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Spectrally Efficient Beaconing for Aeronautical Applications

Franzen, Nico :
Spectrally Efficient Beaconing for Aeronautical Applications.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Spectrally Efficient Beaconing for Aeronautical Applications
Language: English
Abstract:

In aeronautical surveillance beaconing, each aircraft regularly broadcasts surveillance data such as its own position, speed and heading. By receiving the beacon messages transmitted by other aircraft in vicinity, each aircraft becomes aware of surrounding traffic. Since the density of air traffic is growing, the situational awareness must be increased for future air traffic management. Aeronautical surveillance beaconing is an important method to achieve this increase of situational awareness. In contrast to ground-based radar, aeronautical surveillance beaconing provides situational awareness in the cockpit without any additional ground to air transmission of traffic data, and even works in oceanic and remote areas which are not covered by radar.

In aeronautical communications, the scarcity of unoccupied radio spectrum is a limiting factor already today. For this reason, spectral efficiency is of key importance for future aeronautical surveillance beaconing. Currently, three aeronautical surveillance beaconing systems exist: the SSR Mode S Extended Squitter transmitted on 1090MHz (1090ES), the Universal Access Transceiver (UAT), and the VHF Digital Link Mode 4 (VDL4). The capacity of all three existing systems is known to be inadequate to fulfill the demands of future aeronautical surveillance beaconing. At the same time, there is a lack of research on physical (PHY) layer and medium access control (MAC) layer schemes for aeronautical surveillance beaconing. It is not sufficiently studied which PHY layer and MAC layer schemes achieve a high spectral efficiency in aeronautical surveillance beaconing. Additionally, the joint optimization of PHY and MAC layer parameters is typically neglected in the literature.

In this thesis, we investigate spectrally efficient PHY layer and MAC layer schemes for aeronautical surveillance beaconing. Initially, the requirements of aeronautical surveillance beaconing are described, the multiple-access channel is explained and a definition of the spectral efficiency of aeronautical surveillance beaconing is given. Subsequently, we review existing PHY layer and MAC layer schemes and assess their suitability for spectrally efficient aeronautical surveillance beaconing. Based on this assessment, we select the two most promising schemes with respect to spectral efficiency. The first scheme, cell-based self-organizing TDMA (CB-SOTDMA), uses self-organizing time-division multiple-access (SOTDMA) within each cell of a cellular reuse pattern. CB-SOTDMA coordinates transmissions such that multiple-access interference is minimized. The second scheme is Aloha MAC with successive interference cancellation (SIC) in the receiver. Aloha with SIC does not attempt to avoid multiple-access interference, but to tolerate it through interference cancellation on the PHY layer.

Both for CB-SOTDMA and for Aloha with SIC, we introduce additional measures needed to overcome challenges specific to aeronautical surveillance beaconing. For CB-SOTDMA, we propose a novel solution to the problem of large power imbalances between signals received from different cells. The existing solution to this problem does not work efficiently in aeronautics due to the long signal propagation delays. For Aloha with SIC, we show that time hopping can mitigate message loss due to received signal outage during the own transmissions of a half-duplex beaconing radio. Time hopping splits up a message into multiple parts which are transmitted with gaps of random length in between.

Considering the additional measures introduced before, we develop semi-analytical models both for Aloha with SIC and for CB-SOTDMA to compute their spectral efficiency under simplifying assumptions. Additionally, we develop such a semi-analytical model for Aloha without any multi-user detection or SIC, since this technique is used by the most common existing systems 1090ES and UAT. The semi-analytical models enable us to jointly optimize PHY and MAC layer parameters for maximum spectral efficiency. This optimization reveals that both Aloha with SIC and CB-SOTDMA can achieve a substantially higher spectral efficiency than Aloha without SIC. Based on the spectral efficiency and on further criteria, we conclude that Aloha with SIC is the most promising PHY and MAC layer concept for aeronautical surveillance beaconing.

In the semi-analytical model of Aloha with SIC, certain PHY layer components are assumed to work ideally. To obtain a more realistic system design, we develop the Interference Canceling Beacon Transceiver (ICBT), a novel aeronautical surveillance beaconing system based on Aloha with SIC and time hopping. ICBT includes realistic solutions for PHY layer components such as message detection, channel estimation and interference cancellation. The design of ICBT does not assume received messages to be synchronous to, e.g., a common symbol clock. Additionally, we optimize the placement of known synchronization symbols in a message such that the Doppler shift can be accurately estimated by the receiver. The resulting structure of synchronization symbols also enables a message detection scheme with reduced computational complexity.

