于國榮

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所,江蘇 南京 210007）

0 引言

Link16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)潜幻绹＼?、?lián)合部隊和北約部隊廣泛使用的一種新型戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路的名稱。它是一種高性能、多功能、安全、抗干擾的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路,是聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)情報分配系統(tǒng)（JTIDS）的基礎(chǔ)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。16號鏈路在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路的信息交換方面,很大程度上依然秉承了11號鏈路和4A號鏈路的基本原理,可以與Link-11或Link-4A互操作,但它在一些技術(shù)和操作上有了較大改進(jìn),提高了現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的能力,現(xiàn)已成為美國國防部用于戰(zhàn)術(shù)指揮、控制、通信和情報的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈。

美軍從70年代開始研制,對Link-16數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過3次改良設(shè)計,最初的1級終端開發(fā)于20世紀(jì)70年代,設(shè)備具有體積大、重量重的特點,因此主要應(yīng)用在美國和北約地面報警與控制系統(tǒng)和海軍艦艇上。隨著需求和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,美軍又陸續(xù)開發(fā)了體積更小、容量更大、重量更輕的2級和2H級終端,在美空軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊的空中平臺上裝備。此外,一個體積更小、質(zhì)量更輕的2M終端正被應(yīng)用于軍隊空中防御和彈道飛彈防御組織終端導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)通信模式

1.1 系統(tǒng)通信方式

Link16數(shù)據(jù)鏈共有表1所示的3種通信方式。模式1是系統(tǒng)正常工作方式。模式2和模式4工作方式下,系統(tǒng)容量和能力有所下降。

表1 系統(tǒng)通信方式

1.2 通信頻段與頻率分配

Link16數(shù)據(jù)鏈采用UHF頻段的Lx波段,即960～1215MHz,是一種視距通信頻段。艦對空通信距離150海里,空對空通信距離300海里,艦對艦通信距離25海里。為了連接不同的作戰(zhàn)群,需要使用中繼站延伸通信距離。

在Link16使用的960～1215MHz頻段范圍內(nèi),民用與軍用空中導(dǎo)航系統(tǒng)、敵我識別設(shè)備也工作在該頻段。如民用測距設(shè)備（DME）和軍用戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航（TACAN）設(shè)備,它們的信道間隔為1MHz。敵我識別設(shè)備使用了1030MHz與1090MHz周圍的2個子頻帶。JTIDS設(shè)備信道間隔為3MHz,在該頻段內(nèi)要兼顧以上3種設(shè)備的頻率分配和正常工作。

（1）Link16頻率分配

Link16系統(tǒng)分配了51個信道頻率,發(fā)射脈沖頻率在這51個頻率上跳頻工作。標(biāo)準(zhǔn)跳變速率76923H/s。

（2）測距設(shè)備

測距設(shè)備是一種民用導(dǎo)航設(shè)備,包括機載詢問器和地面應(yīng)答機。機載詢問器在1025～1125MHz頻段分配了126個信道,信道間隔為1MHz。地面應(yīng)答機在962～1024MHz以及1151～1213MHz,共分配了126個信道,應(yīng)答機可任選一個信道應(yīng)答。

（3）戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航（TACON）系統(tǒng)

TACON系統(tǒng)是一種軍事導(dǎo)航系統(tǒng),兼有測距與測向功能。工作在962～1213MHz頻段,信道間隔為1MHz。目前,機載JTIDS設(shè)備功能中已經(jīng)包含TACON系統(tǒng)功能。

（4）敵我識別設(shè)備

空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）/敵我識別（IFF）設(shè)備使用中心頻率為1030MHz與1090MHz周圍的2個子頻帶。地面詢問機以1030MHz頻率每秒大約發(fā)射400個脈沖對詢問,機載應(yīng)答器在1090MHz頻率上發(fā)射應(yīng)答信號脈沖代碼,包含標(biāo)識、高度和識別其他飛機所需要的信息。

1.3 頻譜要求

為了避免JTIDS系統(tǒng)與民用與軍用空中導(dǎo)航系統(tǒng)、敵我識別設(shè)備間的相互干擾,必須對Link16終端發(fā)送的脈沖功率譜和波段外輻射特性加以嚴(yán)格限制。在中心頻率3MHz范圍內(nèi),脈沖功率譜不受限制;在±3MHz處,必須低于10dB;在±15MHz處,必須低于60dB。波段外輻射特性,如寬帶噪聲、邊帶干擾、諧波和其他寄生輻射等,必須低于65dBmW/kHz。

