馮 騰，魯鄒晨

Link-16數(shù)據(jù)鏈并行多路接收應(yīng)用研究

馮 騰，魯鄒晨

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

通過介紹美軍并行多路接收功能的發(fā)展歷程以及組成，分析了功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵以及實(shí)現(xiàn)方式，研究了不同場(chǎng)景下的組織運(yùn)用模式，并根據(jù)美軍的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)提出了數(shù)據(jù)鏈并行多路接收功能的發(fā)展思路。

并行多路接收；時(shí)隙；容量擴(kuò)展

0 引言

從冷戰(zhàn)結(jié)束到現(xiàn)在，為協(xié)調(diào)作戰(zhàn)和共享信息，對(duì)軍事平臺(tái)作戰(zhàn)能力的需求日益增長(zhǎng)。自20世紀(jì)80年代以來，Link-16系列數(shù)據(jù)鏈一直是向美國(guó)及其盟國(guó)提供關(guān)鍵戰(zhàn)場(chǎng)信息的核心。隨著無人機(jī)、無人車等新型優(yōu)質(zhì)作戰(zhàn)平臺(tái)的出現(xiàn)，更大規(guī)模和更多種類平臺(tái)參與聯(lián)合作戰(zhàn)，Link-16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的能力逐漸出現(xiàn)不足。為解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙資源日益緊張、系統(tǒng)能力過載的困境，美軍2013年開展了并行多路接收（Concurrent Multiple Reception，CMR）的技術(shù)研究工作，2017年基本完成功能的作戰(zhàn)狀態(tài)評(píng)估并形成初步能力，并著手開展波形功能的固化和端機(jī)的升級(jí)工作，2018年～2019年間進(jìn)行了F/A-18、EA-18G等多平臺(tái)的集成和飛行試驗(yàn)工作，截止目前已成功在所有下一代的Link-16產(chǎn)品中集成了并行多路接收功能[1]。

并行多路接收技術(shù)使Link-16數(shù)據(jù)鏈對(duì)時(shí)隙資源的利用率成倍增加，通過使用終端設(shè)備在同一時(shí)隙完成對(duì)多條消息的收發(fā)處理，這意味著高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸速度更快，并且不會(huì)犧牲低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸速度，作戰(zhàn)人員可以得到最具時(shí)效性和準(zhǔn)確性的信息。CMR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了即時(shí)信息更高效率的交互，大大緩解了Link-16網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題，更好地滿足了現(xiàn)代化聯(lián)合作戰(zhàn)的任務(wù)需求。

1 CMR功能組成

CMR是指端機(jī)能夠在同一時(shí)隙接收處理多條消息，按照接收消息的來源，可劃分為并行多網(wǎng)接收（Concurrent Multi-Netting，CMN）和并行競(jìng)爭(zhēng)接收（Concurrent Contention Reception，CCR）。CMN是指Link-16端機(jī)能夠在同一時(shí)隙接收多條消息，每條消息處于不同的Link-16子網(wǎng)；CCR是指Link-16端機(jī)能夠在同一時(shí)隙接收同一子網(wǎng)內(nèi)的多條消息。值得關(guān)注的是，CCR為同一子網(wǎng)內(nèi)的消息，由于跳頻圖樣相同，通過采取消息到達(dá)時(shí)間前后區(qū)分的方式，進(jìn)行接收不同距離下作戰(zhàn)平臺(tái)的消息，且通常用于指定為競(jìng)爭(zhēng)接入的Link-16時(shí)隙。

2 Link-16多網(wǎng)

Link-16的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在單網(wǎng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行不同形式的疊加，形成Link-16的多網(wǎng)體系。多網(wǎng)的本質(zhì)是通過給不同的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)參與組（Network Participation Group，NPG）分配不同的跳頻圖案、保密變量，在信號(hào)層形成多網(wǎng)架構(gòu)。CMR功能在單網(wǎng)或多網(wǎng)中的應(yīng)用方式也有所不同。

2.1 單網(wǎng)結(jié)構(gòu)

