Link16数据链通信组网技术分析

2010-05-15于国荣

无线电通信技术 2010年3期

于国荣

（中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏南京 210007）

0 引言

Link16数据链是被美国海军、联合部队和北约部队广泛使用的一种新型战术数据链路的名称。它是一种高性能、多功能、安全、抗干扰的战术数据链路,是联合战术情报分配系统（JTIDS）的基础通信传输网络。16号链路在战术数据链路的信息交换方面,很大程度上依然秉承了11号链路和4A号链路的基本原理,可以与Link-11或Link-4A互操作,但它在一些技术和操作上有了较大改进,提高了现有战术数据链的能力,现已成为美国国防部用于战术指挥、控制、通信和情报的主要战术数据链。

美军从70年代开始研制,对Link-16数据链终端设备已经经过3次改良设计,最初的1级终端开发于20世纪70年代,设备具有体积大、重量重的特点,因此主要应用在美国和北约地面报警与控制系统和海军舰艇上。随着需求和大规模集成电路技术的发展,美军又陆续开发了体积更小、容量更大、重量更轻的2级和2H级终端,在美空军、海军、海军陆战队的空中平台上装备。此外,一个体积更小、质量更轻的2M终端正被应用于军队空中防御和弹道飞弹防御组织终端导弹防御系统。

1 系统通信模式

1.1 系统通信方式

Link16数据链共有表1所示的3种通信方式。模式1是系统正常工作方式。模式2和模式4工作方式下,系统容量和能力有所下降。

表1 系统通信方式

1.2 通信频段与频率分配

Link16数据链采用UHF频段的Lx波段,即960～1215MHz,是一种视距通信频段。舰对空通信距离150海里,空对空通信距离300海里,舰对舰通信距离25海里。为了连接不同的作战群,需要使用中继站延伸通信距离。

在Link16使用的960～1215MHz频段范围内,民用与军用空中导航系统、敌我识别设备也工作在该频段。如民用测距设备（DME）和军用战术空中导航（TACAN）设备,它们的信道间隔为1MHz。敌我识别设备使用了1030MHz与1090MHz周围的2个子频带。JTIDS设备信道间隔为3MHz,在该频段内要兼顾以上3种设备的频率分配和正常工作。

（1）Link16频率分配

Link16系统分配了51个信道频率,发射脉冲频率在这51个频率上跳频工作。标准跳变速率76923H/s。

（2）测距设备

测距设备是一种民用导航设备,包括机载询问器和地面应答机。机载询问器在1025～1125MHz频段分配了126个信道,信道间隔为1MHz。地面应答机在962～1024MHz以及1151～1213MHz,共分配了126个信道,应答机可任选一个信道应答。

（3）战术空中导航（TACON）系统

TACON系统是一种军事导航系统,兼有测距与测向功能。工作在962～1213MHz频段,信道间隔为1MHz。目前,机载JTIDS设备功能中已经包含TACON系统功能。

（4）敌我识别设备

空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）/敌我识别（IFF）设备使用中心频率为1030MHz与1090MHz周围的2个子频带。地面询问机以1030MHz频率每秒大约发射400个脉冲对询问,机载应答器在1090MHz频率上发射应答信号脉冲代码,包含标识、高度和识别其他飞机所需要的信息。

1.3 频谱要求

为了避免JTIDS系统与民用与军用空中导航系统、敌我识别设备间的相互干扰,必须对Link16终端发送的脉冲功率谱和波段外辐射特性加以严格限制。在中心频率3MHz范围内,脉冲功率谱不受限制;在±3MHz处,必须低于10dB;在±15MHz处,必须低于60dB。波段外辐射特性,如宽带噪声、边带干扰、谐波和其他寄生辐射等,必须低于65dBmW/kHz。

2 系统设备入网与同步

系统设备入网是通过接收网络基准时间设备发送的入网报文的粗同步和精同步过程实现的。系统终端能够自动地与网络基准时间建立与保持同步。要建立网络同步,系统必须单独设定一个终端为网络提供时间基准,这个终端被称为网络时间基准（NTR）。由这个选定终端保持的时间定义为系统网络时间。以这个时间为基准,再来定义时隙的起点与终点,并确保多重网络中“时分”的校准。网络时间基准终端周期性地发送入网报文,帮助系统其他终端与网络同步并获得系统时间。