2 系統(tǒng)設(shè)備入網(wǎng)與同步

系統(tǒng)設(shè)備入網(wǎng)是通過接收網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時間設(shè)備發(fā)送的入網(wǎng)報文的粗同步和精同步過程實現(xiàn)的。系統(tǒng)終端能夠自動地與網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時間建立與保持同步。要建立網(wǎng)絡(luò)同步,系統(tǒng)必須單獨設(shè)定一個終端為網(wǎng)絡(luò)提供時間基準(zhǔn),這個終端被稱為網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)（NTR）。由這個選定終端保持的時間定義為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間。以這個時間為基準(zhǔn),再來定義時隙的起點與終點,并確保多重網(wǎng)絡(luò)中“時分”的校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)終端周期性地發(fā)送入網(wǎng)報文,幫助系統(tǒng)其他終端與網(wǎng)絡(luò)同步并獲得系統(tǒng)時間。

在16號鏈路中,每個節(jié)點的工作時隙都是預(yù)先設(shè)置好的,無論某一具體終端設(shè)備是否參與通信,鏈路都會運行。與節(jié)點關(guān)系最密切的是網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)主要用于啟動網(wǎng)絡(luò)。對于設(shè)備而言,網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)的作用是使設(shè)備進(jìn)入且與網(wǎng)絡(luò)保持同步。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立起來后,在沒有網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)的情況下,網(wǎng)絡(luò)仍能繼續(xù)運行數(shù)小時。

同步分為粗同步與精同步。第1步是粗同步,當(dāng)一個終端收到網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時間終端發(fā)出的入網(wǎng)報文后,就可以實現(xiàn)粗同步。第2步是精同步,當(dāng)終端與網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時間終端完成時間基準(zhǔn)往返計時報文交換后,就實現(xiàn)了精同步。

系統(tǒng)將一個終端相對于系統(tǒng)時間的準(zhǔn)確度,稱為該終端的時間值,用Qt表示。終端可以通過周期性地發(fā)送往返計時報文和測量所有接收報文到達(dá)時間,用于連續(xù)改進(jìn)自己相對于系統(tǒng)時間的時間精度。

2.1 粗同步

終端設(shè)備通過不斷調(diào)整接收入網(wǎng)報文的時隙,搜索接收入網(wǎng)報文。一旦終端接收到入網(wǎng)報文,就處于粗同步狀態(tài)。終端實現(xiàn)粗同步后,也就知道了一個時隙內(nèi)的系統(tǒng)時間,并能開始傳送往返時間詢問數(shù)據(jù)。

2.2 精同步

終端實現(xiàn)粗同步后,就可以向網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)設(shè)備發(fā)送一個往返計時詢問,在同一時隙內(nèi),網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)設(shè)備會作出應(yīng)答反應(yīng)。這個應(yīng)答包含了詢問抵達(dá)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)設(shè)備的時間,利用測得的應(yīng)答抵達(dá)時間和接收的詢問抵達(dá)時間,終端就能夠進(jìn)一步校正自己的系統(tǒng)時間,并消除傳播誤差,從而實現(xiàn)精同步。

如果終端當(dāng)前時鐘精度能夠保持在15min之內(nèi),時鐘誤差小于36μs,就可確定為精同步狀態(tài);如果時鐘誤差大于54μs,設(shè)備就重新進(jìn)入精同步過程。精同步狀態(tài)下的終端能保持足夠精確時間連續(xù)運行3小時以上。

2.3 間接同步

系統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)設(shè)備之間傳送往返計時報文的過程稱為主動同步。如終端處于網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)設(shè)備的通信范圍內(nèi),幾秒之內(nèi)就可實現(xiàn)主動同步。當(dāng)終端處于無線抑制狀態(tài),必須通過間接同步即被動同步方式實現(xiàn)同步。當(dāng)終端實現(xiàn)粗同步后,因不能發(fā)送往返計時詢問報文,而是接收精確定位與識別網(wǎng)絡(luò)參與群的位置報文。利用精確定位與識別網(wǎng)絡(luò)參與群的位置報文通報中的設(shè)備位置和從其導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的自身位置信息,終端就可估算報文所需要的傳播時間。通過比較抵達(dá)的預(yù)計時間和實際時間,終端可以調(diào)整系統(tǒng)時間來消除誤差實現(xiàn)同步。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系