單網(wǎng)結(jié)構(gòu)中具有相同的消息保密加密變量、傳輸保密變量和網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，這種結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)成員的跳頻圖案是完全相同的，射頻信號(hào)和信息均可以互通。CCR功能一般在單網(wǎng)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用。單層網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)

重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)中具有相同的消息保密加密變量、傳輸保密加密變量和不同的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，此時(shí)跳頻圖案是不同的，因此一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能接收其他網(wǎng)絡(luò)中的消息，但是只要改變網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，平臺(tái)就可以在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間切換，不必重新初始化。這種結(jié)構(gòu)主要用于話音、空中控制和戰(zhàn)斗機(jī)—戰(zhàn)斗機(jī)NPG。重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，由于這類NPG需要各成員在組內(nèi)交換信息，組間往往不需要交換信息，因此不是CMN功能的主要應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3 多重網(wǎng)結(jié)構(gòu)

多重網(wǎng)結(jié)構(gòu)中具有不同的消息保密加密變量、網(wǎng)絡(luò)編號(hào)和相同的傳輸加密變量，這種結(jié)構(gòu)既從射頻信道上也從消息保密上將不同網(wǎng)絡(luò)隔離，一般用于將兩個(gè)NPG隔離到兩個(gè)使用相同的時(shí)隙但又互相排斥的網(wǎng)絡(luò)[2]。例如電子戰(zhàn)和高更新率的精確參與定位與識(shí)別（Precise Participant Location and Identification，PPLI），給平臺(tái)分配一種或另一種功能，但不參與兩種功能，這些相互排斥的NPG組成多重網(wǎng)。不同的平臺(tái)使用同樣的時(shí)隙來完成不同的功能，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。多重網(wǎng)結(jié)構(gòu)也正是CMN重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

2.4 多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有不同的消息保密加密變量、不同的傳輸保密加密變量和相同/不同的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)時(shí)，是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)用于在同一地域工作的兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)，跳頻圖案和消息保密均不同，不同的網(wǎng)絡(luò)之間沒有信息傳輸，并且平臺(tái)只能在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中工作，不能在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中工作。如果在網(wǎng)絡(luò)之間切換需要對(duì)終端進(jìn)行重新的初始化。多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是CMN的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 使用分析和實(shí)現(xiàn)方式

3.1 使用分析

由于Link-16采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）接入體制，其基本的資源單位為時(shí)隙，通過為每個(gè)成員分配時(shí)隙發(fā)送消息，實(shí)現(xiàn)各型平臺(tái)的組網(wǎng)和各類信息的交互。綜合考慮時(shí)隙資源、用戶數(shù)、消息種類和更新速率等因素，美軍在使用傳統(tǒng)的Link-16進(jìn)行海外作戰(zhàn)時(shí)，支持的用戶數(shù)一般在100人左右。Link-16對(duì)時(shí)隙資源的利用分為專用時(shí)隙和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙兩類，專用時(shí)隙中只允許單個(gè)成員發(fā)送消息；競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙中允許多個(gè)成員發(fā)送消息，這類時(shí)隙為單網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙或多重網(wǎng)、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)共用的時(shí)隙[3]。不具備CMR功能的Link-16端機(jī)，在單個(gè)時(shí)隙只具備接收1條消息的能力，雖然競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙中可包含多個(gè)平臺(tái)的有效信息，傳統(tǒng)端機(jī)卻只能接收處理1條最先到達(dá)或跳頻圖樣匹配的消息。所以實(shí)現(xiàn)Link-16網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)展，關(guān)鍵在于突破1個(gè)時(shí)隙只能接收1條消息的瓶頸。

