基于L频段数字航空通信系统1的F-OFDM波形设计

随着航空飞行器种类和数量的激增以及第五代(5G)移动通信系统和物联网(Io T)时代的到来,下一代航空无线通信系统面临着高安全性、大传输容量、低延时、强鲁棒性、高灵活性和综合业务提供等新的挑战。为此,提出了一种基于L频段数字航空通信系统1(L-DACS1)的滤波正交频分复用(F-OFDM)波形设计方法并探讨了可能的技术演进路径。首先引入了认知无线电、非连续载波干涉码OFDM和滤波器的思想,然后针对不同航空飞行器用户动态自适应配置波形参数。仿真结果表明,该方法得到的系统波形具有较低的带外辐射功率、优良的块误码率性能和较高的吞吐量增益。

数字航空通信系统中DME干扰信号抑制技术研究

研究了L波段中常见的测距器(Distance Measure Equipment,DME)信号,为了抑制该信号,提高L波段数字航空通信系统1型(L-DACS1)的抗干扰性能。提出了通过对超出特定门限的接收信号乘以相应的衰减因子的方法,达到抑制干扰的目的;同时也能够提高系统的输出信噪比。最后通过仿真验证了该算法可以有效地提高L-DACS1的抗干扰性能。

新型数字航空通信系统概述

空中交通流量的进一步增长,对民航通信技术提出了新的要求。基于IPv6技术的无缝集成的新数字航空通信系统构成了空-天-地一体化网络,为各种民航通信业务应用提供了技术支撑。分析了新型数字航空通信系统的组成及结构,对其关键技术和新业务应用做了简要描述。

L波段数字航空通信系统研究

随着全球航空运输的发展,空中交通管制与航空公司运控等航空业务对航空通信系统的数据传输速率、频谱利用率、航空通信网容量等性能提出了更高的要求。虽然现阶段基于甚高频的航空通信系统得到了迅速的发展,但仍受限于标准体制、技术壁垒等因素,难以满足持续增长的运行需求。L波段数字航空通信(L-band digital aeronautical communication system,L-DACS)数据链技术作为新一代航空通信系统的预选方案,是有效解决频谱资源饱和难题、满足高速率传输需求的有效途径。本文在总结L-DACS数据链技术发展现状的基础上,阐述了该通信系统现阶段的技术标准,分析了L-DACS发展所面临的挑战,提出了对应的发展建议,为面向航空宽带通信L-DACS的研究提供了参考与借鉴。

基于信号特性的宽带航空数据链信号来向估计方法

L频段数字航空通信系统(L-DACS)是未来面向航路阶段的空地数据链路,其工作频段计划部署在航空无线电导航频段,与民航测距机(DME)的频谱有部分重叠,容易受到大功率DME信号的干扰,为了在抑制干扰的同时能充分利用阵列天线的增益,有必要提前估计出L-DACS信号的波达方向。针对航空信道特点,并考虑到机载平台高速运动导致的多普勒频移影响,将L-DACS信号建模为渐进准循环平稳信号,提出了基于渐进准循环平稳特征的L-DACS系统信号来向估计方法。仿真结果表明,该方法能够在机载平台高速运动且受DME信号干扰的场景下估计出期望信号的来向,具有较高的估计准确度和良好的低信噪比适应能力。

测距仪信号功率谱及邻道泄露功率

为了解决宽带航空数据链频率资源匮乏的问题,L频段数字航空通信系统(L-DACS,L-band digital aeronautical communications system)将以内嵌的方式部署在航空无线电导航L频段测距仪(DME,distance measure equipment)波道间,因此,不可避免产生测距仪信号干扰L-DACS系统接收机的问题。为了定量描述DME/N(distance measure equipment/normal)与DME/P(distance measure equipment/precision)信号带外泄露对LDACS系统接收机的影响,首先建立了DME/N与DME/P信号数学模型,然后理论推导出DME/N与DME/P信号的功率谱密度表达式,以此为基础研究了DME/N与DME/P信号带外泄露对邻道部署的L-DACS系统接收机的影响,最后通过计算机仿真验证了理论分析结果的正确性。研究表明:DME信号带外泄露对L-DACS系统的影响主要表现在第一邻道,DME/P信号在第一邻道内泄露功率比DME/N信号泄露功率高约10 dB。

