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.