Link－16數據鏈分層模型分析

魯 陽，王興華，向 新，孫 曄，王 鋒

（空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038）

0 引 言

數據鏈是C4ISR 系統框架的基本組成部分，在傳感器、指控單元和武器平臺之間傳輸戰術信息，是戰術信息交互的重要方式［1］。由于多種數據鏈之間的標準不統一，使得數據鏈之間的交互設備復雜、成本高。本文在OSI模型的基礎上，提出一種通用的數據鏈模型，旨在為各種數據鏈的交互提供參考。

文獻 ［4］提出一種基于全球網格模型的數據鏈模型；文獻 ［8］提出一種Link－16數據鏈的網絡同步方法；文獻［9］列出Link－16數據鏈的消息標準；文獻 ［10］詳細介紹了擴頻序列的同步方法以及PN 序列的相關捕獲技術。

通用數據鏈模型從戰術任務數據鏈的核心內容就是消息標準和通信協議，同步技術保證網絡成員之間的信息傳輸。與傳統的OSI模型相比，通用數據鏈模型多了任務層。通用模型從特定的作戰任務出發，對應到特定的戰術消息，用規定的消息格式封裝，通過鏈路層和物理層將消息發送到目的地。

1 Link－16的消息標準

1.1 J系列消息結構

在Link－16中，系統間信息的交換、網絡建立和維護都是通過J系列消息實現的。

J系列消息分為固定格式、自由文本報文和可變格式3種，可變格式已經形成新的標準——VMF標準，通常所說的J系列消息是指固定格式的J系列消息［1，2］。J系列消息的基本單元是由75個比特組成的字 （包含5個校驗比特），有起始字、擴展字和連續字3種類型。自由文本的字的75比特全部用于傳輸消息，沒有校驗比特。

起始字中的J系列標記和J系列子標記對應的十進制數即是消息的編號：Jn.m.其中RTT 消息沒有Jn.m 編號。n和m 的不同組合可以定義多達256 種消息，但是Link－16只有91種消息。當起始字不足以表示消息時，就需要擴展字。特別注意的是擴展字是根據起始字的標識和子標識的組合來確定和解釋的，所以擴展字必選按順序發送。

連續字比擴展字多了5 比特的繼續字標識，因為有5比特標識的存在，所以連續字可以按任意順序發送。

報頭附加在J消息的開始，對J消息進行解釋，具體格式見表1。

表1 報頭字格式

1.2 J系列消息的封裝

J系類消息的封裝是把J系列消息轉化為適應無線信道的消息，其中包括糾錯編碼，交織，擴頻調制和加同步頭。報頭使用RS（16，7），消息使用RS（31，15）進行糾錯編碼。J系列消息的封裝基本單元為脈沖串，脈沖寬度為6.4 us，脈沖間隔13μs，脈沖串有單脈沖字符和雙脈沖字符，無論是單脈沖還是雙脈沖，雖然長度不一樣，但是包含的信息量是一樣的，雙脈沖只是重復發送了一遍。

Link－16數據鏈中，數據有5種封裝結構：標準雙脈沖（STDP）、2 倍 打 包 單 脈 沖 （P2SP）、2 倍 打 包 雙 脈 沖（P2DP）、4倍打包單脈沖 （P4SP）和往返定時詢問和應答封裝［3］。

以STDP消息為例說明封裝的具體過程，封裝格式如圖1所示。STDP消息有3個字，加上報頭的35比特，共260比特。糾錯編碼后，報頭變為80 比特，消息變為465比特，共545比特，每5 個比特映射為一個雙脈沖字符，所以共有109個雙脈沖，加上同步的20個雙脈沖，共129個雙脈沖。之后對每個脈沖進行擴頻，將原來的5比特映射為32比特，擴頻碼的長度為32比特，不同的消息映射為不同偏移的擴頻碼。擴頻后，每個碼片長度為0.2μs。相鄰的脈沖用不同的載頻調至射頻發射［3］。

