[论文解读] New Reconfigurable L-Band Digital Aeronautical Communication System

Niharika Agrawal|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于可重构滤波正交频 division multiplexing（Ref-OFDM）的L波段数字航空通信系统（LDACS），支持186 kHz至732 kHz的可调带宽，利用可重构线性相位多带FIR滤波器实现动态频谱适应。该方法相比传统OFDM具有更高的频谱效率和更低的带外辐射，可有效与DME信号共存，并支持可扩展的多用户、多带传输。

ABSTRACT

To meet an ever-increasing demand of the spectrum for communication between aircraft and ground terminals, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based L-band (960-1164MHz) Digital Aeronautical Communication System (LDACS) has been recently proposed as an alternative to existing narrowband systems. However, OFDM based LDACS needs additional control signaling for time and frequency alignment and the use of cyclic prefix and high out-of-band emission limits the spectrum utilization efficiency to less than 50%. In this paper, a new waveform has been proposed which offers better spectrum utilization than OFDM without compromising on computational complexity and interference to legacy users in L-band. It also allows transceivers to dynamically adapt the transmission bandwidth to meet the desired quality of service. Since the proposed waveform employs a reconfigurable multiband linear phase filter, it is referred to as reconfigurable filtered OFDM (Ref-OFDM). Simulation results and extensive analysis show that the proposed Ref-OFDM offers around 40 dB better out-of-band emission than OFDM which in turn leads to significant increase in the transmission bandwidth for a given BER and interference constraints. The computational complexity of Ref-OFDM is slightly higher than that of OFDM but it is significantly less than other waveforms making Ref-OFDM an attractive waveform for next generation air-to-ground communications. An end to end hardware prototyping of LDACS-DME coexistence is also presented in this report.

研究动机与目标

• 解决现有基于OFDM的LDACS中因带外辐射过高而导致的频谱利用率受限问题，其带宽被固定在498 kHz。
• 通过实现动态、实时的带宽自适应，克服当前LDACS中带宽分配僵化的问题。
• 设计一种可重构线性相位多带FIR滤波器，以支持可变带宽，且无需重新编程系数。
• 通过改进的频谱成形，实现与L波段（960–1164 MHz）现有DME信号的高效共存。
• 开发一种软硬件协同设计框架，用于SoC实现，以满足面积、功耗和延迟约束。

提出的方法

• 提出一种广义的帧结构，支持186 kHz至732 kHz的LDACS带宽，取代原有的固定498 kHz分配。
• 采用单个可重构线性相位多带FIR滤波器实现可重构滤波OFDM（Ref-OFDM）收发器，用于发射和接收链路。
• 设计滤波器通过切换滤波抽头实现带宽动态调节，避免系数重编程，实现实时自适应。
• 在Zynq片上系统（SoC）上采用软硬件协同设计方法，将信号处理任务卸载至ARM处理器，基带处理任务交由FPGA执行。
• 将OFDM收发器与AD9361射频前端集成，利用真实信道条件实现空中实时验证。
• 通过MATLAB仿真和硬件原型设计，评估误比特率（BER）、频谱掩模合规性以及资源/功耗效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LDACS如何在186–732 kHz范围内实现灵活可调带宽，同时保持频谱效率和与DME的共存？
• RQ2 可重构FIR滤波器在最小化带外辐射和实现多带传输方面的性能如何？
• RQ3 与传统OFDM相比，Ref-OFDM收发器在误比特率（BER）、频谱掩模合规性和硬件复杂度方面表现如何？
• RQ4 在Zynq SoC上，针对LDACS实现中的面积、功耗和延迟约束，最优的软硬件划分是什么？
• RQ5 所提出的Ref-OFDM系统能否有效支持异步多用户和多带传输？

主要发现

• 所提出的基于Ref-OFDM的LDACS支持186 kHz至732 kHz的广泛可调带宽，突破了传统OFDM固定498 kHz的限制。
• 可重构FIR滤波器可在不更改滤波器系数的情况下实现带宽动态调节，降低了实现复杂度。
• 仿真结果表明，带外辐射（OOB）性能得到改善，确保符合DME共存要求。
• 由于线性相位FIR滤波器带来的陡峭频谱滚降，系统对现有DME用户的干扰更低。
• 在Zynq SoC上的硬件原型实现表明，资源利用可行，且支持动态功耗调节，具备与AD9361射频前端集成的潜力。
• 收发器设计仅通过一个可重构滤波器即可支持多用户和多带传输，实现了可扩展且高效的频谱利用。