基于高阶幂的单快拍LDACS系统波达方向估计

L波段数字航空通信系统(L band digital aeronautical communication system,LDACS)是未来航空宽带通信重要的基础设施之一,针对LDACS信号容易受到相邻波道大功率测距仪(distance measuring equipment,DME)信号干扰的问题,提出了联合正交投影干扰抑制与单快拍稀疏分解的波达方向(direction of arrival,DOA)估计方法。通过子空间投影抑制DME干扰,然后使用单快拍数据构建伪协方差矩阵,对伪协方差矩阵求高阶幂,之后进行奇异值分解,并利用约束条件求解稀疏解得到期望信号来向的估计值。所提方法使用高阶伪协方差矩阵降低了噪声影响,仅用单快拍就可以准确估计LDACS信号的入射方向。仿真结果表明,改进单快拍高级幂(improved single snapshot high order power,ISS-HOP)L1-SVD算法的估计精度优于ISS-HOP-MUSIC算法。该方法可以有效抑制DME干扰,提高OFDM接收机性能。

LDACS系统基于循环谱和残差神经网络的频谱感知方法

针对L波段数字航空通信系统(L-band digital aeronautic communication system,LDACS)可用频谱资源有限且易受大功率测距仪(distance measuring equipment,DME)信号干扰的问题,提出一种基于降维循环谱和残差神经网络的频谱感知方法。首先理论推导分析了DME信号的循环谱特征;然后利用Fisher判别率(Fisher discriminant rate,FDR)提取循环频率能量最大的向量,通过主成分分析(principal component analysis,PCA)进行预处理特征增强;最后给出数据处理后的循环谱向量与卷积神经网络相结合的实现过程,实现了DME信号的有效检测。仿真结果表明,该方法对噪声不敏感,当信噪比不低于-15 dB时,平均检测概率大于90%。当信噪比不低于-14 dB,检测概率接近100%。

基于cSVB算法的DME脉冲干扰抑制方法

针对测距仪(distance measure equipment,DME)信号严重干扰L频段数字航空通信系统(L-band digital aviation communication system,L-DACS)前向链路接收机的问题,提出基于相关稀疏变分贝叶斯(correlated sparse variational Bayesian,cSVB)算法的DME脉冲干扰抑制方法。所提方法利用L-DACS系统正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)接收机的空子载波信息构建接收信号的压缩感知方程;然后,根据cSVB算法进行三层次贝叶斯信号建模,最后选择了两种变体算法重构DME干扰信号,并将其从时域接收信号中去除。理论分析与仿真结果表明,所提出的干扰抑制方法可以充分利用信号先验信息,进一步降低DME干扰信号估计的归一化均方误差,有效改善L-DACS系统的误码性能,提高传输可靠性。

联合压缩感知与干扰白化的脉冲干扰抑制方法

针对L频段数字航空通信系统1(L-DACS1)以内嵌方式部署在航空无线电导航频段而产生的测距仪脉冲干扰(DME)正交频分复用(OFDM)接收机的问题,提出联合压缩感知与残留干扰白化的测距仪脉冲干扰抑制方法.首先接收机通过空子载波信道来观测测距仪脉冲干扰,并利用测距仪脉冲干扰在时域的稀疏特性,基于l1范数最小化约束的凸优化方法重构测距仪脉冲干扰;然后将重构的脉冲干扰转换到频域进行干扰消除;最后,接收机通过信号解交织器与逆正交变换器将残留的脉冲干扰转换为高斯白噪声,避免了残留干扰信号造成的突发性解调错误.仿真研究表明:联合干扰抑制方法可有效消除测距仪脉冲信号干扰,显著提高L-DACS1系统链路传输的可靠性.

