An air traffic communication system based on multi-carrier and spreading techniques

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues, für die zivile Flugsicherung optimiertes, Kommunikationssystem vorgestellt, welches den gleichzeitigen Betrieb mit dem bisher verwendeten analogen System im selben Frequenzband erlaubt. Dadurch ist eine stufenlose und kostengünstige Migration auf das neue System möglich. Bei der Technologie für dieses neue Kommunikationssystem handelt es sich um eine Kombination von OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), einer speziellen Mehrträgermodulation, und der Spreiztechnik DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum), wobei die Spreizung der Datensymbol im Frequenzbereich stattfindet. Die Spreizsequenz ermöglicht die Ausnützung der Mehrwegediversität des Flugfunkkanals und reduziert damit die Störempfindlichkeit gegen schmalbandige Interferenzen. Durch die gleichzeitige Verwendung von zwei Übertragungsverfahren in der Übergangsphase, ist es notwendig eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Systeme zu minimieren. Die durchgeführte Analyse der Interferenzsituation im VHF Band gibt Aufschluss über die zu erwartenden Leistungsprofile der Störer und die verfügbare Bandbreite für das neue System während der Übergangszeit. Die Resultate zeigen, dass dabei für die Aufwärtsstrecke das Signal-zu-Interferenzleistungsverhältnis der limitierende Faktor ist, während in der Abwärtsstrecke die verfügbare Bandbreite eingeschränkt ist. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist die Anpassung und Optimierung einzelner Systemkomponenten des vorgeschlagenen Verfahrens an die Anforderungen eines VHF Kommunikationssystems für die Flugsicherung, ohne dass die Kapazität und Qualität des herkömmlichen Systems wesentlich beeinflusst wird. Letzteres wird durch die Aufspaltung der benutzten Bandbreite in nicht zusammenhängende Frequenzspektren erreicht. Dadurch ist es möglich, die Leistungsdichte einzelner schmalbandigen Frequenzbereichen stark zu reduzieren. Der Schwerpunkt beim Systemdesign liegt bei der Konzepterstellung für die Übergangsphase, dem Prinzip der sektororientierten Frequenzplanung, der Unterdrückung schmalbandiger Störer und der spektralen Reduktion der Sendeleistung. Abschließend werden noch wesentliche Implementierungsaspekte diskutiert und die Anforderungen an einem Multimode Sender/Empfänger, basierend auf Software Radio Design, untersucht.

In this thesis we propose a new broadband radio system based on multi-carrier techniques for future Air Traffic Control air/ground communications. This technique enables parallel operation with the existing analog VHF infrastructure within the same frequency band as an overlay system, thus producing a smooth system transition and rollout.<br />The multi-carrier technology for this overlay system is a combination of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum), where the data symbols are spread in the frequency domain over multiple subcarriers. This sequence is used to take advantage of multipath diversity, which also reduces the sensitivity against narrowband interference. Due to a simultaneous operation of the proposed system with other existing VHF systems, mutual interference between them must be avoided.<br />An analysis of the existing interference in the VHF band provides an initial estimation of the expected Signal-to-Interference Ratio and the available bandwidth. The results show that Signal-to-Interference Ratio is the limiting factor in the forward link, while in the reverse link the available bandwidth is the limiting factor.<br />The new system is designed and optimized to the requirements of a VHF communication system that does not influence to quality of the existing systems. This can be achieved due to the fact that Multi-Carrier SS does not require a continuous spectral range. The system design focuses on the system transition, the sector oriented spectrum management, the suppressing of analog narrowband interference and the reduction of transmit power spectral density in certain frequency bands. The last part of this thesis is focused on implementation and the required performance of a multi-mode transmitter/receiver providing the current and proposed communication techniques designed based on software defined radio methods.