在16号链路中,每个节点的工作时隙都是预先设置好的,无论某一具体终端设备是否参与通信,链路都会运行。与节点关系最密切的是网络时间基准,网络时间基准主要用于启动网络。对于设备而言,网络时间基准的作用是使设备进入且与网络保持同步。当网络建立起来后,在没有网络时间基准的情况下,网络仍能继续运行数小时。

同步分为粗同步与精同步。第1步是粗同步,当一个终端收到网络基准时间终端发出的入网报文后,就可以实现粗同步。第2步是精同步,当终端与网络基准时间终端完成时间基准往返计时报文交换后,就实现了精同步。

系统将一个终端相对于系统时间的准确度,称为该终端的时间值,用Qt表示。终端可以通过周期性地发送往返计时报文和测量所有接收报文到达时间,用于连续改进自己相对于系统时间的时间精度。

2.1 粗同步

终端设备通过不断调整接收入网报文的时隙,搜索接收入网报文。一旦终端接收到入网报文,就处于粗同步状态。终端实现粗同步后,也就知道了一个时隙内的系统时间,并能开始传送往返时间询问数据。

2.2 精同步

终端实现粗同步后,就可以向网络时间基准设备发送一个往返计时询问,在同一时隙内,网络时间基准设备会作出应答反应。这个应答包含了询问抵达网络基准设备的时间,利用测得的应答抵达时间和接收的询问抵达时间,终端就能够进一步校正自己的系统时间,并消除传播误差,从而实现精同步。

如果终端当前时钟精度能够保持在15min之内,时钟误差小于36μs,就可确定为精同步状态;如果时钟误差大于54μs,设备就重新进入精同步过程。精同步状态下的终端能保持足够精确时间连续运行3小时以上。

2.3 间接同步

系统设备与网络时间基准设备之间传送往返计时报文的过程称为主动同步。如终端处于网络时间基准设备的通信范围内,几秒之内就可实现主动同步。当终端处于无线抑制状态,必须通过间接同步即被动同步方式实现同步。当终端实现粗同步后,因不能发送往返计时询问报文,而是接收精确定位与识别网络参与群的位置报文。利用精确定位与识别网络参与群的位置报文通报中的设备位置和从其导航系统获得的自身位置信息,终端就可估算报文所需要的传播时间。通过比较抵达的预计时间和实际时间,终端可以调整系统时间来消除误差实现同步。

3 系统网络体系

16号链路支持单网和多网同时工作。系统网络采用TDMA通信方式,利用时间间隔扫描提供多路近似同步的通信线路。每条线路及其参与者在所分配的特定时隙内进行发送与接收,形成16号链路通信体制。系统网络体系可以分为定频单网工作、同功能层叠网络、异功能多重网络、异步网络等多种组网方式。同功能层叠网络与异功能多重网络都是同步跳频网,一个时元内的时隙都是同步的,采用设计好的跳频图案算法,可以保证同一时隙内,各子网的载频脉冲互不相同,无频率干扰。异步网络是各网有自己时间基准的独立网络。

每一多重网有一个网号,不同的网号决定跳频形式,系统设计给出了127个网号。在任何给定的时隙中,一个入网单元在127种可用网络上不是在发送数据,就是在接收数据。

3.1 单网结构

16号链路单网结构是指彼此相互交换信息的一组参与者构成的通信网络,1个12.8min的时元周期,被分成98 304个7.8125ms的时隙。单网时隙结构如图1所示。模式2和模式4规定的960MHz定频、加密和不加密通信方式均为单一网络结构。

