论文摘要：航空数据链无线资源可靠复用关键技术研究

随着航空运输业的高速发展，新航行系统迫切需求更多的实时信息来支撑“安全、高效”的协同运行，这对航空数据链提出了新的技术挑战。一方面，大量航空短报文将 带来数据通信碎片化问题，导致航空数据链的传输效率下降；另一方面，由于航空数据 链将逐步承载多优先级的混合业务，如何在多服务质量需求下，提高航空无线资源的 使用效率是亟需解决的难点问题。

本论文以层次化航空短报文数据通信为背景，以提高航空数据链无线资源利用率为目标，重点围绕航空无线资源在地空通信场景下的可靠复用和高效分配问题开展研究。论文主要研究工作总结如下：

1、建立了一种航空无线信道的高维向量空间映射模型，可有效表征航空用户的空间特征。 由于航空飞行器之间的波达角度差异小且信道衰落相似，基于角度和多天线信道衰落特征的传统空分方法难以有效区分相邻航空器的空间差异。本文建立了航空无线信道的高维向量空间映射模型，利用部署在地面基站的天线阵列，将相邻用户之间微小的空间角度差异转化为阵列单元之间的载波相位差，利用阵列响应向量（ARV)对相位差异的敏感特性放大了航空用户的空间特征。分析表明，该模型将航空用户的空间位置映射到由 ARV 张成的高维向量空间，提高了航空用户的空间区分度；即使相邻航空用户的夹角小于阵列波束的空间分辨率，也能通过高维向量映射模型有效区分。

2、提出了一种交叉共享的层次化航空SDMA方法，在保证关键业务可靠性的前提下实现了航空无线资源的高效空分复用。由于地空通信关键业务的可靠性要求高，传统 SDMA 方法作为一类干扰受限技术，难以在提高航空无线信道容量的同时保证地空通信关键业务的可靠性。本文基于高维向量映射模型，提出了一种交叉共享模式的航空SDMA方法。该方法通过高低等级业务的交叉配对和波束正交化，保证了关键业务不会受到同频干扰。与传统SDMA方法相比，本文提出的航空SDMA方法利用高等级业务的冗余资源，实现了低等级业务的机会接入，在保证地空通信关键业务共享资源时仍然能够获得与独享带宽时相同的性能，还能带来额外的空分复用增益。

3、面向航空短报文业务，提出了一种基础速率保证的无碰撞随机接入方法，提高了航空数据链的有效容量。由于突发短报文业务的优先级高且报文长度短，传统的资源分配机制会造成巨大的信令开销和资源浪费，直接影响航空数据链的效率和容量。本文定义能够可靠传输短报文的最低要求为基础速率，提出了一种基础速率保证的航空用户分组接入方法。该方法通过航空SDMA技术实现了同组用户之间无碰撞的随机传输。相比于传统的资源分配过程，所提方法将短报文业务带来的协议开销均分给多个用户，并在基础速率的约束下实现了无线资源的聚合使用。对比实验表明所提无碰撞随机接入方法能够在保证短报文可靠性的前提下，成倍提升航空数据链的有效容量并降低信令时延开销。

4、提出了一种面向混合报文业务的多层波束成形方法，实现了多优先级保证的按 需分层接入。由于地空通信报文种类多，对信噪比和误码率的要求不同，无差别复用无线资源会导致浪费并降低系统容量。本文通过由高到低的逐层波束正交化，设计了支 持多等级业务的分层接入方法。并针对终端区的航空信道特征，推导了分层 SDMA 接入用户的信干噪比中断概率，得到了任意等级接入用户的可达速率与接入用户数、天线单元数、宏蝉窝覆盖范围之间的解析表达式。理论推导和仿真分析表明，面向混合报文业务的多层波束成形方法能够逐一保证不同业务的性能期望，为航空无线资源的按需复用提供了可行的实现手段。

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