圖1 STDP報文封裝結構

從圖1 可以看出，消息封裝包括了抖動、粗同步頭、精同步頭、報頭、數據和傳輸保護段。其中STDP和P2SP用抖動段，抖動是指端機在發射時隙開始時，經過一段抖動 （延遲）才發射信號，抖動延遲時間長短是隨機的。值得注意的是，抖動時間是受偽隨機序列控制的，網內成員是可以通過對應的偽隨機序列獲取抖動時間長度的，而敵方是不知道的，這樣可以提高系統的保密性。

當接收到消息后，通過檢測同步段，從而獲得一幀信號的起始位。粗同步和精同步都采用雙脈沖字，粗同步頭包含16個雙脈沖字符，精同步頭包含4個雙脈沖字符，粗同步段產生一個誤差不超過0.2μs（一個碼片寬度）的定時信號，通過精同步段后，誤差不超過20ns。

2 Link－16通信協議

Link－16數據鏈是采用TDMA 協議進行工作的［4］。在這種模式下，發射機發射消息是基于時隙分配的。

2.1 Link－16時隙結構

圖2為Link－16時隙劃分。24 小時被分為112.5 個時元，每時元又等分為64個時幀，每一時幀由1536 個時隙組成。所以每個時隙長度為7.8125 ms，每個時元包括98304個時隙。每個時元的98304個時隙分成A、B、C 這3組，每組有32768 個時隙，編號為0～32767，時元內連續3個時隙屬于不同的組。所以，每時幀包含A、B、C 這3組時隙各512個［3，4］。時隙的參數有：時元號、組號和時隙編號。

圖2 Link－16時隙結構

時隙是Link－16系統最基本的時間單位，也是個網絡成員發射或接收消息最基本的時間單位，每個時隙分為3個部分：同步段 （抖動、粗同步和精同步）、數據段 （報頭與戰術數據）及傳播保護段。時隙保護段是為了防止由于信息傳輸延遲而影響下一個時隙。

2.2 Link－16時隙分配方式

通信協議規定了每個網絡成員的廣播時隙，在自身的廣播時隙之外接收其它成員信息。

Link－16網絡容量取決于NPG。不同的NPG 有不同的時隙數量，NPG 對應的時隙稱為時隙塊。每個時隙塊的時隙在一個時元內是均勻分布的。時隙塊的參數有以下3個：一是組號（即A 組，B組或C組）；二是時隙塊第一個時隙的編號；三是時隙塊的時隙個數。所以時隙塊的最大值為32768，即某個時隙塊的所有時隙都屬于同一個組，時隙間隔為3如初始入網NPG 的組號為A，第一個時隙的編號為0，記為A0。時隙塊共有64個時隙，所以每隔12s有一個時隙，間隔1536個時隙，即第二個時隙為A512，以此類推。

2.3 Link－16時隙接入模式

NPG 雖然劃分了時隙，但是并沒有把時隙分給具體用戶，時隙接入模式就是完成這個功能的。Link－16共有4種接入模式：指定模式、競爭模式、時隙再分配模式和應召模式［5］。

指定模式就是給網絡參與組分配指定時隙，網絡成員直接按照規定使用即可。

競爭模式是在用戶總量大于分配時隙的情況下的一種接入方式，每個成員都可發出申請，最終時隙分配給哪個用戶是隨機的。

時隙再分配模式下，時隙是共享的，稱為重新分配池。如果用戶申請的總量超過重新分配池的容量，則各個用戶按照相同的比例減少時隙需求，以保證每個用戶都可以申請到時隙。

應召接入模式：這種模式下的用戶時隙分配是動態的。

最常用的接入模式為指定模式，只有在時隙容量不足或者特殊情況下，才使用競爭接入和時隙再分配接入，應召接入很少使用。

2.4 Link－16網絡工作模式

Link－16有層疊網和多網兩種網絡工作模式［6］。

層疊網支持Link－16的話音、空中控制及戰斗機——戰斗機通信功能。對于這些功能，由操作人員選擇要參與的網號 （0～126）。不同的網絡有不同的跳頻圖案，所以網絡之間相互不干擾。以空中控制網絡為例，每個控制平臺及受控的戰斗機選擇唯一的網絡號，多個空中控制電路可以使用相同的時隙組運行，多達20～30個空中控制平臺及戰斗機組可以有源。通過簡單的改變網絡號，平臺就可以在不同的網絡間切換，無需再對端機進行初始化。在這種網絡模式下，不同網絡下的NPG有相同的時隙和傳輸安全參數。