16號鏈路支持單網(wǎng)和多網(wǎng)同時工作。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用TDMA通信方式,利用時間間隔掃描提供多路近似同步的通信線路。每條線路及其參與者在所分配的特定時隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送與接收,形成16號鏈路通信體制。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系可以分為定頻單網(wǎng)工作、同功能層疊網(wǎng)絡(luò)、異功能多重網(wǎng)絡(luò)、異步網(wǎng)絡(luò)等多種組網(wǎng)方式。同功能層疊網(wǎng)絡(luò)與異功能多重網(wǎng)絡(luò)都是同步跳頻網(wǎng),一個時元內(nèi)的時隙都是同步的,采用設(shè)計好的跳頻圖案算法,可以保證同一時隙內(nèi),各子網(wǎng)的載頻脈沖互不相同,無頻率干擾。異步網(wǎng)絡(luò)是各網(wǎng)有自己時間基準(zhǔn)的獨立網(wǎng)絡(luò)。

每一多重網(wǎng)有一個網(wǎng)號,不同的網(wǎng)號決定跳頻形式,系統(tǒng)設(shè)計給出了127個網(wǎng)號。在任何給定的時隙中,一個入網(wǎng)單元在127種可用網(wǎng)絡(luò)上不是在發(fā)送數(shù)據(jù),就是在接收數(shù)據(jù)。

3.1 單網(wǎng)結(jié)構(gòu)

16號鏈路單網(wǎng)結(jié)構(gòu)是指彼此相互交換信息的一組參與者構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò),1個12.8min的時元周期,被分成98 304個7.8125ms的時隙。單網(wǎng)時隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。模式2和模式4規(guī)定的960MHz定頻、加密和不加密通信方式均為單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 單網(wǎng)時隙結(jié)構(gòu)

單網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,可以通過定義最大64個互相不關(guān)聯(lián)的時隙分區(qū),分配給不同的網(wǎng)絡(luò)參與群,實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)參與群的同時收發(fā)。

3.2 多網(wǎng)結(jié)構(gòu)

多網(wǎng)結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)通信模式1規(guī)定的跳頻、加密多網(wǎng)工作方式。系統(tǒng)波形允許定義127個不同的網(wǎng)絡(luò),根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)的報文加密密碼、傳輸加密密碼和網(wǎng)絡(luò)編號相同與否,可以構(gòu)成不同的多網(wǎng)結(jié)構(gòu)。各個網(wǎng)絡(luò)的跳頻圖案由其網(wǎng)絡(luò)編號、傳輸安全密碼變量（信道加密密碼）和時隙數(shù)共同確定。這些不同的跳頻圖案保證了各個網(wǎng)相互獨立與不同,可以并行操作。多網(wǎng)結(jié)構(gòu)可分為多重網(wǎng)絡(luò)、層疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和異步多網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

多重網(wǎng)絡(luò)僅通過某一具體的網(wǎng)絡(luò)參與群設(shè)定不同的網(wǎng)號就可以建立起來,而無需改變傳輸安全和報文安全密碼變量參數(shù)。如果改變傳輸安全和報文安全密碼變量（通信領(lǐng)域稱為信道加密和信源加密）,包括盲中繼在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)多重化就可能發(fā)生多種變化。網(wǎng)絡(luò)多重化的最普遍形式是層疊網(wǎng)絡(luò)和加密網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)2個系統(tǒng)具有相同的傳輸安全密碼變量參數(shù)、相同的網(wǎng)絡(luò)編號,但報文安全密碼變量參數(shù)不同時（兩網(wǎng)終端互相接收對方信息,但不能解析信息）,就會產(chǎn)生盲中繼,這也是網(wǎng)絡(luò)多重結(jié)構(gòu)的形式之一。

3.2.1 同功能層疊網(wǎng)

同功能層疊網(wǎng)是具有相同功能的網(wǎng)絡(luò)參與群、相同傳輸安全參數(shù)、不同網(wǎng)號的多個子網(wǎng),通過共用同組時隙建立的多重網(wǎng)絡(luò),簡稱層疊網(wǎng)。層疊網(wǎng)限定終端的網(wǎng)絡(luò)編號在127之內(nèi),層疊網(wǎng)可以有不同的網(wǎng)號和相同的信息加密密碼,也可以是不同的網(wǎng)號和不同的信息加密密碼。只要改變網(wǎng)絡(luò)編號,平臺就可以從一個網(wǎng)絡(luò)切換到另一個網(wǎng)絡(luò),終端不需要初始化。

層疊網(wǎng)各子網(wǎng)執(zhí)行的任務(wù)與功能相同,所用時隙必須同組,并具有相同的初始時隙數(shù)和重復(fù)率。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),多個網(wǎng)絡(luò)中的相同參與群可以同時在同一組時隙收發(fā)工作,時隙可以同時共用。子網(wǎng)之間沒有時隙沖突,相當(dāng)于單網(wǎng)使用一個時元的所有時隙。多網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,時隙利用率最高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以最大限度的利用系統(tǒng)時隙,提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量。

