经典Link数据链信道传输模型及特性研究

张 洋，毛忠阳，赵志勇，张 嵩，刘锡国

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

0 引言

数据链是取得重要信息、提升单元节点迅速作出反应、实现协同设计、完成全信息化的核心系统。传统观点认为要在复杂电磁环境下保证信息安全、可靠的分发共享，最直接有效的方法就是加大发射功率从而提升接收信噪比，事实证明这样做效费比是非常低的。伴随着时代的更替，进入了信息化极大发展的时代，各个研究领域的科研人员采用各类信道接入技术，找到了在低发射功率条件下显著提高数据链系统可靠性的方案，成本低、效果好。

在发展数据链的过程中，应选择合适的信道接入技术架构[1-9]，以便既能解决信道控制技术与无特定中心网络之间的矛盾，又同时考虑多网络的信道控制技术，做到多网互联互通，也可以分时工作；这种灵活的传输信道控制技术应该能够适应实际情况，设计出对应的网络管理设计方案，使得整个系统发挥最大效能。因此全面了解数据链信息传输通道尤为重要。

1 数据链的信息传输通道接入技术

1.1 信道传输特征分析

信道是通信容易发生问题的核心环节，对于其特征的分析研究是至关重要的。从物理层角度研究发现，信道通常具有如下共同特性[10-12]：

1）信道作为通信传输的核心，起到承上启下的作用，受发送和接收设备的控制和限制；

2）收发两端面临的大部分信道环境满足线性叠加关系，但某些客观环境因素可能导致非线性变化；

3）通信信号的衰减因子通常随时间快速变化，这种随机快变通常对通信是很大的障碍；

4）通信信号从发端到收端的时间延迟通常也是快速变化的，对通信带来一定的影响；

5）即使没有通信信号输入，信道也是恒定存在噪声干扰信号，通常表现为叠加的形式。

常规信道传输示意图如图1所示。

图1 常规信道传输示意图

1.2 经典Link数据链传输信道形式

从经典Link数据链的发展、工作和特点来看，其数据链的信息传输通道采用无线信道。不同频段的传输信道具有不同的信道特征，对电磁波的传输性能有不同的影响，要实现信息的有效传输，数据链应选择适当的信道以满足信息传输信道的特点。当前数据链系统信息传输的信道主要有短波信道、超短波信道和微波信道。表1给出了几种典型Link数据链系统的传输信道[13-15]。

通过分析表1可以看出，数据链信息传输所使用的无线信道主要包括HF频段、UHF频段和微波频段。

表1 几种典型数据链系统的传输信道

1.2.1 短波信道

短波频段的波长为100～10 m（频率为3～30 MHz），实际上，往往也把中波的高频段（1.5～3 MHz）归到短波波段。Link-11数据链和Link-22数据链都采用此段以实现超视距传输。

短波频段的信息传输主要有两种电磁波传输方式：地波传输方式和天波传输方式。

1）地波传输方式。地波是通信信号远距离传输的一种重要方式。地波适用于垂直极化波传输，大地对水平极化波吸收衰减大。地球表面的集肤效应对地波传播造成衰耗，并且衰耗随电波频率的增加而迅速增大，长波、中波由于频率低，加上绕射能力强，利用这种传播可以实现远距离通信。地波传播受季节、昼夜变化影响小，而且由于地球表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快变化，基本不受气候条件的影响，因此地波信号传输比较稳定。

2）天波传输方式。天波传播是利用地球大气层的顶端电离层、地表等介质进行一次或多次反射传输的方式，最大的特点就是传输距离远，是短波的主要传播方式。

短波信道具有传输距离远、存在盲区、信道拥挤、信道不稳定、抗毁性强等特点。天波传输是短波信号的主要传播方式。天波经电离层一次反射可达数千千米。如再经地面反射，则多跳传播可到达地球上任何地点。但是，天波传播受电离层变化和多径传输的较大影响而极不稳定，存在着严重的信号衰落现象。