多網模式里，網絡也是通過網絡號加以區分的，不同的網絡有不同的跳頻圖案和傳輸安全參數 （MSEC）。但是這種模式下不同網絡的NPG 占用不同的時隙，每個端機只能工作在一個網絡下，如果需要進入其它網，則需要重新入網，并初始化端機。和層疊網模式相比，多網模式最大的優點是相同的時隙被不同的平臺用于不同的功能，因而，增加了整個網絡的吞吐量。

3 Link－16的同步技術

Link－16是基于時分體質的系統，因此每個網絡成員需要精確的時間。在Link－16體制下，以任意一個成員作為時間基準 （但是任何時間有且僅能有一個時間基準），時間基準稱為NTR。

為進行正常通信，首先需要進行網絡同步，即入網的各個用戶需要統一到NTR，網絡內其它端機的時鐘要去無限接近這個NTR，被選為基準的端機在規定的時隙廣播入網消息，入網端機收聽基準端機的廣播入網消息，操作員盡可能準確的估計系統時間，并輸入入網端機。入網端機從A0～A6時隙段選擇一個當前還未出現的時隙，收聽入網消息，如果時間估計準確，則可以收聽到入網消息，否則，重新估計。

入網消息中，包括網絡時間修正初始字，其中包含執行時間的時元編號、時元子區、新時隙編號、新時隙組、剩余時間改變等信息。時元編號表示在該時元將進行時間修正；時元子區編號為0～63，表示修正時間所在的時元子區；新時隙編號為0～32767，表示在該執行時間的新的時隙號碼；新時隙組編號為0～3，0 表示未說明，1 表示A組，2表示B組，3表示C組。

端機接收到入網消息后，用接收時間去校正端機時間。調整后的端機時間仍然包含傳播延遲tp和端機間的初始時鐘偏差δ，此時達到粗同步，系統在粗同步狀態下，只能發送往返定時RTT 消息，不能發送其它任何消息。這是因為沒有精確的時鐘，發射的信號會對網內用戶形成干擾，而且網內成員也難以確定接收時刻。

粗同步后，即進行精同步，精同步有主動方式和被動方式兩種，被動方式精同步是通過其它成員的位置多次定位而獲取自身位置信息的，這和衛星定位原理相似［7，10］。主動方式精同步是通過往返RTT 報文實現的，端機發送詢問報文，應答端機在它的時隙開始4.275ms后發送應答報文［8］，其同步過程如圖3所示。

圖3 Link－16時鐘同步

TOAI是應答端機接收到詢問端機詢問信號的時間；TOAR是詢問端機接收到應答端機應答信號的時間；tp為傳播時差；δ為系統時鐘誤差；td為一常數，是RTT 消息封裝中詢問消息和應答消息的時間間隔，為4.275ms