联合正交投影与盲波束形成的干扰抑制方法

针对L频段数字航空通信系统1(L-band digital aeronautical communications system 1,L-DACS1)以内嵌方式部署在航空无线电导航频段而产生的高强度测距仪脉冲信号干扰正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)接收机的问题,提出联合正交投影与盲波束形成的干扰抑制方法。接收机首先通过将接收信号矢量投影到干扰信号正交补空间的方法消除高强度测距仪脉冲干扰,然后利用OFDM信号循环前缀的对称特性,基于期望信号与参考信号矢量内积度量最大化准则得到波束形成权值,并通过波束形成方法提取OFDM直射径信号。计算机仿真表明:论文提出方法可有效克服测距仪脉冲及OFDM散射径信号的干扰,提高L频段数字航空通信系统1的链路传输的可靠性。

基于高阶统计量的L-DACS1系统自适应干扰消除技术研究

针对L-DACS1(L-band Digital Aeronautical Communication System Type 1)与DME(Distance Measuring Equipment)信号在时域、频域和低阶统计域干扰抑制不理想的问题,本文将L-DACS1与DME时频域交叠的干扰场景建模为确定性信号叠加高斯有色噪声的干扰量化模型,根据两者在高阶统计域的差异特性,提出基于三阶累积量的自适应滤波算法,并引入对数螺线函数改进变步长机制,实现自适应DME干扰消除.仿真结果表明:所提算法具有更高的干扰抑制比和更低的误比特率,但复杂度较高.相关结论可为L-DACS1系统的实际部署提供参考.

基于最大输出信噪比的L-DACS1接收机盲自适应波束形成算法

由于L频段数字航空通信系统1(L-band digital aeronautical communication system1,L-DACS1)和民航测距机(distance measuring equipment,DME)系统的频谱有部分重叠,因此在L-DACS1接收机中需要考虑DME干扰的抑制问题。提出了基于最大输出信噪比的干扰抑制和盲波束形成算法。由于DME脉冲干扰的功率较大,首先采用子空间跟踪算法来得到干扰子空间,然后将接收数据向干扰子空间的正交补空间进行投影以抑制DME干扰。干扰抑制后,接收数据中只剩下正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)信号和噪声了。为了充分利用阵列天线的优势,采用了输出信噪比最大准则来进行波束形成,将天线方向图的主瓣对准OFDM信号来向,以提高接收机输出信号的信噪比。仿真表明,该方法不需要先验信息就能够在抑制干扰的同时进行盲波束形成,在OFDM信号来向上获得高增益的主瓣,进而提高输出信噪比;另外,所提的波束形成方法在输入信噪比较低的环境下依然能够形成稳定的波束,将主瓣对准信号来向。

联合正交投影与CLEAN的测距仪脉冲干扰抑制方法

针对L频段数字航空通信系统1(L-DACS1)以内嵌方式部署在航空无线电导航频段而产生的高强度测距仪脉冲信号干扰正交频分复用(OFDM)接收机的问题,提出联合正交投影与CLEAN的测距仪脉冲干扰抑制方法。接收机首先通过将接收信号矢量投影到干扰信号正交补空间的方法消除高强度测距仪脉冲干扰,然后利用OFDM信号循环前缀的对称特性,采用CLEAN算法估计信号来向,然后通过常规波束成形提取OFDM直射径信号。计算机仿真表明:论文提出方法可有效克服测距仪脉冲及OFDM散射径信号的干扰,提高L频段数字航空通信系统1的链路传输的可靠性。

基于BSBL-BO算法的DME脉冲干扰抑制方法

针对测距仪(distance measure equipment,DME)信号干扰L频段数字航空通信系统1(L-band digital aeronautical communication system 1,L-DACS1)正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)接收机的问题,提出基于块稀疏贝叶斯学习边界优化(block sparsEbayesian learning-thEbound optimization,BSBL-BO)算法的DME脉冲干扰抑制方法。首先,利用OFDM接收机空子载波不传输有用信号的特点构造针对DME脉冲干扰信号的压缩感知模型;然后基于BSBL-BO算法重构DME脉冲干扰信号;最后在时域进行干扰消除。仿真结果表明,该方法比已有的脉冲干扰抑制方法具有更高的重构精度和更快的运算速度,进一步降低了OFDM接收机的误比特率,提高了L-DACS1系统前向链路传输性能。

