并令 t =0、 ±1、 ±2得五点三次平滑公式：

当点数很多时，起始两点用式(7)前两个等式，末尾两点用式(7)后两个等式，中间各点均用式(7)第三个等式进行平滑。这就相当于在每个子区间用不同的三次最小二乘多项式进行平滑。

因为在数据采集系统中，数据序列多是以 n = 1、 2、…、N的次序排列的，将式(7)变为：

1.2 流星突发检测机制的具体实现

首先介绍几个概念：

①中值电平：对一段时间内电平测量信号求平均得到的平均值；

②平均衰落持续时间：低于中值电平开始到下一个高于中值电平结束的时间；

③衰落次数：信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平，并且衰落持续时间大于30 ms的次数；

④平均噪声功率：为一个经验值，根据多次测试数据得出。在有限的数据里面，这个值的取值范围大致在（100～110 dBm）之间；

⑤触发门限：大于三倍的平均噪声功率，相当于大于噪声功率5 dBm。

1.3 假设检验

利用文献[5]提出的假设检验的方法判定流星突发等待时间是否服从指数分布，将判定后结果写在外部文件中。

2 流星余迹信道建模

欠密类流星余迹接收功率的衰减因子为[6-8]：

其中，λ为余迹的波长，参数与流星余迹工作频率 f有关。流星余迹工作频率一般在35～60 MHz的VHF频段。diffuse为流星余迹的扩散系数，利用经验公式 1 0(0.067×high_burst-5.6)获得。angle为入射半径和反射半径夹角的一半，参数与余迹的发生高度及地面通信的距离有关系，angle=为流星余迹的发生高度，通常在80～120 km，经验公式为 h igh_ b urst = （124-17lgf），考虑到实际流星突发的随机性，所以假设高度服从均值为（124 - 17lgf），方差为1的高斯分布。

过密类流星衰减因子为：

其中，0= 0 .8852× 10-14，可以认为是一个常数。

接收和发射半径 Rr， Rt：由于地球是个不规则的球体，半径约为6 378 km。实际的通信距离在600～1400 km之间，可以忽略球体对高度和距离的影响。所以：

从统计规律上得出，流星余迹的电子线密度每增加一个量级，它出现的概率就会变为原来的十分之一。所以流星余迹电子线密度大致服从均匀分布，用下面的式子逼近流星余迹电子线密度的值。

T为（0,1）之间的均匀分布。根据流星余迹的不同电子线密度，流星余迹被分为：欠密类和过密类两种。欠密类的电子线密度小于 1 014，持续时间大约在几百毫秒，并且接收功率呈指数形式衰减。过密类的电子线密度大于 1 014，其持续时间长于欠密类流行的持续时间，并且衰减规律也与欠密类有很大的差别，不服从指数衰减规律。流星的大小决定电子线密度，而真正进入大气层的流星大小并不太大，流星余迹主要以欠密类为主。

欠密类流星余迹接收机接收到的信号功率为：

2.2.1 混合沥青动稳定度实验 试验中，MY改性沥青的动稳定度和车辙深度采用全自动车辙实验仪，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中规定规定的方法进行测试。MY改性沥青按试验规程制备车辙板试件，车辙试验温度和轮压均按照试验规程设定的实验条件进行。

式中, a ngle_ E _ Rr为流星余迹电场 E与Rr之间的夹角。angle_ a xis_ R t_Rr为流星余迹轴向与 Rr和 Rt的平面夹角。这里假设上述两个角度服从的均匀分布。其中 P为发射功率。 Gt为发射天线的增益。 Gb为接收天线的增益。

