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《重庆大学》 2018年
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地空宽带通信的自适应传输研究

杨凡  
【摘要】:地空宽带通信对数据传输容量的需求不断增加,在频谱资源受限的条件下,提高频谱利用率是地空宽带通信的核心问题。自适应传输作为一种增强传输可靠性并能有效提高频谱利用率的技术,成功应用于陆基无线通信系统,但由于地空通信不同业务的传输信道特性差异大,且飞机在起飞、降落、巡航、停泊等不同阶段传输链路的时延特性和业务要求也不同,这些因素都对提高地空通信的频谱利用率提出了极大的挑战,使得地空宽带自适应传输尚未有有效的解决方案。如何针对不同的传输业务类型、不同的传输链路特征建立对应的自适应传输机制,解决目前地空通信中频谱利用率低的问题是当前航空通信面临的主要难点。自适应调制作为自适应传输的关键技术之一,需要准确评估信道质量来调整发送方式,以适配信道变化。然而,飞机相对地面基站的高速移动,造成的多普勒效应对空中交通服务/航空运营管理(Air Traffic Service/Aeronautical Operational Control,ATS/AOC)业务传输的QoS(Quality of Service)影响较大,另外航空行政通信/航空旅客通信(Aeronautical Administrative Communications/Aeronautical Passenger Communications,AAC/APC)业务巨大的传输量,会增加链路排队时延,导致信道质量预测困难。论文结合中国商用飞机有限责任公司“地空宽带数据链通信系统原型样机研发及测试”项目,以LTE-A为地空宽带的传输体制,提出了一种新的信道质量评估参量—非数据辅助的误差矢量幅度(Nondata-Aided Error Vector Magnitude,NDA-EVM),并针对ATS/AOC和AAC/APC传输链路分别设计了对应的自适应调制机制,实现了在保证Qo S的前提下,系统频谱利用率的有效提升。目前本文算法已经形成技术方案并通过了评审,将应用于“商飞”公司的地空数据链通信系统的设备中进行试飞测试。主要工作和成果如下:(1)地空宽带的自适应调制需要信道质量评估参量实时准确的反映信道变化,而现有的信道评估参量不能有效的解决这一问题,提出将NDA-EVM作为自适应调制的信道评估参量度量地空链路的信道质量。给出了衰落信道下NDA-EVM的通用表示式和不同业务链路下评估的性能界限,为地空宽带链路信道质量评估提供了一种定量的分析手段。并通过参数灵敏度分析,明确不同信道参数对NDA-EVM估计的影响程度。仿真分析结果表明,与传统信道度量参量相比,NDA-EVM能够实时准确的反映地空链路信道变化,对信道变化敏感,估计值接近理论值。(2)ATS/AOC传输链路具有信道快时变、链路时延低的特点,现有的自适应调制无法有效提升系统的频谱利用率,提出了基于NDA-EVM的ATS/AOC链路自适应调制机制。通过推导NDA-EVM与SER(Symbol Error Rate)的解析式,确定了各个调制模式的调整阈值。在此基础上设计了基于NDA-EVM状态机的自适应调制机制,实现了时变信道下调制模式快速、准确的选择。对飞机传输ATS/AOC业务的巡航、滑行、起降这三种典型航空场景进行模拟,结果表明:该算法与传统算法相比,时间复杂度相同,评估信道的实时性更优,在巡航阶段,频谱利用率较传统算法最高提升了0.77bit/s/Hz,调制模式选择正确率最高提升19.1%;在滑行、起降阶段,频谱利用率较传统算法最高提升了1.1bit/s/Hz,调制模式选择正确率最高提升了14.9%,满足地面基站对飞控数据的实时监控和航务管理信息高速传输的要求。(3)针对AAC/APC链路尚没有有效的自适应调制技术,传统自适应调制机制应用于该链路,受时延的影响系统QoS无法保证且频谱利用率低的问题,跨层设计了基于NDA-EVM的自适应传输机制。考虑到单一层面的自适应调制无法应用到具有较大时延的链路中,通过分析MAC层数据包的处理流程和在PHY层建立有限状态马尔科夫链(finite state Markov chain,FSMC)的信道模型,提出了基于信道FSMC的自适应调制算法,将AAC/APC链路的自适应调制化简为两种状态(“驻留态”和“暂稳态”)下,最优状态转移概率的搜索。该算法保证了系统的QoS,在视距场景下,AAC/APC链路的频谱利用率最高可达7.4bit/s/Hz,在非视距场景下,AAC/APC链路的频谱利用率最高可达6.1bit/s/Hz,满足飞机旅客对高速上网和航空运营数据高效传输的需求,为AAC/APC链路自适应传输提供了一种有效的技术途径。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN929.5;V243.1;V351.36

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