标签：通信 星际穿越
为了纪念已经快忘得差不多了的通信知识（毕业这么久了。。。），作为一个EE屌丝我也来818 Interstellar中关于深空通信的片段。由于以前在法国做过一个欧航局的的土星探测器项目分析，又学的是optical communication, 做过一些free space optics（自由空间光通信，未来星地通信的趋势）的research,所以一直对空间通信挺感兴趣（虽然后面也是因为项目牵涉国防过于敏感没有申到博士。。。another story).
首先不得不说interstellar真的是一部好片子，看完了之后对于NASA的敬仰真是五体投地，后悔就后悔自己没投胎到美国，随便学学telecommunication就能进NASA。废话不多说，先说片头cooper诱捕印度无人机，这里面涉及到的电子干扰和信息对抗知识，博主我也只能说NASA的宇航员果然都是科班出身，不仅理论过硬，动手能力也是极强。Cooper就算买的天线，扫频范围也要自己调吧，再计算个信道衰减，多径噪声啥的，无人机就算没人控制是按默认程序飞也有个firewall吧，cooper大神就这么在如此Bumpy的车上就hack进去了还成功输入了GPS坐标让其降落，博主一开场就知道他不拯救世界谁能拯救世界了好吗
后来小分队出发，前往土星附近的虫洞做星际跳跃（当时博主一下就想到了欧航局和NASA的TSSM 泰坦和土星探测计划，当时写这报告用法语写了45页啊，比看这电影还烧脑），其实这里涉及的通信技术现代科技都还可以支撑，毕竟伟大的旅行者1号都飞出太阳系了嘛（想到后会无期了咩），还是仅靠一个直径3.7m的antenna和DSN（deep space network）通信，虽然一次信号传输时间需要18h(信号光速传播130天文学单位，约为2亿公里)。既然讲到了大名鼎鼎的DSN，不得不提两句。作为NASA也是全球最大的深空通信地面系统，它由三个分布于澳大利亚，加州和西班牙的，装备有世界上灵敏度最高的深空探测系统组成（多个直径34m或者高达70m的高增益或者波束波导天线BWG），每一个都复杂的集成了双向的数字信号处理，编码解码，调制解调，滤波放大等单元。随着旅行者1号越飞越远，抵达地球的信号越来越弱，NASA的工程师们也通过升级阵列雷达等方法来提高接受灵敏度(这里建议大家翻墙去youtube上看一个叫做The History and Future of Space Communications - Celebrating 50 Years of the NASA Deep Space Network的视频，主讲人就是DSN的项目主管)....既然扯远了....那就再扯远点吧...
深空通信中一个很大的问题是多普勒效应，飞行器和地球相对运动造成了接受频率的频移，那么DSN如何解决这个问题呢？答案就是PLL(锁相环，数字通信的关键之一，具体原理请baidu)不论你多普勒频率怎么变，它都可以使输出的信号稳定在某一频率，DSN把该载波频率传给飞行器，飞行器再用该载波进行调制，那么这样地面接受到的就会是固定的频率啦，也就不需要宽频带的接收机啦~至于放大器啦，DSN使用的都是受激辐射放大器，可以有效抑制噪声。
后来cooper勇猛的跳进黑洞，我们知道，根据爱因斯坦理论，黑洞是一种密度极大的天体，它产生的强大引力场连光都无法逃脱，那么问题来了，无线电波呢，黑洞里面可以和外部通信吗？答案当然是可以，根据霍金辐射理论，黑洞在吞噬了物质之后都会向外辐射粒子来中和吸收的物质（上帝果然是天平座啊...），而根据测不准原理，粒子的位置与动量不可能同时定义的很精确，因此有些粒子必然溢出黑洞，所以利用这些粒子编码进行便量子通信有了可能（这里感觉NASA会求助中国，毕竟量子通信现在中国走在了世界前列）。好吧，博主暂且认为cooper身上背了个便携式量子接受器之类的玩意儿。
还有一点就是影片中涉及到的视频单向传输的问题，其实感觉地面站采取的就是广播的方式，不需要飞船回ACK（本来DSN也是在不断的向外太空各NASA飞行器不断广播），最简单的也就是最有效的方式，复杂的重传机制也许可以更加有效，但是记住 ，这是太空，一个ack回个18h也没啥意义。另外，一个持续的端到端的TCP连接对于深空也是没有意义的，这也是为啥NASA在搞DTN（disruption-tolerant networking）一种适用于空间通信的协议，简单来说就是如果connection不好的话，就暂停发送packet，直到链路回复再继续发送。
总之深空通信会遇到很多问题，例如太阳辐射干扰电子设备啦，通信时延啦，太空射线啦，热噪声等等。举例，太空辐射学认为，对于10GHz的信号，Noise level在-215 dBW/Hz才能让DSN听到。也就是说100kHz带宽，接受功率-157 dB (-157 dBW)的信号，信噪比只有8 dB.带宽降低10倍，信噪比才能提升1倍。在没有纠错码前提下，太复杂的编码，如16QAM，64QAM达不到这个要求，也只有QPSK，甚至BPSK能够达到这一要求，根据香农定理，这样算下来基本速率可达150-700kbit/s。不过还有一个解决办法，也是NASA正在使用的，就是Turbo码。在AWGN 信道下，码率为1/2 的Turbo 码在达到误比特率（BER) ≤ 105时，Eb/N0仅为约0.7dB，这简直就是禽兽好吗，这样的话，妈妈再也不用担心飞行器飞太远导致接收到的信号过低了好吗。
其实还有很多技术可以改善深空通信的质量：
在几个固定的星球释放卫星，建立一个卫星网
使用激光通信（近地轨道NASA已经成功用1h传输了1.25Gb，可是碰到光路中突然开了个黑洞就完蛋了）
使用中继链路，比如让旅行者1号在旅途中每隔一段时间释放一个中继吊舱，通过这些吊舱组成一条通信链路。
爱因斯坦认为巨大引力的物体对光线有折射作用，太阳便是其中之一。利用太阳把遥远飞船发射的电磁波汇聚到太阳后一个与它较近的飞船，再通过它把信号传回地球。
使用超过光速的中微子通讯（结果被证明是读数错了...）
本文出自 “布列塔尼薄饼” 博客，请务必保留此出处http://bretoncrepe.blog.51cto.com/9590251/1581723
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