Finally, the spectral efficiency of ICBT is investigated by Monte-Carlo simulations of the complete PHY and MAC layer. The results agree well with the semi-analytical model. Additionally, we derive a scenario of future air traffic based on published predictions for the year 2035. This scenario describes the distribution and movement of aircraft more realistically than the simplifying assumptions of the semi-analytical models. Monte-Carlo simulations of ICBT in the 2035 air traffic scenario demonstrate that the entire beaconing traffic can be handled in a bandwidth which is even smaller than that of existing systems, although both the beaconing range and the packet size are increased in ICBT.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Beim aeronautischen Surveillance Beaconing sendet jedes Flugzeug regelmäßig Daten aus, die seine eigene Überwachung (engl., surveillance) ermöglichen, wie z.B. seine eigene Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung. Durch den Empfang der von anderen, sich in der Nähe befindlichen Flugzeugen ausgesandten Beacon-Nachrichten wird jedes Flugzeug über den Luftverkehr in seiner Umgebung informiert. Da die Luftverkehrsdichte steigt, muss für die zukünftige Flugverkehrsführung das Situationsbewusstsein gesteigert werden. Aeronautisches Surveillance Beaconing ist eine wichtige Methode, um diese Steigerung des Situationsbewusstseins zu erreichen. Im Gegensatz zu bodengestütztem Radar kann durch aeronautisches Surveillance Beaconing ohne zusätzliche Übertragung von Verkehrsdaten zwischen Boden und Flugzeug ein Bild der Verkehrslage ins Cockpit gebracht werden. Dies funktioniert sogar in ozeanischen sowie entlegenen Gebieten, die nicht durch Radarstationen abgedeckt sind. In der aeronautischen Kommunikation ist die Knappheit von noch nicht belegtem Funkspektrum bereits heutzutage ein limitierender Faktor. Aus diesem Grund ist spektrale Effizienz von zentraler Bedeutung für zukünftiges aeronautisches Surveillance Beaconing. Aktuell gibt es drei aeronautische Surveillance Beaconing Systeme: den auf 1090MHz ausgestrahlten SSR Mode S Extended Squitter (1090ES), den Universal Access Transceiver (UAT), sowie den VHF Digital Link Mode 4 (VDL4). Es ist bekannt, dass keines der drei existierenden Systeme ausreichend Kapazität bietet, um die Anforderungen des zukünftigen aeronautischen Surveillance Beaconings zu erfüllen. Gleichzeitig sind Verfahren zur Realisierung der physikalischen (PHY) Schicht, sowie der Schicht zur Mediumzugriffskontrolle (engl., medium access control (MAC)) für aeronautisches Surveillance Beaconing bisher nicht genügend erforscht. Es existieren keine ausreichenden Untersuchungen, welche Verfahren auf der PHY- und MAC-Schicht beim aeronautischen Surveillance Beaconing eine hohe spektrale Effizienz erreichen. Ebenfalls wird die gemeinsame Optimierung von Parametern sowohl der PHY- als auch der MAC-Schicht in der Literatur meist vernachlässigt. In dieser Dissertation werden spektral effiziente Verfahren auf der PHY- und der MAC-Schicht des aeronautischen Surveillance Beaconings untersucht. Zunächst werden die Anforderungen des aeronautischen Surveillance Beaconings beschrieben, der Vielfachzugriffskanal erklärt, sowie eine Definition der spektralen Effizienz des aeronautischen Surveillance Beaconings angegeben. Danach wird ein Überblick über existierende Verfahren zur Umsetzung von PHY- und MAC-Schicht gegeben. Die Verfahren werden hinsichtlich ihrer Eignung für spektral effizientes aeronautisches Surveillance Beaconing bewertet. Basierend auf dieser Bewertung werden die beiden bezüglich ihrer spektralen Effizienz vielversprechendsten Verfahren ausgewählt. Das erste Verfahren, auf Netzwerkzellen basierendes, selbstorganisierendes TDMA (engl., cell-based self-organizing TDMA (CB-SOTDMA)) verwendet selbstorganisierendes TDMA (engl., time-division multiple-access (TDMA)) innerhalb jeder Zelle eines zellulären Wiederholmusters. Bei CB-SOTDMA werden Übertragungen koordiniert, um Vielfachzugriffsinterferenz zu minimieren. Das zweite Verfahren verwendet Aloha auf der MAC-Schicht, sowie sukzessive Interferenzauslöschung (engl., successive interference cancellation (SIC)) im Empfänger. Aloha mit SIC versucht nicht, Vielfachzugriffsinterferenz zu vermeiden, sondern sie durch Interferenzauslöschung auf der PHY-Schicht tolerieren zu