3.2 實(shí)現(xiàn)方式

美軍在原有的MIDS-JTRS端機(jī)上升級(jí)了CMR功能，保留原有終端的專用Link-16通道，確保了與戰(zhàn)場(chǎng)MIDS-LVT終端的全面互操作性[4]。在傳統(tǒng)端機(jī)原有功能基礎(chǔ)上，通過硬件模塊的改進(jìn)，使具有CMN接收功能的MIDS-JTRS終端具備改進(jìn)的數(shù)字接收機(jī)、消息緩沖和更快的數(shù)據(jù)處理能力，保證主機(jī)能夠進(jìn)行高頻率消息的任務(wù)交換需求。同時(shí)增加三個(gè)符合美軍軟件通信體系結(jié)構(gòu)（Software-Compliant Architecture，SCA）的通用信道，頻段可以覆蓋2 MHz～2 GHz，實(shí)現(xiàn)了終端在單個(gè)時(shí)隙對(duì)四條消息的同時(shí)接收，并且不會(huì)影響當(dāng)前的作用距離和抗干擾能力[5]。這種平臺(tái)集成方式，在實(shí)現(xiàn)兼容主要的傳統(tǒng)技術(shù)體制基礎(chǔ)上，還可以支持公共數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link，CDL）、戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）等未來波形開發(fā)的需求增長(zhǎng)。本文只針對(duì)端機(jī)硬件拓展后對(duì)Link-16波形功能拓展的應(yīng)用研究，如圖3所示。

4 功能分析

4.1 CMN

CMN使得平臺(tái)可以接收同一區(qū)域多個(gè)Link-16網(wǎng)絡(luò)的多條消息，每條消息的跳頻圖樣不同，通過為每個(gè)接收通道設(shè)置不同的接收跳擴(kuò)頻圖樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)多條消息的接收。此功能增強(qiáng)了各種Link-16網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作，從而提高了態(tài)勢(shì)感知能力，CMN的能力尤其適用于具有指揮控制功能的平臺(tái)。

4.1.1多重網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

Link-16多重網(wǎng)是指在同一時(shí)隙支持不同的NPG功能，參與者通常只需要參與其中一個(gè)NPG。并行多網(wǎng)接收功能在多重網(wǎng)中的應(yīng)用示意如圖4所示。

圖4顯示了CMN功能在多重網(wǎng)中的典型使用模式，多重網(wǎng)中具備指揮控制（C2 Net）、情報(bào)偵察（ISR Net）、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知（Battle Force Net）和武器協(xié)同（Targeting/Weapons Net）等四個(gè)NPG。根據(jù)任務(wù)需求，預(yù)警機(jī)、航母可同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)中四個(gè)不同的NPG信息，而艦船、戰(zhàn)斗等其他平臺(tái)按照自身作戰(zhàn)任務(wù)只需參與1～2個(gè)NPG的信息交互。

4.1.2多個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景

多個(gè)網(wǎng)絡(luò)是指在同一區(qū)域工作的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，由于美軍采用外部時(shí)間基準(zhǔn)入網(wǎng)，各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)具備相同的時(shí)間同步。各網(wǎng)絡(luò)還具有相同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和不同的消息加密變量，任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中均有自己的專屬作戰(zhàn)成員，在相鄰的區(qū)域中則有公共成員[6]。如圖5所示，利用并行多網(wǎng)接收功能，公共成員可以參與到兩個(gè)不同的Link-16網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行消息的交互和轉(zhuǎn)發(fā)，減少了對(duì)衛(wèi)星中繼的依賴。最大能力情況下，以監(jiān)視類信息為例，平臺(tái)可以接收四個(gè)區(qū)域的監(jiān)視類信息。

4.2 CCR

CCR功能是指在單網(wǎng)的同一時(shí)隙接收不同端機(jī)的多條消息，盡管每個(gè)接收通道設(shè)置的跳擴(kuò)頻圖樣相同，但由于發(fā)送消息的各個(gè)平臺(tái)與接收平臺(tái)的距離不同，使得每條消息的到達(dá)時(shí)間不同，依賴到達(dá)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)多條消息的依次接收，一般用于競(jìng)爭(zhēng)接入模式的時(shí)隙。例如，飛機(jī)編隊(duì)間進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同時(shí)，可以有效避免時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)沖突的問題，有效提高作戰(zhàn)飛機(jī)編隊(duì)間協(xié)同的高效性。飛機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用中的示意圖如圖6所示。

