基于认知无线电的宽带航空数据链基础理论研究

以甚高频（VHF）数据链为主体的航空数据链是空中交通管理和空地通信系统重要组成部分，为新航行系统中通信、导航和监视数据传输提供数据链路保障。目前国际民航组织建议的甚高频数据链均采用时分多址(TDMA)接入方式，属于窄带系统、容量受限。随着航空运输业持续发展，空中飞机流量在未来十年内将大幅度增长,需要空地通信支持的新业务也不断增加，亟待研究具有更高系统容量和传输速率的宽带航空数据链技术。本课题拟在航空通信的背景下，结合认知无线电和第四代移动通信中多载波正交频分复用（OFDM）宽带无线通信的优点，针对航空信道高速高动态、远端地面站大范围立体覆盖、具有对流层散射效应等难点研究基于认知无线电的宽带航空数据链基本理论问题，包括面向认知的航空信道建模、航空多载波系统设计与容量分析、关键技术研究、仿真和演示验证等，为我国建立自主创新的大容量高速率空管和航空通信系统数据链提供理论依据和技术支持。

航空数据链是空中交通管理和空地通信系统重要组成部分，为新航行系统中通信、导航和监视数据传输提供数据链路保障。目前空地数据链路属于窄带系统，容量受限。随着航空运输业持续发展，空中飞机流量在未来十年内将大幅度增长,需要空地通信支持的新业务也不断增加，亟待研究具有更高系统容量和传输速率的宽带航空数据链技术。本课题在航空通信的背景下，结合认知无线电和第四代移动通信中多载波正交频分复用（OFDM）宽带无线通信的优点，针对航空信道高速高动态、远端地面站大范围立体覆盖、具有对流层散射效应等难点研究基于认知无线电的宽带航空数据链基本理论和关键技术。. 首先，课题研究了面向航空无线电磁环境认知的航空信道建模与信道容量分析。针对航空信道高速高动态的特点，建立了窄带系统和宽带系统的信道模型。给出了采用射线追踪等电磁计算方法等确定模型参数的方法，利用压缩感知测量可以大幅减少电磁计算的复杂度和计算量。针对航空多载波系统容量分析，重点比较了FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA容量，给出了航空OFDM认知信道的容量界。. 第二，给出了基于航空信道的多载波系统设计。提出了基于非连续OFDM信号的载波干涉传输通信系统构架（NCI-OFDM），重点设计了高效FFT模块、降低峰均功率比（PAPR）模块、带外干扰抑制模块。进行了多天线NCI-OFDM传输容量的分析和系统设计，给出了空地三维MIMO信道模型。另外，还给出了非连续频谱感知和压缩感知随采样器设计，可以在时域上实时感知主用户（雷达）的频谱占用情况，动态改变NCI-OFDM系统的子载波激活和占用方式，避免与主用户的干扰。随机采样器（AIC）可完成时域上的动态采样，并用压缩感知算法恢复频谱占用情况。. 第三，研究了基于无线环境认知的非连续OFDM 关键技术，包括航空无线环境认知理论与方法、NCI码设计与非连续多载波设计、高速高动态传输技术、宏蜂窝设计与功率控制、多天线传输设计与优化、空域分集算法和时域分集算法。. 最后，搭建了宽带多载波航空通信协议研究及仿真平台和宽带航空数据链演示验证系统。仿真平台可以在物理层、链路层和网络层验证关键技术的正确性和有效性，并仿真性能指标。演示验证系统采用无人机进行空地传输，演示了基于认知的宽带航空数据链的功能和传输性能。. 课题研究为建立自主创新的大容量高速率空管和航空通信系统数据链提供理论依据和技术支持。