图1 单网时隙结构

单网结构中,可以通过定义最大64个互相不关联的时隙分区,分配给不同的网络参与群,实现不同网络参与群的同时收发。

3.2 多网结构

多网结构是指系统通信模式1规定的跳频、加密多网工作方式。系统波形允许定义127个不同的网络,根据各个网络的报文加密密码、传输加密密码和网络编号相同与否,可以构成不同的多网结构。各个网络的跳频图案由其网络编号、传输安全密码变量（信道加密密码）和时隙数共同确定。这些不同的跳频图案保证了各个网相互独立与不同,可以并行操作。多网结构可分为多重网络、层叠网络结构和异步多网结构。

多重网络仅通过某一具体的网络参与群设定不同的网号就可以建立起来,而无需改变传输安全和报文安全密码变量参数。如果改变传输安全和报文安全密码变量（通信领域称为信道加密和信源加密）,包括盲中继在内的网络多重化就可能发生多种变化。网络多重化的最普遍形式是层叠网络和加密网络。当2个系统具有相同的传输安全密码变量参数、相同的网络编号,但报文安全密码变量参数不同时（两网终端互相接收对方信息,但不能解析信息）,就会产生盲中继,这也是网络多重结构的形式之一。

3.2.1 同功能层叠网

同功能层叠网是具有相同功能的网络参与群、相同传输安全参数、不同网号的多个子网,通过共用同组时隙建立的多重网络,简称层叠网。层叠网限定终端的网络编号在127之内,层叠网可以有不同的网号和相同的信息加密密码,也可以是不同的网号和不同的信息加密密码。只要改变网络编号,平台就可以从一个网络切换到另一个网络,终端不需要初始化。

层叠网各子网执行的任务与功能相同,所用时隙必须同组,并具有相同的初始时隙数和重复率。这种网络结构,多个网络中的相同参与群可以同时在同一组时隙收发工作,时隙可以同时共用。子网之间没有时隙冲突,相当于单网使用一个时元的所有时隙。多网结构中,时隙利用率最高的网络结构,可以最大限度的利用系统时隙,提高系统数据吞吐量。

层叠网实现同组时隙同时共用的原理是各网在同一时隙内发射脉冲载频互不相同,各子网独立工作,相互之间无干扰,从而实现时隙共用。层叠网类似于通信领域所说的正交跳频网,频率正交关系如图2所示。

网络当前载波的跳频图案由传输安全密码变量、网络编号和时隙数共同确定。层叠网的这3个参数中,只有各网网络编号不同,意味着可以实现频率正交的跳频图案,由于这些子网的工作时隙相同,而频率各不相同,因此不会产生相互干扰。

图2 层叠网的正交跳频时隙结构

3.2.2 异功能多重网络

在16号链路系统中,不同的网络参与群被分配了不同的数据链功能,如网络参与群7是监视功能,网络参与群12和13分别是话音A和话音B功能,网络参与群10是电子战功能。实际上,不是所有用户都要参与数据链的每一个功能,对具体用户来说,网络中的部分功能是相互排斥的,如网络参与群10的电子战功能与高更新率的网络参与群14的间接精确定位与识别功能（PPLI）就是相互排斥的。定义由分配了功能相互排斥的网络参与群子网络组成的多网称为异功能多重网络,简称多重网络。多重网络与层叠网络的不同在于:各个子网络参与者执行不同的功能,并且不能有选择地从一个子网络切换到另一个子网络。

与层叠网相同,多重网络中的各个子网络的时隙也是相互同步的,某个子网络中的一个时隙与其他子网络中所对应的时隙完全一致。多重网络结构是具有时隙边界一致的127个单网结构的叠加,可以想象成由98 304个“时隙条”条构成的圆柱体。

在重叠的网络结构中,操作者可以选择使用某一个网络。与层叠网相同,每个网络都有一个独特的跳频模式用于发射信号。虽然理论上可以构建127个网络的多重网络,但统计研究标明,在同一地区同时使用20个网络会降低通信质量。

3.2.3 异步多网结构

异步多网结构就是通信领域中的时间不同步的异步网。在异步多层网络中,每个网络都具有不同的传输安全和报文安全特性,且彼此是独立的,并有各自设定的网络时间基准。在相同的工作区域内,这种完全隔离的多层网络结构允许多个独立网络共同存在,但由于各个网络互不同步,产生频率碰撞的风险加大。