郜林，王朕

(1.天津財經(jīng)大學 理工學院， 天津 300222)(2.天津大學 電子信息工程學院，天津 300720)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)民航業(yè)務的迅猛增長及跨洋飛行的日益頻繁，原有航空通信體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足民航發(fā)展對空中交通管理(Air Traffic Management，簡稱ATM)的新的要求，暴露出通信頻段短缺、系統(tǒng)容量不足的嚴重問題。寬帶甚高頻(Broadband Very High Frequency，簡稱B-VHF)是在應對國際航空發(fā)展中ATM通信瓶頸所形成挑戰(zhàn)的大背景下提出的，作為寬帶地空數(shù)據(jù)鏈主流技術(shù)方案之一，被當今國際航空領(lǐng)域所廣泛研究和關(guān)注。

B-VHF是一種基于正交頻分復用的多載波技術(shù)(Multiple Carrier，簡稱MC)。其可以通過對AM、VDL2等民航VHF信道的空閑頻段分配子載波，利用其他地空通信系統(tǒng)的工作間隙進行通信，從而達到提高頻譜利用效率的目的。同時，B-VHF既可以與AM、VDL2等現(xiàn)有系統(tǒng)共享航空VHF頻段，又可以獨立分配新的頻段——具有很強的技術(shù)兼容性，可實現(xiàn)現(xiàn)有與未來通信系統(tǒng)間的平滑過渡[1-2]。

目前，國內(nèi)外對B-VHF理論及其應用已經(jīng)進行了比較充分的研究，但是缺乏系統(tǒng)的、綜合的論述，特別是對關(guān)鍵技術(shù)缺乏技術(shù)層面的綜合分析。本文首先對B-VHF的發(fā)展歷程、系統(tǒng)架構(gòu)進行介紹，然后重點從技術(shù)層面對B-VHF的關(guān)鍵技術(shù)進行比較分析，最后展望B-VHF的技術(shù)特點及其發(fā)展，以期對今后該領(lǐng)域的研究工作有所裨益。

1 航空VHF通信系統(tǒng)的發(fā)展過程

VHF航空頻段(118～137 MHz)的電磁傳播以直線傳播為主，相對于移動通信的頻率選擇性衰落和快衰落而言，具有良好的傳播性能；該頻段受氣候影響較小，具有傳播性能穩(wěn)定的特點?；谏鲜鲈?，VHF航空頻段現(xiàn)實中被用來作為高質(zhì)量業(yè)務通信頻段而使用，主要應用于ATC話音通信。ATC話音通信歷史最早可追溯到20世紀40年代，應用至今，其主要應于飛機的通訊和導航。ATC話音通信采用模擬DSB-AM方式，技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定，但頻帶利用率較低[3]。

隨著民航事業(yè)的迅猛發(fā)展，所要求的通信系統(tǒng)流量不斷提高。自20世紀末期以來，VHF話音已不能滿足歐美等航空發(fā)達地區(qū)業(yè)務的需要。在歐洲，8.33 kHz 話音信道間隔在21世紀初期被提出，并投入使用。但該舉措只能在較小程度上提高系統(tǒng)容量，暫時緩解通訊容限壓力。在VHF數(shù)據(jù)通信方面，自20世紀后期以來，引入了面向字節(jié)的ACARS通信系統(tǒng)。由于ACARS系統(tǒng)效率低、容量小、能夠支持的航空業(yè)務有限，因此該系統(tǒng)僅能夠提供航空所需的小流量基本服務，并不能滿足日益增長的飛行流量要求。為了解決上述問題，國際航空科研機構(gòu)對新的通訊鏈路展開了研究和試驗工作——VDL成為VHF通訊發(fā)展的主要方式[4]。目前，歐洲已經(jīng)局部應用了VDL2系統(tǒng)，美國也在積極部署相關(guān)工作。在VDL發(fā)展過程中，話音通信業(yè)務有向數(shù)據(jù)通信業(yè)務轉(zhuǎn)化的趨勢(由于業(yè)務需要，不能完全代替)。航空數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展，有利于在提高業(yè)務工作區(qū)域容量的同時，減少飛行員的工作量。