得到時鐘修正量δ后，端機立即進項調整，調整后則完成精同步。精同步后，端機即可發送消息。

4 Link－16的分層模型

分層模型共7 層，分別為任務層、應用層、服務層、傳輸層、網絡層、鏈路層、物理層，如圖4所示。

圖4 Link－16分層模型

4.1 Link－16數據鏈各層功能描述

在分層模型里，任務層可以簡單理解為一些特定應用層的集合，這些特定的應用層組合在一起，完成特定的任務。在Link－16數據鏈里，一些底層的功能如空中防御、區域導彈防御，就可以組成任務層；應用層里包括各種各樣的戰術消息，如：往返計時消息 （RTT）、精確定位與識別消息 （PPLI）、網絡時間更新消息等等，每個消息都用對應的功能，RTT 就是用來進行網絡同步的，PPLI用于定位識別；服務層的功能就是把應用層的消息轉化為面向比特的J系列消息，傳向傳輸層，或者把傳輸層的面性比特的信息轉換為戰術消息傳向應用層；Link－16的傳輸層就是給NPG分配時隙和控制流量；網絡層決定了通信網工作模式是層疊網模式還是多網模式，在不同的網絡模式下決定了NPG 時隙的接入方式，層疊網下時隙接入模式為指定模式，多網下接入模式為時隙再分配；鏈路層對服務層的比特加報頭，說明消息的航跡號和封裝格式；物理層完信號的發射和接收，主要技術有RS信道編碼，交織，擴頻，調制。

不難發現，任務層和應用層針對的是消息的具體內容，不屬于無線通信的范疇；服務層把消息的內容轉換為無線通信中的比特流；傳輸層和網絡層聯合控制物理層發射／接收時刻；鏈路層就是對比特流進行封裝，可以理解為數字信號成幀，物理層就是完成消息的發射和接收。

4.2 鏈路層的關鍵過程

鏈路層數據轉換如圖5 所示，從流程圖里不難看出，從服務層的消息經過了CRC編碼和增加報頭，不同種類的消息處理過程稍有不同，這是因為消息種類的不同而決定的，如往返計時消息只有報頭，而沒有消息本體，自由文本消息其中沒有校驗比特，所以不需要進行CRC編碼。

CRC編碼具體過程簡述為，210比特的消息數據和15為的航跡號 （報頭的4－18）比特共225 比特，進行CRC（237，225），形成12比特的校驗比特，12比特校驗比特分為3組，每組4個比特，再加上一個比特的備用，共5 個比特，跟在70比特消息后面，形成標準的75比特的字。

設k比特信息碼多項式為m（x），n 為碼長，CRC（237，225）碼生成多項式g（x）為

圖5 鏈路層

對信息碼多項式左移n－k位，和g（x）相除，所得的余式即為校驗比特r（x）

將余式r（x）對應的消息比特加在信息比特之后，完成了CRC編碼。

4.3 物理層的關鍵過程

物理層的過程可以簡述為：鏈路層的260 比特消息首先要進行信道糾錯編碼，報頭部分編碼格式為RS（16，7），字部分為RS（31，15）。將糾錯編碼后的比特處理為脈沖，然后對脈沖進行擴頻調制，之后根據網號和NPG 給消息加同步頭，至此基帶信號產生完畢，根據跳頻圖案調制射頻段即可發射出去，物理層數據轉換過程如圖6所示。

脈沖的5比特消息使用長度為32的擴頻碼，對于不同的消息，采用相同的擴頻碼，只是移位不同。Link－16工作頻段為960 MHz～1215 MHz，在頻段范圍內共有51個跳頻點，51個頻點之間間隔3 MHz。傳送數據時，每個脈沖指定一個頻點，每跳隔開9 個頻點，載波的跳變速率為76923跳／s，51個頻點公式如下

5 結束語

圖6 物理層

對于TDMA 體制的數據鏈，只要各個端機有一致的時隙結構 （即完成網同步），各個端機明確自己的發射時隙（通信協議），在發射時隙按照規定的消息封裝格式 （格式化消息）發送消息，接收機使用跳頻跟蹤技術完成接收機的同步，那么整個網絡就可以正常工作了。通過對Link－16數據鏈整個工作過程進的描述，提出一種Link－16數據鏈的分層模型，分層模型更加清晰的對數據鏈進行描述，而且能直觀反映出消息從發射到接收的整個處理流程。

分層模型中的任務層和應用層是預先規定好的一種邏輯，服務層把邏輯消息轉換為比特，傳輸層和網絡層根據通信協議對鏈路層和物理層進行控制，保證整個數據鏈的正常通信。

本文提出的分層模型不僅適用Link－16數據鏈，也可以適用其它類型的數據鏈，為數據鏈的兼容提供了參考模型。

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