1.2.2 UHF信道

Link-4A和Link-11数据链的对空通信采用了UHF频段。

UHF信道以视距传播方式为主。电离层对电波的反射频率存在理论上限值，即天波通信中的最大可用频率。频率在30 MHz以上的超短波频段（包括微波频段）无线电波已超出电离层反射的最大可用频率。与短波、中波和长波相比，UHF频段频率较高，在大地中所感应的电流远大于短波、中波和长波感应电流，信号能量由于被地表面大量吸收而沿地面传播路径迅速衰减，传播距离非常有限，不宜采用地波传播。因此，超短波频段的电波主要采用视距传播方式。Link-4A和Link-11数据链的对空通信频段均采用了UHF频段，视距传播是其主要的电波传播方式。

UHF信道通信距离与平台高度密切相关。发送平台在地面/海面时，接收平台飞行高度越高，视线范围越大，因而通信距离越远；地面天线高度越高，通信距离越远。将天线架高（高山或高大建筑物）将有效延伸视距传播距离；相同条件下，发送平台在空中时，与接收平台的通信距离增加。

1.3 网络化信息传输结构

数据链本质上是一个通信网，其信息传输通常具有网络化的结构，如图2所示。

图2 通信网的组成

如图3所示，通信网的拓扑结构主要可分为以下几种，即单一链接中心的星型网、分层分级实现控制的树型网、链路数目繁多的网状网、闭合环路节点组成的环状网以及总线连接节点的总线型网等。

图3 通信网的拓扑结构

1.4 经典Link数据链信道调制技术

经典Link数据链传输系统通常由各类编码、加密、调制等部分组成，其中最核心的是其采用的调制技术。

数据链通信中使用的典型调制技术有FSK、QPSK、MSK等，如表2所示。

表2 数据链调制方式

2 数据链信息传输通道的建立

2.1 Link-16数据传输系统架构

经过前面的分析，以Link-16数据链为例，其传输通道广泛采用了级联编码、网格编码调制、多进制调制等技术。

Link-16数据传输系统建立于表3中。

表3 Link-16数据传输系统

2.2 基于OPNET的数据链传输信道建模

本文利用OPNET软件对Link-16数据链进行传输仿真。在OPNET中建立模型，并在在物理层采用了OPNET的建模机制，对数据链信息传输通道进行模拟。

数据链通信需要考虑各类噪声、干扰等因素影响，运用OPNET进行数据链仿真能综合考察数据链信道误码率、丢包率、质量等重要指标。仿真一个数据链系统的传输过程要综合考虑各种信道问题。本文通过OPNET仿真设计了52个数据链工作节点，为了简化分析，假设各节点性能配置相同。各数据链节点联合组成网状拓扑结构如图4所示，通信采用无线信道连接的方式，并设计了各种数据链通信环境以检验其性能指标。

图4 网络拓扑结构

网络中的每个节点都采用MSK调制，带宽、码元传输速率、工作频段设置符合经典Link数据链的标准。图5中分别表示了信道传输的平均延时、错误数据、有效数据和接入节点随时间变化的情况。

如图5所示当数据量达到较大值时才开始出现丢失的数据，在数据量较小时没有出现数据丢失的情况；从图中可以看出平均延时、丢包数始终保持在一个较低的位置上，可以看出基于MSK调制的数据链信道传输性能是比较理想的。

图5 信道性能参数

3 结语

本文主要针对现阶段经典Link数据链传输信道、特性和模型进行了分析研究，并指出了经典Link数据链信道所涉及的几项关键技术，分析了各种技术所起的作用。针对各种关键技术选取Link-16数据链进行传输仿真。最后依据Link-16数据链模型理清数据链信息传输通道模型的思路，研究结论表明，数据链的信息传输通道在整个数据链系统中发挥着重要的作用，对数据链应用的发展具有一定的借鉴意义。