然而，由于飛機班次不斷增加、航空業(yè)務不斷豐富，即使采用VDL2/8.33 kHz話音方式，仍不能滿足未來航空流量的要求[5]。特別是下一代航空交通運輸系統(tǒng)(NextGen)概念的提出和發(fā)展，對VHF通信鏈路形成了新的挑戰(zhàn)。NextGen是對傳統(tǒng)空中管理觀念的完全意義上的變革。從功能層面分析，NextGen實現(xiàn)對空中管理三個核心功能(導航、通訊、監(jiān)控)的變革；從概念層面分析，NextGen賦予了地空系統(tǒng)自動控制理念。NextGen成為ATC向ATM過渡的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從以人為操作為主的CNS向以衛(wèi)星導航、數(shù)字通信、先進自動化技術(shù)和網(wǎng)絡大容量為特征的新型系統(tǒng)的過渡。綜上所述，航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，對航空通訊提出了深刻挑戰(zhàn)——EUROCONTROL組織預測，現(xiàn)有通信方式在2015～2020年達到系統(tǒng)容限[6]。

綜合上述分析，發(fā)展現(xiàn)有無線技術(shù)的替代技術(shù)已經(jīng)成為當今航空發(fā)展的必然要求。以多載波為技術(shù)特征可實現(xiàn)頻率重疊共用的B-VHF數(shù)據(jù)鏈應運而生。

B-VHF數(shù)據(jù)鏈源于歐洲委員會所資助的第六項框架行動，于2004年1月正式啟動。其主要目標包括：形成B-VHF的可操作概念并部署實施方案、(通過試驗測試和理論研究)分析可利用頻段、開展基于多載波的設計研究、實施物理層、鏈路層以及高層的軟件設計以及B-VHF系統(tǒng)仿真研究工作。B-VHF研究項目還建立了首個B-VHF與VDL2和模擬話音系統(tǒng)干擾研究試驗室，并初步證實了兩者在頻域中共同存在的可行性。

在國際民航組織(ICAO)空中交通C工作組(ACP WG-C)的倡議下，美國FAA和歐洲 EUROCONTROL組織于2005年共同發(fā)起了FCS項目。FCS項目開展了可應用于未來無線航空通信的技術(shù)研究，并分析了可支持長期航空移動地空通信運行概念的候選通訊技術(shù)。FCS采用了技術(shù)和非技術(shù)兩類評判標準，其中技術(shù)標準包括ATS數(shù)據(jù)鏈路要求、AOC數(shù)據(jù)鏈路要求兩項內(nèi)容，非技術(shù)標準包括技術(shù)成熟度、標準化水平、設備成本、安全性、頻帶有效性以及是否可平滑過渡等八項內(nèi)容[7]。FCS將B-VHF作為一種寬帶地空無線通信候選方案提出，為以后的B-VHF分析和評估工作準備了條件。

2 B-VHF系統(tǒng)架構(gòu)

作為陸地通信系統(tǒng)，B-VHF在網(wǎng)絡架構(gòu)上采用了類似于地面通用移動系統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)，分為地面站側(cè)和空中移動側(cè)(飛機側(cè))設備。其中，地面站是網(wǎng)絡的控制器，為B-VHF蜂窩提供多種業(yè)務服務。每個蜂窩占用一個指派的寬帶信道，在物理上承載地空通信容量。B-VHF系統(tǒng)可提供語音和數(shù)據(jù)鏈的廣域業(yè)務，其可支持基于動態(tài)空中管理的未來ATM業(yè)務。

2.1 B-VHF系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)

B-VHF支持前向鏈路的廣播通信和雙向鏈路的點對點通信，采用基于TDD的時分雙工方式，正向鏈路(Forward Link,簡稱FL)和反向鏈路(Reverse Link,簡稱RL)采用不同時隙。數(shù)字化語音、用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊在短幀中傳輸。短幀類型包括攜帶用戶信息的FL和RL幀、攜帶系統(tǒng)信息的FL廣播幀和RL隨機接入幀等。短幀分為奇數(shù)幀和偶數(shù)幀兩種，在隨機接入幀格式上有所區(qū)別，由短幀可組合成多幀、超幀、巨幀等幀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。短幀(無論奇數(shù)幀還是偶數(shù)幀)長為54 ms,廣播幀占用24 ms,一個超幀由1個廣播幀、2個奇數(shù)幀和2個偶數(shù)幀所組成，故一個超幀幀長為24+2×54+2×54=240 ms。一個巨幀由8個超幀組成，其幀長為240×8=1 920 ms。