过密类流星余迹接收机接收到的信号功率为：

3 仿真及结果分析

对于实测数据，利用突发检测的方法，得出参数的数值，结果写在外部文件中，结果如图1和图2所示。

图1 峰值功率与距离的变化关系

表1 利用突发检测所得的结果（部分的结果）

假设检验得出到达时间服从指数分布，并且给定了相应的参数值。利用这个参数进行建模，建模时统计流星突发的总次数，过密类和欠密类的次数，接收信号的功率衰减情况。由于得到的实测数据很少，无法得出到达时间服从指数分布的参数，但是为了后续的仿真，现有文献中统计出流星的到达服从参数是13.2的泊松分布，所以假设到达时间服从参数为13.2的指数分布。

在发射功率为1 w，发射和接收天线增益均为1，到达时间服从13.2的指数分布，工作频率为45 MHz，测试时间为300 s。当通信距离不同时，仿真得到了功率随时间变化的曲线，如图3所示。在发射功率为1 w，发射和接收天线增益均为 1，到达时间服从13.2的指数分布，通信距离为1 000 km，测试时间为300 s。当工作频率不同时，仿真得到了功率随时间变化的曲线，如图4所示。

图2 峰值功率与工作频率变化关系

4 结语

通过突发检测得到流星余迹到达突发时刻、持续时间、衰减常数等参数的具体数值，并且得到流星余迹到达时间间隔服从指数分布，即流星余迹到达服从泊松分布。与现有文献中流星余迹到达服从泊松分布相符。

流星余迹信道建模。随着频率和发生高度的变化，流星余迹突发的次数不会发生太大的变化，但是衰减因子和功率的峰值会有变化。由于测试时间较短，导致突发规律性不是那么明显，但是流星余迹接收信号整体的衰减趋势与理论相符，证明建模过程是正确合理的。

由于数据有限，参数规律性统计存在偏差，下一步的工作争取得到更多的数据完善突发检测方法，以及得出更精确的参数分布值。

[1] 刘志斌，陈家松. 流星余迹猝发通信分析[J]. 舰船电子工程,2006,135(04)：125-128.

[2] WEITZEN J A, BIRKEMEIER W P. An Estimate of the Capacity of the Meteor Burst Channel[J]. IEEE Transactions on Communications, 1984,COM-32(08)：972-974.

[3] 王伟. 流星余迹通信链路的分析与设计[J]. 通信系统与网络技术,2007, 33(01)：4-6.

[4] LI Z, LU X F,SI J B. An Adaptive Approach of Semi-blind Data and Channel Estimation for Meteor Burst Communications[J].Communications and Mobile Computing,2009(01)：386-390.

[5] 盛骤，谢式千，潘承毅. 概率论与数理统计[M].第3版. 北京：高等教育出版社，2001：241-252.

[6] 孙萍，张永莲，秦志强. ITS宽带短波信道及其噪声的建模和仿真[J]. 通信技术, 2009,42(02)：15-17.

[7] 张金平，韩娟娟，金立军. 流星余迹通信信道建模与性能仿真[J].无线电通信技术, 2002,28(05)：41-44.

[8] 李光明，宋裕农，蔡广友. 甚低频通信信道建模与仿真[J]. 通信技术, 2010,43(06)：41-43.

Web安全问答（3）

问：什么叫网站挂马

答：“挂马” 就是黑客入侵了一些网站后，将自己编写的网页木马嵌入被黑网站的主页中，当访问者浏览被挂马页面时，将会被植入木马，黑客便可通过远程控制来实现不可告人的目的。网页木马就是将木马和网页结合在一起，打开网页的同时也会运行木马。最初的网页木马原理是利用IE浏览器的ActiveX控件，运行网页木马后会弹出一个控件下载提示，只有点击确认后才会运行其中的木马。这种网页木马在当时网络安全意识普遍不高的情况下还是有一点使用价值的，但是其缺点是显而易见的，就是会出现ActiveX控件下载提示。当然现在很少会有人去点击那莫名其妙的ActiveX控件下载确认窗口。在这种情况下，新的网页木马诞生了。这类网页木马通常利用了IE浏览器的漏洞，在运行的时候没有丝毫提示，因此隐蔽性极高。