● 摘要
随着航空电子技术和无线通信技术的不断发展，各大航空公司和相关单位正在研制和实验机舱内部无线通信服务系统。美国在波音客机上启动名为“Gogo”的机上宽带无线服务计划，欧洲开始实施无线机舱计划，我国也正在研发名为“SaFi”的自主国产机载无线信息和娱乐系统。由此可见，客机机舱内的无线接入业务已经成为全球研究的热点：这不仅能够让乘客通过在飞行途中访问互联网、收发电子邮件、浏览视频等方式来获得更好的飞行体验，也成为航空公司利润的一个新的增长点。同时，传感器、信号处理机、客舱娱乐系统等航空电子设备分布在飞机的各个部位，设备之间的连接和数据交换通过线缆进行，这增加了飞机的初期设计和后期维护成本。随着无线技术的进步，超宽带无线通信的应用场景与应用范围越来越广，将超宽带无线通信系统应用到机舱环境中，既能够避免线缆布局和载荷配重等带来的设计和维护问题，又能够提高数据传输带宽保证各服务的数据传输速率。本文研究了超宽带无线通信在机舱环境中应用的一些关键问题，包括：超宽带无线通信系统机载应用场景，超宽带信号的产生及其特性参数，超宽带信号传播及机舱信道特征参数，超宽带信号在机舱环境中传播时信号干扰抑制与抗干扰，以及超宽带无线通信的可信性。具体而言，主要完成了以下几方面的工作。
（1）对国内外超宽带相关研究进行了综述，分析了超宽带在无线通信、雷达探测等方面的应用特点。针对超宽带信号在本文研究的应用场景——机舱环境，对机载超宽带无线通信系统研究现状，机舱内部超宽带信道研究现状，以及当前机载超宽带无线通信研究难点进行了综述和分析，并将信号特征、机舱信道传播模型、信号干扰抑制与抗干扰、系统可信性作为本文研究的重点内容。
（2）研究了MB-OFDM超宽带信号在机舱信道环境下的传播特性。首先，对超宽带机舱信道冲击响应长度进行了研究，提出了一种基于信息论准则的信道冲击响应长度估计方法并设计偏置校正判决函数，从加性噪声空间中区分无线信道空间，避免计算自相关矩阵的特征值，对超宽带机舱信道冲击响应长度进行估计。其次，将射线追踪技术引入到机舱内部超宽带信道参数研究当中，提出一种改进的射线密度归一化方法，修正经过曲反射面反射后的射线密度，提高反射射线权重因子的准确度。最后，通过仿真软件建立了飞机机舱内部模型，提出基于接收球反射角误差的射线追踪方法，避免判断射线与面相交的计算。通过上述方法在仿真软件中实现机舱内超宽带信号的传播路径追踪，并计算得到超宽带机舱传播信道下的模型参数，包括簇到达率、径到达率、径衰减常数、簇衰减常数、均方根时延等。这些参数和建立的机舱内部信道模型为超宽带无线通信系统在飞机机舱中的设计与实现提供了理论数据依据。
（3）研究了MB-OFDM超宽带信号在机舱环境传播时信号干扰抑制与抗干扰的问题。在机舱环境中，由于存在其他无线信号，超宽带信号需要采取一定的干扰抑制和抗干扰措施，实现超宽带无线通信系统与其他无线系统的共存。在干扰抑制方面，利用“虚载波”方法，研究了超宽带无线通信发射机与北斗卫星导航接收机之间的安全距离；提出子载波加权消除方法，对超宽带信号的不同子载波采用不同的数据加载方式进行联合计算：对干扰抑制频段内的子载波采用主动干扰消除，对有效数据子载波采用数据加权，并加入保护子载波来进行主动干扰消除。通过基于贪婪算法的方法取得联合计算的次优解，提高超宽带信号干扰抑制能力。在抗干扰方面，提出一种将干扰抑制子载波与正交扩展相结合的方法，克服其他机载无线信号对超宽带信号造成的干扰，提高超宽带无线通信数据传输带宽。
（4）针对机载超宽带无线通信系统的应用特点，对超宽带无线通信系统的可信性进行了研究。由于干扰抑制、抗干扰和信道频段占用等原因，超宽带无线通信系统不能使用预先设定的子频带，提出系统重构与柔性降级方法，提高系统的可信性。在系统重构与柔性降级基础上，提出基于事件驱动的资源调度和配置方法，建立重构模型、事件驱动的资源配置系统模型、超宽带信号子载波配置模型，对关键任务和非关键任务数据的可信传输过程进行具体实施：通过资源重构的方法来保证关键数据的可信传输，提出延时和丢包公平算法，保证非关键数据的最大限度可信传输。
（5）研究了两种形式的超宽带信号——IR-UWB超宽带信号和MB-OFDM超宽带信号——的参数特点。设计并实现了一个IR-UWB超宽带脉冲信号发生硬件电路，研究了硬件电路各参数对脉冲超宽带信号波形参数的影响。通过仿真软件搭建了MB-OFDM超宽带系统，研究了系统中各模块对MB-OFDM超宽带信号参数的影响。设计并实现了超宽带无线通信和网络监测评估实验平台，包括超宽带网络原型系统，超宽带网络监测评估设备，以及各设备上位机功能软件。超宽带网络原型系统能够在功能软件的控制下，实现超宽带无线通信；超宽带网络监测评估设备与超宽带网络原型系统连接后，能够对超宽带无线通信进行监测和性能评估。
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