圖1 B-VHF幀結(jié)構(gòu)

B-VHF協(xié)議棧包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層三層協(xié)議結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 B-VHF協(xié)議結(jié)構(gòu)

B-VHF物理層采用基于OFDM的多載波技術(shù)，可與現(xiàn)存的窄帶通信方式共用航空VHF頻段。B-VHF利用可分配的蜂窩的寬帶信道OFDM載波集實現(xiàn)多載波通信，可利用的載波星座取決于在本蜂窩以及相鄰蜂窩的寬帶信道內(nèi)窄帶系統(tǒng)收、發(fā)信機的頻譜結(jié)構(gòu)。

B-VHF物理信道是通過一組已調(diào)OFDM載波合并形成的，一個特定信道的載波可以從不相鄰的B-VHF可用頻段中選取。在B-VHF前向鏈路中，應用了碼分多址技術(shù)，以增強在窄帶干擾環(huán)境下通信系統(tǒng)的強壯性。在反向鏈路中，飛機與地面站使用相同的OFDM載波集，但不同飛機所使用的載波互不交疊。

B-VHF數(shù)據(jù)鏈路層擁有多種類型的邏輯信道和傳輸信道，以便有效地實現(xiàn)用戶信息的物理層映射。數(shù)鏈層包含多個MAC實體，在存放和提取物理幀信息時，完成本地媒體接入。數(shù)鏈層還包括BSS、DLS、LME等子層，主要完成邏輯層、傳輸層和物理層用戶數(shù)據(jù)映射，實現(xiàn)流控制和數(shù)據(jù)完整性驗證(前向糾錯編碼和循環(huán)冗余校驗)，提供對網(wǎng)絡初始化和越區(qū)切換等系統(tǒng)功能的支持。

B-VHF網(wǎng)絡層為ATN提供接口，可有選擇地提供IP支持。

2.2 B-VHF系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)

B-VHF可支持廣泛的通信業(yè)務，包括語音和數(shù)據(jù)鏈服務。具體業(yè)務可按照相似性劃分集合，配置服務標準(QoS)要求。未來出現(xiàn)的新業(yè)務通過集合映射，可映射到標準集合上，并自動得到B-VHF系統(tǒng)的支持。

B-VHF系統(tǒng)業(yè)務集合類型包括集群語音服務、廣播語音服務、可選擇語音服務(系統(tǒng)可選)、確認性數(shù)據(jù)鏈路服務、廣播數(shù)據(jù)鏈路服務、非確認性數(shù)據(jù)鏈路服務[8]。

類似于目前的模擬話音系統(tǒng)，集群和廣播兩類語音信道固定分配給空中交通控制(Air Traffic Control,簡稱ATC)部門使用，以便滿足ATC在服務建立時間上的嚴格業(yè)務要求。其中，反向鏈路的集群語音信道由飛行員以PTT方式共享；前向鏈路固定分配給控制端，可打斷反向鏈路正在進行中的集群通話過程，具有高優(yōu)先級。

與集群語音信道相反，可選擇語音信道在地面用戶或飛行員中任何一方發(fā)出的外部請求觸發(fā)下，由地面站動態(tài)分配。盡管可選擇語音服務不是系統(tǒng)必選的類型，但由于其是AOC語音通信的一種有效實施方案，因而在B-VHF系統(tǒng)設計中得到廣泛應用。

確認性數(shù)據(jù)鏈路服務可滿足ATN地空數(shù)據(jù)鏈路需要，即既可用于AOC應用，也可用于ATM應用。其可提供對目前以及未來的數(shù)字鏈路服務支持。

通過廣播數(shù)據(jù)鏈路服務，B-VHF數(shù)據(jù)鏈地面站可向飛機提供飛行信息，特別是空中交通信息。

非確認性數(shù)據(jù)鏈路服務主要應用于已約定飛行參數(shù)的情況，例如，在飛機已根據(jù)飛行線路與特定地面站進行了通信約定的情況下，可采用非確認性數(shù)據(jù)鏈路服務。