können. Sowohl für CB-SOTDMA als auch für Aloha mit SIC werden in dieser Dissertation ergänzende Maßnahmen eingeführt, die zur Bewältigung spezieller Herausforderungen beim aeronautischen Surveillance Beaconing nötig sind. Für CB-SOTDMA wird eine neuartige Lösung des Problems vorgeschlagen, dass aus unterschiedlichen Zellen empfangene Signale erhebliche Leistungsunterschiede aufweisen können. Die hierzu existierende Lösungsmöglichkeit funktioniert in der Luftfahrt aufgrund der erheblichen Signallaufzeiten nicht effizient. Für Aloha mit SIC wird gezeigt, wie sich der beim Beaconing mit einem Halbduplex-Funkgerät aufgrund des Empfangsausfalls während eigener Übertragungen entstehende Nachrichtenverlust durch ein Zeitsprungverfahren ausgleichen lässt. Das Zeitsprungverfahren unterteilt jede Nachricht in mehrere Teile, die in Abständen zufälliger Länge übertragen werden. Unter Berücksichtigung der zuvor eingeführten ergänzenden Maßnahmen werden semi-analytische Modelle sowohl von Aloha mit SIC als auch von CB-SOTDMA entwickelt, um die spektrale Effizienz dieser Verfahren unter vereinfachenden Annahmen zu berechnen. Zusätzlich wird solch ein semi-analytisches Modell von Aloha ohne jegliche Multi-User Detektion oder SIC entwickelt, da dieses Verfahren von den am weitesten verbreiteten existierenden Systemen 1090ES und UAT eingesetzt wird. Durch die semi-analytischen Modelle wird die gemeinsame Optimierung der Parameter von PHY- und MAC-Schicht zur Maximierung der spektralen Effizienz ermöglicht. Diese Optimierung ergibt, dass sich sowohl mit Aloha mit SIC als auch mit CB-SOTDMA eine substanziell höhere spektrale Effizienz erreichen lässt, als mit Aloha ohne SIC. Basierend auf der spektralen Effizienz und weiteren Kriterien kommt die vorliegende Arbeit zu dem Schluss, dass Aloha mit SIC das vielversprechendste Konzept für die PHY- und die MAC-Schicht des aeronautischen Surveillance Beaconings darstellt. Im semi-analytischen Modell von Aloha mit SIC werden bestimmte Komponenten der PHY-Schicht als ideal angenommen. Um einen realistischeren Systementwurf zu erhalten, wird in dieser Arbeit der Interference Canceling Beacon Transceiver (ICBT) entworfen, ein neuartiges aeronautisches Surveillance Beaconing System basierend auf Aloha mit SIC und dem zuvor erwähnten Zeitsprungverfahren. ICBT enthält realistische Lösungen für wichtige Komponenten der PHY-Schicht wie z.B. Nachrichtendetektion, Kanalschätzung und Interferenzauslöschung. Der Systementwurf von ICBT setzt keinerlei Synchronizität der empfangenen Nachrichten voraus, wie z.B. Synchronizität zu einem gemeinsamen Symboltakt. Zusätzlich wird die Platzierung von bekannten Synchronisationssymbolen innerhalb einer Nachricht so optimiert, dass sich die Dopplerverschiebung im Empfänger genau schätzen lässt. Die resultierende Struktur der Synchronisationssymbole ermöglicht dabei ebenfalls ein Verfahren zur Nachrichtendetektion mit reduziertem Rechenaufwand. Schließlich wird die spektrale Effizienz von ICBT durch Monte-Carlo Simulationen der vollständigen PHY- und MAC-Schicht untersucht. Die Ergebnisse stimmen gut mit dem semi-analytischen Modell überein. Ergänzend wird ein Szenario zukünftigen Luftverkehrs basierend auf aus der Literatur bekannten Prognosen für das Jahr 2035 entwickelt. Dieses Szenario beschreibt die Verteilung und Bewegung von Flugzeugen realitätsnäher als die vereinfachenden Annahmen der semi-analytischen Modelle. Monte-Carlo Simulationen von ICBT in diesem Luftverkehrsszenario für das Jahr 2035 zeigen, dass der gesamte Datenverkehr des Surveillance Beaconings innerhalb einer Funkbandbreite transportiert werden kann, die sogar kleiner ist als die existierender Systeme, obwohl bei ICBT sowohl Reichweite als auch Paketgröße erhöht wurden.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: aeronautical surveillance beaconing, beacon broadcast, ADS-B, spectral efficiency, physical layer, medium access control, self-organizing TDMA, Aloha, successive interference cancellation, time hopping
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 25 Sep 2015 08:36
Last Modified: 25 Sep 2015 08:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49264
Referees: Klein, Prof. Anja and Jondral, Prof. Friedrich
Refereed: 16 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4926
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