基於認知無線電的寬頻航空數據鏈基礎理論研究

《基於認知無線電的寬頻航空數據鏈基礎理論研究》是依託清華大學，由張超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於認知無線電的寬頻航空數據鏈基礎理論研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：張超
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

以甚高頻（VHF）數據鏈為主體的航空數據鏈是空中交通管理和空地通信系統重要組成部分，為新航行系統中通信、導航和監視數據傳輸提供數據鏈路保障。目前國際民航組織建議的甚高頻數據鏈均採用時分多址(TDMA)接入方式，屬於窄帶系統、容量受限。隨著航空運輸業持續發展，空中飛機流量在未來十年內將大幅度增長,需要空地通信支持的新業務也不斷增加，亟待研究具有更高系統容量和傳輸速率的寬頻航空數據鏈技術。本課題擬在航空通信的背景下，結合認知無線電和第四代移動通信中多載波正交頻分復用（OFDM）寬頻無線通信的優點，針對航空信道高速高動態、遠端地面站大範圍立體覆蓋、具有對流層散射效應等難點研究基於認知無線電的寬頻航空數據鏈基本理論問題，包括面向認知的航空信道建模、航空多載波系統設計與容量分析、關鍵技術研究、仿真和演示驗證等，為我國建立自主創新的大容量高速率空管和航空通信系統數據鏈提供理論依據和技術支持。

結題摘要

航空數據鏈是空中交通管理和空地通信系統重要組成部分，為新航行系統中通信、導航和監視數據傳輸提供數據鏈路保障。目前空地數據鏈路屬於窄帶系統，容量受限。隨著航空運輸業持續發展，空中飛機流量在未來十年內將大幅度增長,需要空地通信支持的新業務也不斷增加，亟待研究具有更高系統容量和傳輸速率的寬頻航空數據鏈技術。本課題在航空通信的背景下，結合認知無線電和第四代移動通信中多載波正交頻分復用（OFDM）寬頻無線通信的優點，針對航空信道高速高動態、遠端地面站大範圍立體覆蓋、具有對流層散射效應等難點研究基於認知無線電的寬頻航空數據鏈基本理論和關鍵技術。 首先，課題研究了面向航空無線電磁環境認知的航空信道建模與信道容量分析。針對航空信道高速高動態的特點，建立了窄帶系統和寬頻系統的信道模型。給出了採用射線追蹤等電磁計算方法等確定模型參數的方法，利用壓縮感知測量可以大幅減少電磁計算的複雜度和計算量。針對航空多載波系統容量分析，重點比較了FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA容量，給出了航空OFDM認知信道的容量界。 第二，給出了基於航空信道的多載波系統設計。提出了基於非連續OFDM信號的載波干涉傳輸通信系統構架（NCI-OFDM），重點設計了高效FFT模組、降低峰均功率比（PAPR）模組、帶外干擾抑制模組。進行了多天線NCI-OFDM傳輸容量的分析和系統設計，給出了空地三維MIMO信道模型。另外，還給出了非連續頻譜感知和壓縮感知隨採樣器設計，可以在時域上實時感知主用戶（雷達）的頻譜占用情況，動態改變NCI-OFDM系統的子載波激活和占用方式，避免與主用戶的干擾。隨機採樣器（AIC）可完成時域上的動態採樣，並用壓縮感知算法恢復頻譜占用情況。 第三，研究了基於無線環境認知的非連續OFDM 關鍵技術，包括航空無線環境認知理論與方法、NCI碼設計與非連續多載波設計、高速高動態傳輸技術、宏蜂窩設計與功率控制、多天線傳輸設計與最佳化、空域分集算法和時域分集算法。 最後，搭建了寬頻多載波航空通信協定研究及仿真平台和寬頻航空數據鏈演示驗證系統。仿真平台可以在物理層、鏈路層和網路層驗證關鍵技術的正確性和有效性，並仿真性能指標。演示驗證系統採用無人機進行空地傳輸，演示了基於認知的寬頻航空數據鏈的功能和傳輸性能。 課題研究為建立自主創新的大容量高速率空管和航空通信系統數據鏈提供理論依據和技術支持。