3 B-VHF的關(guān)鍵技術(shù)

本質(zhì)而言，B-VHF的產(chǎn)生和發(fā)展是建立在重疊覆蓋思想基礎(chǔ)之上的。所謂重疊覆蓋是指在VHF航空頻段(118～137M Hz)內(nèi)的某一具體時間段內(nèi)，并非所有的信道(VHF航空頻段現(xiàn)已被分割成以25 kHz為帶寬的760個信道，分配給ATC與VDL等業(yè)務)都被目前的模擬話音和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)所占用，而是經(jīng)常存在空閑段。B-VHF系統(tǒng)正是應用多載波技術(shù)，利用這些頻率空隙進行信息傳送，如圖3所示。通過控制子載波的通斷，B-VHF系統(tǒng)可靈活地改變頻率分配。

圖3 B-VHF重疊覆蓋

重疊覆蓋的可行性已經(jīng)被諸多研究所驗證，其中S.Brandes等[9]在考慮服務質(zhì)量的前提下，引入話音和數(shù)據(jù)兩種服務類型建立了B-VHF協(xié)議棧模型，通過對物理層和高層的仿真驗證了重疊覆蓋的可行性。

從頻譜分配的靈活性和有效性考慮，OFDM是最適合B-VHF系統(tǒng)的多載波技術(shù)，并成為其通信標準。B-VHF通信系統(tǒng)正是基于OFDM技術(shù)的寬帶全雙工蜂窩通信系統(tǒng)，可通過64 QAM或QPSK數(shù)字調(diào)制方式實現(xiàn)。地面站發(fā)送端采用CDMA與OFDM相結(jié)合的MC-CDMA技術(shù)，飛機發(fā)送端采用FDMA與OFDM相結(jié)合的OFDMA技術(shù)[10-11]。

為了實現(xiàn)重疊覆蓋，必須實現(xiàn)對子載波動態(tài)、有效地分配。而實現(xiàn)子載波動態(tài)分配的前提條件是對VHF頻譜作充分的估測、感知。同時，由于采用重疊覆蓋，B-VHF系統(tǒng)和現(xiàn)有VHF系統(tǒng)間可同時共存，不可避免地出現(xiàn)兩種系統(tǒng)間的相互干擾。如何抑制系統(tǒng)間干擾不僅關(guān)系到B-VHF能否實現(xiàn)有效傳輸，也關(guān)系到加入子載波后的現(xiàn)有系統(tǒng)能否正常工作。

決定于重疊覆蓋的技術(shù)思想，系統(tǒng)間干擾抑制和頻譜感知成為B-VHF的兩大關(guān)鍵技術(shù)，并且二者相互影響、互為制約。

3.1 干擾抑制技術(shù)

干擾抑制是通信系統(tǒng)中的一個基本性問題，其目標是通過對干擾的抑制，提高系統(tǒng)接收端的信干比，從而提高信號的接收質(zhì)量。通過干擾抑制可提高系統(tǒng)的可靠性。

由于以重疊覆蓋為基礎(chǔ)，B-VHF的干擾抑制較之普通系統(tǒng)更為復雜。系統(tǒng)間干擾主要存在兩方面的問題：一方面，B-VHF對VDL2和模擬話音系統(tǒng)形成干擾；另一方面，VDL2和模擬話音系統(tǒng)對B-VHF形成干擾。B-VHF具有功率譜密度低的特點，對其它通信系統(tǒng)的信號干擾較小，因此應將重點放在抑制VDL2和模擬話音對B-VHF的干擾上。研究表明，射頻干擾抑制技術(shù)是實施第二種干擾抑制的有效手段[12-13]。

3.1.1 射頻干擾抑制的主要方法

目前，射頻干擾抑制主要有模擬和數(shù)字兩種處理方法。模擬射頻干擾抑制是在A/D轉(zhuǎn)換前，在突出的NBI處進行阻帶濾波，抑制強NBI通過。這種方法比較簡單，但是阻帶濾波會引起OFDM信號的載波間干擾(Inter-carrier Interference,簡稱 ICI)和碼元間干擾(Inter-symbol Interference,簡稱ISI)，降低接收的可靠性。因此，數(shù)字處理是射頻干擾抑制的主要方法，其又可分為時域和頻域兩種[14]。

(1) 時域處理方法

在時域處理中，窄帶干擾(Narrow Band Interference,簡稱NBI)可采用在接收機端加窗函數(shù)的方法加以抑制。窗加在DFT處理之前，其可降低NBI的旁瓣，從而減少由DFT處理所引起的OFDM子載波上NBI功率的不均勻，即降低所謂的“泄露效應”[15]。