不具備CCR功能時(shí)，如圖6所示，飛機(jī)在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙僅能接收到距離最近的飛機(jī)發(fā)送的消息；利用并行接收，飛機(jī)可同時(shí)接收多個(gè)距離較近飛機(jī)的多條消息，提高了競(jìng)爭(zhēng)接入成功的概率，使?fàn)幱猛粋€(gè)時(shí)隙接入用戶的數(shù)量提升到最高四倍，這種方式在不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更快的戰(zhàn)斗機(jī)—戰(zhàn)斗機(jī)更新或PPLI消息。

4.3 并行組合多路接收

并行組合多路接收是指具備CMN和CCR能力的端機(jī)能夠在同一時(shí)隙接收至多四條任意組合的Link-16消息。支持端機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和任務(wù)實(shí)際需求切換選擇最佳的接收組合。并行組合多路接收根據(jù)參與的方式共有如下五種組合方式：

1）端機(jī)可以同時(shí)參與四個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行一條消息的交換，此時(shí)為CMN的典型應(yīng)用；

2）端機(jī)可以同時(shí)參與三個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并行競(jìng)爭(zhēng)接收兩條消息，其余兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與各一條消息的交換，此時(shí)為并行組合多路接收應(yīng)用方式；

3）端機(jī)可以同時(shí)參與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，分別在其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并行競(jìng)爭(zhēng)接收兩條消息，此時(shí)為并行組合多路接收應(yīng)用方式；

4）端機(jī)可以同時(shí)參與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并行競(jìng)爭(zhēng)接收三條消息，其余一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一條消息的交換，此時(shí)為并行組合多路接收應(yīng)用方式；

5）端機(jī)只參與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中并行競(jìng)爭(zhēng)接收四條消息，此時(shí)為CCR的典型應(yīng)用方式。

CMR功能除了為戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵提供即時(shí)優(yōu)勢(shì)外，還為未來的人工智能集成鋪平了道路。在美軍將使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能預(yù)測(cè)緊急威脅或敵對(duì)勢(shì)力的行為模式并傳遞給作戰(zhàn)人員時(shí)，人工智能可以確定哪些信息與作戰(zhàn)人員最為相關(guān)，并將其優(yōu)先放入數(shù)據(jù)通道中，以確保這些信息盡快傳入作戰(zhàn)人員手中。CMR功能已開始奠定基礎(chǔ)，使Link-16數(shù)據(jù)鏈具備支持人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的通信基礎(chǔ)功能。

5 結(jié)論

在充分了解外軍數(shù)據(jù)鏈CMR功能應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，思考如下：

1）從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，統(tǒng)籌考慮設(shè)備的功能拓展實(shí)現(xiàn)方式和平臺(tái)集成形式，形成一套科學(xué)合理、適合實(shí)際的技術(shù)解決方案，在兼容現(xiàn)役技術(shù)體制基礎(chǔ)上，也應(yīng)滿足未來戰(zhàn)術(shù)需求波形功能和多平臺(tái)的拓展應(yīng)用；

2）CMR功能的開發(fā)，應(yīng)配套實(shí)施相關(guān)并行接收網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)記錄的研究，合適的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃能充分發(fā)揮CMR的潛能，良好的數(shù)據(jù)記錄分析和通過準(zhǔn)確消息完成率的記錄，是完成功能系統(tǒng)測(cè)試的關(guān)鍵因素；

3）充分參考外軍的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，除傳統(tǒng)的頻率資源增加、高速波形的遞增研究外，還應(yīng)從多場(chǎng)景的靈活運(yùn)用、具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、功能的試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，系統(tǒng)地開展CMR的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限資源的最大化利用。

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Research on Concurrent Multiple Reception of Link-16 Data Link

FENG Teng, LU Zouchen

The development and composition of Concurrent Multiple Reception of the US are introduced in the paper, the key of the function and realization methods are analyzed, the organization and application mode under different scenarios are studied and the development idea of Concurrent Multiple Reception of data link according to the experience of the US is put forward.

Concurrent Multiple Reception; Slot; Capacity Expanding

TN919

A

1674-7976-(2022)-01-057-05

2021-12-21。

馮騰（1990.03—），山東鄒城人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈裝備研制、系統(tǒng)論證和總體設(shè)計(jì)。