载波偏置测距仪信号的循环平稳特性

针对L频段数字航空通信系统1(L-band digital aeronautical communications system 1,L-DACS1)中存在的载波偏置测距仪脉冲干扰信号,首先建立测距仪(distance measure equipment,DME)脉冲信号模型,证明了载波偏置测距仪信号是循环平稳信号;随后理论分析并推导给出其循环自相关函数和循环谱的数学表示;最后仿真验证了载波偏置测距仪信号具有循环平稳特性的正确性。

L-DACS1系统干扰抑制与循环自适应波束形成方法

为了解决L频段数字航空通信系统1(L-band digital aeronautical communication system,L-DACS1)正交频分复用(orthogonal frequency division multiplex,OFDM)接收机遭受测距仪(distance measuring equipment,DME)信号干扰的问题,提出了正交投影干扰抑制与循环自适应波束形成的空域滤波方法。首先,利用正交投影算法抑制DME信号干扰;然后,利用OFDM信号的循环平稳特性,构建循环自相关矩阵,通过奇异值分解得到波束形成的最优权矢量;最后,利用最优权矢量进行空域滤波。仿真研究表明,该方法可以在OFDM期望信号上形成稳定的主波束,同时能够抑制DME信号干扰。且所提方法具有复杂度较低、低信噪比情况下波束形成算法鲁棒的优势。

联合两级滤波与压缩感知的测距仪干扰抑制方法

针对测距仪(Distance Measure Equipment,DME)脉冲信号对L频段数字航空通信系统1(L-band Digital Aeronautical Communication System 1,L-DACS1)接收机产生干扰的问题,提出一种联合两级滤波与压缩感知的DME干扰抑制方法。首先,接收机通过高通滤波器估计出DME干扰,并在时域将其从接收信号中消除;然后,通过低通滤波器进一步滤除残留的DME干扰和噪声;最后,针对经过两级滤波后仍残留的DME干扰,基于其在时域中的稀疏特性应用压缩感知算法实现重构并消除。数值仿真表明,所提方法可获得的DME干扰功率衰减值约41 dB,有效克服了DME脉冲干扰对L-DACS1系统接收机的影响。

基于EBSBL-BO算法的L-DACS系统干扰抑制方法

L频段数字航空通信系统(L-band digital aviation communication system,L-DACS)是未来面向航路阶段的空地数据链路,其工作频段部署在两个测距仪(distance measure equipment,DME)工作频段之间,为了消除测距仪产生的高功率脉冲信号对L-DACS系统前向链路正交频分复用接收机的干扰,本文提出基于扩展稀疏贝叶斯-边界优化(extended block sparse Bayesian learning-boundary optimization,EBSBL-BO)算法的高功率DME脉冲干扰抑制方法。首先,利用L-DACS系统正交频分复用接收机的空子载波建立DME干扰信号压缩感知模型;然后,基于EBSBL-BO算法对DME信号进行重构;最后将高功率DME脉冲信号在时域消除。仿真结果显示:本文算法与其他稀疏贝叶斯重构算法相比,本文算法DME脉冲信号重构精度更高,正交频分复用接收机误码率更低,可有效改善L-DACS系统正交频分复用接收性能。

联合小波变换与残留干扰白化的测距仪脉冲干扰抑制方法

针对测距仪(DME)脉冲信号对L频段数字航空通信系统1(L-DACS1)接收机产生干扰的问题,提出一种联合小波变换与残留干扰白化的测距仪脉冲干扰抑制方法。首先通过小波变换将正交频分复用(OFDM)接收机接收的信号转换到小波域;然后利用有用信号与干扰信号小波系数的差别提取DME信号小波系数,重构DME信号,并在时域进行脉冲干扰消除;最后,接收机通过信号解交织器与逆正交变换器将残留的脉冲干扰转换为白噪声,避免了残留干扰信号造成的突发性解调错误。仿真结果显示:所提出的联合干扰抑制方法可有效消除DME信号干扰,在相同误比特率(10^(-2))条件下,本文方法较常规脉冲熄灭方法可获得5 dB以上的性能改善,提高了L-DACS1系统链路传输的可靠性。