接收機窗函數(shù)設計的基本原則是利用循環(huán)前綴中的冗余抽樣信息，使所設計的窗在不影響數(shù)據(jù)信號的前提下，達到抑制NBI信號的目的。

最常用的窗實現(xiàn)方案是采用固定窗方式，例如升余弦窗、漢明窗等。固定窗方式不需要采用自適應算法和訓練序列，也不需要NBI估計，是一種簡單易行的實現(xiàn)方式，然而其不能跟蹤NBI的變化。與之相反，自適應窗函數(shù)可實現(xiàn)NBI最小化，然而相比于固定窗，運算量開銷大，具有很大的復雜性。

對于干擾抑制系統(tǒng)，加窗位于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后和離散富氏變換(DFT)之前，如圖4所示。在窗處理前，時域抽樣被分組成為OFDM符號，并移除若干衰減信道所需要的循環(huán)前綴。假定移除后，保留了μ個循環(huán)前綴抽樣。作適當保留是為了保證在接收機窗處理后，子載波具有正交性；否則，若全部移除， OFDM子載波將失去正交性，從而引起嚴重的載波間串擾，導致OFDM不能正常解調(diào)。

圖4 B-VHF加窗接收機

在保證不失去子載波正交性的前提下，μ的選取存在下述矛盾關(guān)系：一方面，增加μ，可以加大窗口，使窗旁瓣快速衰落，提高接收機對NBI的抑制能力，提升系統(tǒng)的信噪比，從而實現(xiàn)提高系統(tǒng)可靠性的目的；另一方面，增加μ，將引起OFDM符號的抽樣增加，從而增加了通訊開銷，降低了頻譜利用率，導致系統(tǒng)有效性下降。

(2) 頻域處理方法

與時域處理不同，頻域抑制主要是基于對未使用子載波作NBI測量來完成的。被測量的OFDM子載波稱為估測子載波，其用來估算使用中子載波的NBI。頻域NBI抑制單元如圖5所示。

圖5 頻域NBI抑制單元

在DFT處理之后，在N個子載波上的接收信號r為：r=x+n+i=(r1,r2,…,rN)T。其中，x為通過衰減信道后的B-VHF信號，n為高斯白噪聲(AWGN)信道噪聲，i為窄帶干擾。

若第k個OFDM子載波為估測子載波，則xk=0，rk=nk+ik。當ik

3.1.2 干擾抑制的對比分析

模擬和數(shù)字兩種方法可以同時應用于同一接收機中，前者用于消除強NBI，后者用于對弱NBI的進一步消除。二者在系統(tǒng)中的位置和所發(fā)揮的作用是不同的：①模擬方法用于A/D之前，數(shù)字方法用于A/D之后；②模擬方法用于對有限的強干擾進行抑制，數(shù)字方法用于精細的干擾抑制。

在模擬干擾抑制的設計中，阻帶不可過多，否則系統(tǒng)可靠性將會急劇下降。通常，強干擾強度在數(shù)量級上應高于OFDM信號。此外，不同于數(shù)字方法僅用于干擾抑制，模擬方法還具有減小A/D動態(tài)范圍的作用，從而為模數(shù)轉(zhuǎn)換準備條件。

對于以子載波為NBI中心頻點的系統(tǒng)，宜優(yōu)先采用數(shù)字頻域干擾抑制，以提高頻帶利用率。而對于其他系統(tǒng)，宜采用數(shù)字時域干擾抑制方法，此時，正交性(通過保留的循環(huán)前綴抽樣個數(shù)μ體現(xiàn))和頻帶利用率的權(quán)衡是工程設計中的一個重要問題。

除了以上討論的射頻干擾抑制技術(shù)外，在調(diào)制、編碼的過程中也可實現(xiàn)干擾抑制，例如采用基于多次迭代的窄帶信號解調(diào)、基于編碼的OFDM等方法[16-17]。上述方法是通過對調(diào)制、編碼的改進實現(xiàn)的，不屬于獨立的干擾抑制技術(shù)，由于篇幅所限，這里不再贅述。

3.2 頻譜感知技術(shù)

