基于离散频谱的L波段数字航空通信系统资源分配研究

摘要

航空L波段现已部署航空测距系统（Distance Measuring Equipment, DME）、二次雷达系统、通用访问收发机、全球移动通信系统和全球卫星导航系统等多种航电系统，未来将部署的L波段数字航空通信系统(L-DACS1， L-band Digital Aeronautical System1）只能使用剩余离散频谱空隙。航空通信中飞机间相对位置变化较快，相邻飞机的频繁变化将导致飞机的频谱环境动态变化；每个飞机DME系统的动态随机频谱占用也会引起频谱环境变化。上述两种情况使得L波段的频谱环境存在动态变化特性，剩余空闲频谱资源并不固定，因此该场景下的动态离散频谱分配是其面临的重要问题之一。论文结合工信部民用飞机预研专项“民航客机移动通信宏蜂窝网络中继通信链路技术”、国家自然科学基金课题“跨洋民用航空宽带移动通信组网及关键技术研究”和中国航空研究院“绿色航空技术中欧交流合作平台技术研究GRAIN2 KGT4--航空通信、导航、监视与空中交通管理”，针对L波段动态频谱变化场景下频谱空洞可用带宽时变性导致的频谱冲突问题，研究基于频谱空洞统计特性的L-DACS1系统资源分配算法，实现动态频谱资源的高效分配；针对L波段动态频谱变化场景下，采用基于子载波组资源分配方式时，子载波组可用资源时变性导致的无法持续保证速率需求问题，研究基于子载波组机会容量的L-DACS1系统资源分配算法，实现动态频谱变化下的长时稳定传输。由于L-DACS1系统将承载空中交通管理（Air Traffic Management, ATM）、航空运行控制（Aeronautical Operational Control, AOC）和航空旅客通信（Aeronautical Passenger Communications, APC）等多种混合航空通信业务，上述所提分配算法应用于该系统还需考虑混合多业务差异化的服务质量（Quality of Service, QoS）需求。因此，论文还针对所提分配算法在L-DACS1系统中的应用，提出L-DACS1系统混合多业务资源分配与调度模型和基于指数比例公平(Exponential/Proportional Fair, EXP/PF）的L-DACS1系统混合多业务队列调度算法为L-DACS1系统混合多业务的资源分配与调度提供了可参考方法。主要工作和成果如下：
　　①针对 L波段动态频谱变化场景下频谱空洞可用带宽时变性导致的频谱冲突问题，分析了频谱空洞频域特性，基于次序统计量提出了频谱空洞可用带宽概率密度函数通用表示形式，并在资源分配中引入随机变量，建立了基于频谱空洞统计特性的L-DACS1系统离散频谱分配模型。针对随机变量引入模型求解复杂度大的问题，给出了该模型机会约束规划的化简方法。仿真结果表明，所提算法在频谱空洞变化频繁场景下能有效减少频谱变化产生的冲突，具有较高吞吐量。
　　②针对L波段动态频谱变化场景下，采用基于子载波组资源分配方式时，子载波组可用资源时变性导致的无法持续保证速率需求问题，分析了子载波组的机会可用容量，将子载波组的时变可用频谱资源描述成以子载波组中可用子载波数为状态的连续时间半马尔可夫模型，提出了子载波组机会容量的通用表示形式，并基于该模型以最大化系统机会容量为准则提出了基于子载波组机会容量的L-DACS1系统资源分配算法。仿真结果表明，所提算法在频谱环境变化场景下能有效利用频谱资源，保证飞机的速率需求并获得较高的接入数。
　　③针对所提分配算法应用于 L-DACS1系统中需考虑的混合多业务差异化的QoS需求问题，分析了业务特性，提出了L-DACS1系统混合多业务资源分配与调度模型和基于EXP/PF的L-DACS1系统混合多业务队列调度算法。该队列调度算法采用区分化的调度因子计算方法实现了带宽充裕和带宽受限场景下对ATM业务需求的严格保障，进而弥补了传统 EXP/PF算法在带宽受限场景下无法保证 ATM业务需求的不足。仿真结果表明，所提算法能有效降低ATM和AOC业务的超时概率，最大程度上保证ATM和AOC业务需求。

目录

本文缩略语

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 民用航空数据链发展历史现状与趋势

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究内容与章节安排

2 L-DACS1航空通信系统接入机制概述

2.1 引言

2.2 L-DACS1系统概述

2.3 L-DACS1系统的机会频谱占用

2.4本章小结

3 基于频谱空洞统计特性的L-DACS1系统资源分配

3.1 引言

3.2 相关理论基础

3.3 频谱空洞统计特性分析

3.4 基于频谱空洞统计特性的L-DACS1系统资源分配算法

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

4 基于子载波组机会容量的L-DACS1系统资源分配

4.1 引言

4.2相关理论基础

4.3子载波组机会容量模型

4.4 基于子载波组机会容量的L-DACS1系统资源分配算法

4.5仿真分析

4.6 本章小结

5 L-DACS1系统混合多业务资源分配与调度

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 基于有效带宽的资源分配

5.4 基于EXP/PF的L-DACS1系统多业务队列调度

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 存在的问题和进一步的研究工作

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间的学术论文目录

B. 作者在攻读学位期间申请的专利目录

C. 作者在攻读学位期间获得的奖励

D. 作者在攻读学位期间参与的科研项目