層疊網(wǎng)實現(xiàn)同組時隙同時共用的原理是各網(wǎng)在同一時隙內(nèi)發(fā)射脈沖載頻互不相同,各子網(wǎng)獨立工作,相互之間無干擾,從而實現(xiàn)時隙共用。層疊網(wǎng)類似于通信領(lǐng)域所說的正交跳頻網(wǎng),頻率正交關(guān)系如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前載波的跳頻圖案由傳輸安全密碼變量、網(wǎng)絡(luò)編號和時隙數(shù)共同確定。層疊網(wǎng)的這3個參數(shù)中,只有各網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)編號不同,意味著可以實現(xiàn)頻率正交的跳頻圖案,由于這些子網(wǎng)的工作時隙相同,而頻率各不相同,因此不會產(chǎn)生相互干擾。

圖2 層疊網(wǎng)的正交跳頻時隙結(jié)構(gòu)

3.2.2 異功能多重網(wǎng)絡(luò)

在16號鏈路系統(tǒng)中,不同的網(wǎng)絡(luò)參與群被分配了不同的數(shù)據(jù)鏈功能,如網(wǎng)絡(luò)參與群7是監(jiān)視功能,網(wǎng)絡(luò)參與群12和13分別是話音A和話音B功能,網(wǎng)絡(luò)參與群10是電子戰(zhàn)功能。實際上,不是所有用戶都要參與數(shù)據(jù)鏈的每一個功能,對具體用戶來說,網(wǎng)絡(luò)中的部分功能是相互排斥的,如網(wǎng)絡(luò)參與群10的電子戰(zhàn)功能與高更新率的網(wǎng)絡(luò)參與群14的間接精確定位與識別功能（PPLI）就是相互排斥的。定義由分配了功能相互排斥的網(wǎng)絡(luò)參與群子網(wǎng)絡(luò)組成的多網(wǎng)稱為異功能多重網(wǎng)絡(luò),簡稱多重網(wǎng)絡(luò)。多重網(wǎng)絡(luò)與層疊網(wǎng)絡(luò)的不同在于:各個子網(wǎng)絡(luò)參與者執(zhí)行不同的功能,并且不能有選擇地從一個子網(wǎng)絡(luò)切換到另一個子網(wǎng)絡(luò)。

與層疊網(wǎng)相同,多重網(wǎng)絡(luò)中的各個子網(wǎng)絡(luò)的時隙也是相互同步的,某個子網(wǎng)絡(luò)中的一個時隙與其他子網(wǎng)絡(luò)中所對應(yīng)的時隙完全一致。多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是具有時隙邊界一致的127個單網(wǎng)結(jié)構(gòu)的疊加,可以想象成由98 304個“時隙條”條構(gòu)成的圓柱體。

在重疊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,操作者可以選擇使用某一個網(wǎng)絡(luò)。與層疊網(wǎng)相同,每個網(wǎng)絡(luò)都有一個獨特的跳頻模式用于發(fā)射信號。雖然理論上可以構(gòu)建127個網(wǎng)絡(luò)的多重網(wǎng)絡(luò),但統(tǒng)計研究標(biāo)明,在同一地區(qū)同時使用20個網(wǎng)絡(luò)會降低通信質(zhì)量。

3.2.3 異步多網(wǎng)結(jié)構(gòu)

異步多網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是通信領(lǐng)域中的時間不同步的異步網(wǎng)。在異步多層網(wǎng)絡(luò)中,每個網(wǎng)絡(luò)都具有不同的傳輸安全和報文安全特性,且彼此是獨立的,并有各自設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)。在相同的工作區(qū)域內(nèi),這種完全隔離的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許多個獨立網(wǎng)絡(luò)共同存在,但由于各個網(wǎng)絡(luò)互不同步,產(chǎn)生頻率碰撞的風(fēng)險加大。

4 結(jié)束語

通過對Link16數(shù)據(jù)鏈的通信組網(wǎng)技術(shù)的綜合分析研究,深入地探討了Link16數(shù)據(jù)鏈的通信模式、設(shè)備入網(wǎng)與同步方式,對組成系統(tǒng)單網(wǎng)結(jié)構(gòu)、多網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的同功能層疊網(wǎng)、異功能多重網(wǎng)和異步多網(wǎng)結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的闡述,希望為更好地理解和掌握外軍數(shù)據(jù)鏈相關(guān)性能提供有益的幫助。

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