對于無線通信系統(tǒng)而言，頻率資源是有限而不可再生的，因此如何提高頻率利用效率是系統(tǒng)設計的主要目標之一。對于以交通控制為主要業(yè)務的空中VHF頻段而言，頻率使用效率尤為重要。

通過對空中VHF頻段的研究發(fā)現(xiàn)，某些頻段在大多數(shù)時間內(nèi)是空閑的，上述頻段被稱為“頻譜洞”[18]。頻率洞可被定義為已分配給某特定用戶(首用戶)，而在固定時間和地點沒有被使用的閑置頻率資源。頻率洞的存在，為B-VHF利用頻率空閑重新分配頻率，實現(xiàn)重疊覆蓋提供了可能。

基于認知無線電(Cognitive Radio,簡稱CR)，通過頻譜感知技術(shù)可有效地對頻率洞進行發(fā)現(xiàn)。在此方面，R.Fantacci等[19]基于非協(xié)同頻譜感知(Noncooperative Spectrum Sensing)技術(shù)，提出了一種航空VHF實現(xiàn)方案，可以有效地檢測空閑信道，實現(xiàn)信道分配。

目前，頻譜感知技術(shù)有匹配濾波器法、能量檢測法和聯(lián)合檢測法等方法。

(1) 匹配濾波器方法

匹配濾波器方法以最大信噪比為準則，可獲得最佳接收效果，是頻率感知的理想方法。但是匹配濾波需要對所有可能存在的系統(tǒng)具有脈沖成型的先驗知識，通常難以實現(xiàn)，多用于理論分析。

(2) 能量檢測方法

能量檢測方案可通過比較所估算的能量譜密度(Power Spectral Density,簡稱PSD)和功率門限來實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 能量檢測算法

PSD估算有經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代參數(shù)譜估計兩種方式，圖中采用了經(jīng)典譜估計中的Welch平均周期圖法構(gòu)造檢測器[20]。

將接收到的長度為N的樣本空間作分段，等分成K段，每段M個樣本點數(shù)。通過分段，使周期圖修正為Bartlett平均周期圖，可對功率譜作漸進無偏一致估計，但對于固定長度樣本序列不能同時獲得小的偏倚(高分辨率)和小的方差(高可靠性)。為了在保持一定主瓣帶寬的同時，加快旁瓣衰減速度，從而改善周期圖偏倚，可在樣本分段基礎(chǔ)上，作加窗處理，形成Welch平均周期圖，圖6中采用了漢明窗。

在能量檢測中，門限可分為動態(tài)和靜態(tài)門限兩種。其中動態(tài)門限可通過動態(tài)跟蹤樣本序列，依據(jù)相關(guān)動態(tài)算法形成，具有較高的運算量；靜態(tài)門限是依據(jù)先驗試驗和仿真數(shù)據(jù)所計算出的經(jīng)驗值，具有開銷小的優(yōu)點，但不可動態(tài)跟蹤。門限值的選取，是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵點之一，存在著如下權(quán)衡關(guān)系：門限選擇過高，有利于減少干擾，但會降低頻譜利用效率；門限選擇過低，可達到高頻譜利用率，但會引入過多的干擾，降低系統(tǒng)的可靠性能。

雖然能量檢測的實現(xiàn)較為簡單，但是其門限易受到干擾、噪聲的影響，從而使系統(tǒng)較為脆弱。即使采用自適應的門限方法，也可能由于帶內(nèi)干擾而使門限混亂。從本質(zhì)上講能量檢測屬于一維檢測，不能對調(diào)制信號和干擾信號進行分離，故不能運用自適應處理消除干擾。

為了提高檢測的魯棒性，人們基于能量檢測提出了一種循環(huán)平穩(wěn)特征檢測方法。通常情況下，已調(diào)制信號經(jīng)常伴有調(diào)制載波、脈沖序列以及循環(huán)前綴。因此，調(diào)制信號在統(tǒng)計上經(jīng)常表現(xiàn)為具有周期性特征[21-22]。而碼元序列一般可以視為平穩(wěn)隨機過程。由于調(diào)制信號的周期性，其頻譜具有一定的冗余度，表現(xiàn)為譜線分離并且相關(guān)。而在相關(guān)譜線中，可提取特定調(diào)制信號的定時相位和頻率信息。這意味著特定的調(diào)制方式(例如QPSK)具有特定的頻譜相關(guān)函數(shù)，而干擾和噪聲表現(xiàn)為無頻域相關(guān)性。利用上述特征可以在檢測中將隨機信號從干擾和噪聲中分離，并能識別調(diào)制的類型。

循環(huán)平穩(wěn)特征檢測可以通過循環(huán)平穩(wěn)特征檢測框圖實現(xiàn)(如圖7所示)。同時，可將能量檢測算法(如圖6所示)簡化為框圖形式，如圖8所示。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，二者的根本區(qū)別是循環(huán)平穩(wěn)特征檢測加入了頻域相關(guān)運算，相應地判決由能量判決轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P(guān)判決。若僅用于判決是否信號存在，相關(guān)判決門限可設定為0。

圖7 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測框圖

Fig.7 Implementation of a cyclostationary feature detector

圖8 能量檢測框圖

由于引入了頻域相關(guān)，循環(huán)平穩(wěn)特征檢測在本質(zhì)上已經(jīng)是二維檢測(事實上，能量檢測可視為循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的一維特例)，可以克服能量檢測中門限脆弱的缺陷，提升了抗噪性能。

無論是能量檢測還是循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，都不能對抗多徑效應和解決隱終端問題。因此，人們提出了多用戶聯(lián)合檢測技術(shù)，即認知網(wǎng)絡中的相鄰節(jié)點通過彼此交換信息達到減少干擾影響、提高首用戶識別概率的目的。由于聯(lián)合檢測不僅要求多個用戶的自檢測，還要求交換檢測數(shù)據(jù)和進行聯(lián)合判決，在提高檢測性能的同時也不可避免地增加了帶寬無線資源和運算、存儲等軟硬件的開銷。

(3) 聯(lián)合檢測法

目前，聯(lián)合檢測判決算法主要有硬判決合作算法、加權(quán)合作算法、隨機矩陣算法等。

①硬判決合作算法 該算法最為簡單，可通過將相鄰節(jié)點的判決概率相與獲得；其可解決單用戶頻譜感知中的隱藏終端問題，但該方法易受到信道衰落的影響，僅適用于衰落特性好的信道。

②加權(quán)合作算法 為了提高抗衰落能力，人們在硬判決基礎(chǔ)上提出了加權(quán)的思想。最為典型的就是信噪比加權(quán)，即利用各認知用戶的信噪比構(gòu)造其加權(quán)因子。此外，還有信任度、信噪比選擇等加權(quán)算法。

③隨機矩陣算法 基于RMT隨機矩陣理論，該類算法最具代表性的三種頻譜感知算法，分別是MED算法 、MME算法和MMED算法，其不同之處就在于檢測統(tǒng)計量的矩陣構(gòu)造不同。MED算法克服了門限固定的缺點，但是受到噪聲不確定性的影響。MME算法有效地克服了噪聲不確定性的影響，但門限固定不變的。而MMED算法克服了上述兩種算法的缺點，不僅具有感知性能更好以及對噪聲不敏感等優(yōu)點，而且在認知用戶較少、樣本較小的情況下，也可以獲得較好的檢測性能。

傳統(tǒng)的隨機矩陣算法一般將所有合作用戶的全部數(shù)據(jù)進行融合。而在實際感知中，由于信道、速度等因素的影響，參與合作的多用戶本地感知數(shù)據(jù)可能存在較大差異，存在不均衡性。通過等功率分配、用戶集合勢等方法，對具有較好感知能力的用戶進行篩選，可以有效地提高合作頻譜感知的檢測性能[23-24]。

4 B-VHF地-空通信系統(tǒng)展望

在航空無線寬帶通信領(lǐng)域，多種候選方案并存。相對于CDMA2000、SDLS等方案而言，基于MC的寬帶B-VHF方案具有以下優(yōu)勢：首先，B-VHF系統(tǒng)以多載波技術(shù)為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)頻率重疊共用方案，可實現(xiàn)與現(xiàn)行系統(tǒng)的共存和向下一代平滑過渡；其次，多載波技術(shù)已被試驗證實，是陸地寬帶廣播標準中數(shù)字語音廣播(Digital Audio Broadcasting,簡稱DAB)和陸地數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial,簡稱DVB-T)的一種高效的寬帶系統(tǒng)，因此可以滿足未來空中業(yè)務發(fā)展和大網(wǎng)絡容量需求的要求；最后，MC技術(shù)是最有發(fā)展前景的4G寬帶關(guān)鍵技術(shù)。目前，除了可應用的DAB和DVB-T部件外，4G中MC的其他相關(guān)技術(shù)也正在研發(fā)過程中。因此，基于MC的未來航空通訊系統(tǒng)，有望得益于來自陸地無線通訊領(lǐng)域的軟硬件研究成果?；谏鲜鲈?，B-VHF極有可能發(fā)展成為未來國際航空領(lǐng)域的主流通信體制。

在我國，民用航空運輸總周轉(zhuǎn)量已躍入世界前列。從主要機場的飛機起降架次看，飛行流量也大幅度增加。為了適應我國民航發(fā)展的需要、促進民航事業(yè)的發(fā)展，順應世界航空發(fā)展潮流，經(jīng)國務院、中央軍委批準，國務院、中央軍委空中交通管制委員會于1998年制訂并頒發(fā)了《我國發(fā)展新航行系統(tǒng)總體規(guī)劃》，為我國軍、民航未來空管設施建設指明了方向，確立了發(fā)展步驟和原則。通信方面重點發(fā)展甚高頻/特高頻(VHF/UHF)空空/空地數(shù)據(jù)鏈及其配套設備，適應傳輸ADS 信息的需要，發(fā)展高頻(HF) 空空/空地數(shù)據(jù)鏈；導航系統(tǒng)要求在保留完善獨立自主的導航體系，在有條件的飛機上加裝支持ADS 需要的GNSS 設備；監(jiān)視方面，根據(jù)軍航自身的需要和特點發(fā)展ADS，滿足新一代空中交通管理的要求；空中交通管理方面，要求充分利用新的通信、導航、監(jiān)視設備提供的先進手段和信息資源，改造和完善軍航現(xiàn)有管制中心設備，最終建成與民航配套發(fā)展的、滿足未來航空運輸持續(xù)發(fā)展需要的空中交通管理與服務系統(tǒng)。

目前，我國民航所應用的主要數(shù)據(jù)鏈方式是ACARS，正在積極進行VDL2過渡。B-VHF作為VDL2的后一代寬帶技術(shù)，可以有效提高通信網(wǎng)絡容量，改善和擴展服務業(yè)務，并可以實現(xiàn)與我國現(xiàn)有VHF通訊體制的共存，以及達到向全B-VHF體制的平滑過渡。因此，在發(fā)展VDL2的同時，有必要將目光瞄準下一代通信技術(shù)，開展B-VHF關(guān)鍵技術(shù)的研究和仿真實驗，使我國在該領(lǐng)域緊跟世界發(fā)展方向。在實際應用中實現(xiàn)跨越式發(fā)展，走中國特色的航空發(fā)展道路。

5 結(jié)束語

B-VHF是在當今民航發(fā)展的大背景下，為了適應不斷增長的ATM流量需要，在國際上提出的一種寬帶解決方案。B-VHF的核心思想是重疊覆蓋，即以現(xiàn)行的固定信道航空通信體制為基礎(chǔ)，利用空閑信道進行信息傳送，從而達到在不增加VHF頻段范圍的條件下提高業(yè)務帶寬的目的。

干擾抑制和頻譜感知是B-VHF的兩大關(guān)鍵技術(shù)。前者著重于解決系統(tǒng)有效性問題，后者著重于解決系統(tǒng)可靠性問題。兩者互為聯(lián)系，互為制約。射頻干擾抑制是干擾抑制的主要技術(shù)，一般需要模擬和數(shù)字方法的配合使用：在A/D轉(zhuǎn)換前應用模擬方法減小動態(tài)范圍和抑制大幅干擾，在A/D轉(zhuǎn)換后應用數(shù)字方法進行精細干擾抑制。能量檢測法是頻譜感知中簡單易行的方法，但門限易受干擾。通過加入相關(guān)運算形成循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，可提高檢測的魯棒性。在多徑信道中，必須進行聯(lián)合檢測，才能達到良好的頻譜感知效果。

由于B-VHF具有頻譜利用率高、可與現(xiàn)行系統(tǒng)(AM-DSB、ACARS以及VDL2)共存并可實現(xiàn)平滑過渡的特點，其極有可能成為未來的民用航空通信體制。

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