数据链

Link-22 北约国家的战术数据链
作者：朱振国
1 引言
美国海军和北约国家在上世纪80年代发起“北约改进Link-11”(NILE)项目,计划研发新型战术数据链,旨在用低费用更新他们于60年代研发的Link-11,最终取代Link-11和补充完善Link-16。

美国、加拿大、法国、德国、意大利、荷兰和英国参与了NILE项目,共同定义出下一代战术数据链,命名为Link-22。

Link-22强调以下战术能力:
(1)在密集的对抗通信环境里,增加战术数据的传输时间和传输高优先权的作战命令及警报。

(2)改进盟军互操作能力和增强指挥作战能力。

Link-22网络的定义阶段始于1989年,分3个步骤进行:
(1)制定Link-22系统及其子系统规范的标准文档,包括:STANAG5522、STANAG5616、ADatP-22和Link-22系统规范;制定NILE基准系统(NRS)需求,即Link-22兼容测试系统。

(2)美国Logicon公司在2001年研制成功系统网络控制器(SNC)和NILE基准系统(NRS)系统,在2002年研发数据链路互操作测试系统,或称为多链路测试工具(MLTT)。

美国DRS公司研发信号处理控制器(SPC)。

(3)到2007年为止属于Link-22运行现场支持(ISS)阶段。

由各国代表组成的NILE项目委员会组建NILE项目管理办公厅(PMO)负责监督所有NILE任务的进程。

NILE项目专注于Link-22系统结构设计,至于系统设备的生产、组装和集成则分别由各国自行负责。

当前各国正在加紧实施NILE项目,尽管各自进度有所差异,但预计到2009年都最终完成任务。

美国海军是美国当前唯一的有意使用Link-22的军兵种。

在初始部署阶段,估计不会超过5%。

装备Link-22美国平台的美国海军计划在
水面舰艇的指控平台部署Link-22,以完备Link-16超视距战术数据交换。

Link-22支持与Link-16之间的数据转发能力。

美国其他军兵种将来可能使用Link-22,以替换过时的Link-11B。

英国和德国海军正在申请许可,研制多种数据链处理机,计划将现役战术数据链扩展进Link-22。

意大利海军计划在2004年完成Link-22,然后部署在航母、多用途护卫舰和驱逐舰。

2 Link-22网络
Link-22和Link-16一样,同属于TADILJ战术数据链家族。

为了克服Link-11结构的不足(例如:单网络控制站的脆弱性、低通信数据率和抗电子干扰能力差),Link-22使用基于TADILJ的F-序列报文格式。

为了超视距通信的需要,Link-22还沿用英国定义的卫星战术数据链(STDL)、美国定义的卫星TADILJ(S-TADILJ)和VMF(可变报文格式)规范标准。

Link-22是一种抗电子干扰、保密可靠、灵活机动的中速数字数据通信系统,实时与舰艇、潜艇、飞机和岸基中心的战术数据系统交换战术数据。

它支持通用战术图(CTP)编辑、武器交战及状态管理和指控等作战行动。

Link-22系统使用无线电链路将一组至多125个NILE单元(NU)连结成为一个超级网络
(SN)。

SN任命一个NU单元作为超级网络管理单元(SNMU)。

SN最多能被分割成为8个子网络,也称为NILE网络(NN)。

一个NN网络指定一个NU单元作为它的网络管理单元(NMU),同NN 网络的NU单元使用共同射频信道。

各个NU单元能够在高频(3-30MHz)或特高频(225-400MHz)波段以固定频率(FF)和电磁保护措施(EPM)模式工作。

一个NU单元同时提供4对无线收/发信道,也是说:能够同时接入4个NILE网络。

构成NILE单元的逻辑模块包括:战术数据系统(TDS)、数据链处理器(DLP)、人机接口(HMI)、系统网络控制器(SNC)、链路层通信安全(LLC)、4个信号处理控制器(SPC)及其无线收/发设备和一天时间(TOD)基准源。

战术数据系统(TDS),更严格地讲,应属于NILE单元的扩展部分。

它是Link-22传输报文的源头,也是接收Link-22报文的终点。

配置在舰艇的TDS称为海军战术数据系统(NTDS),配置在飞机的TDS称为机载战术数据系统(ATDS)。

尽管它们的任务有所不同,但它们的数据链功能都为:(1)把战术数字信息传送给数据链处理器(DLP);(2)恢复和处理从DLP传来的战术数字信息。

数据链处理器(DLP)是Link-22系统的实际接口部件。

它支持网络应用层功能,包括:产生和构造战术报文、数据翻译格式化处理和翻译语法选择。

它还能与其他战术数据链接口,以便与它们进行链路数据转发。

系统网络控制器(SNC)提供通信传输层功能,包括:网络管理和监视、信号处理控制器(SPC)配置和网络协议。

SNC还支持报文投递服务,包括:报文寻址、报文时间印戳、报文中继与路由、迟到网络或传输入口。

当SNC发现网络出现堵塞时,它询问DLP是否可以丢弃一些已过时的报文,以便减缓网络的流量。

NorthropGrummanIT研发的SNC软件能移植在HP、SUN和INTEL等标准硬件上运行。

通用的SNC软件能增强各国Link-22系统的兼容性和互操作性。

链路层通信安全(LLC)设备是由国家保密局(NSA)核准的高级加密安全设备。

它使用以24小时为基准的天时间(TOD)和用户地址进行加密处理,还对数据完整性进行核实。

LLC支持SNC与4个信号处理控制器(SPC)的接口服务,支持至多4个网络的并行操作。

信号处理控制器(SPC)支持战术报文分割与组合、转发误码校正(FEC)、调制解调、无线收发配置和链路质量反馈。

高精度传输也与天时间(TOD)的基准精度相关。

无线收发设备支持网络单元实现无线电链路连结。

慢跳频无线电波支持高频跳频的传输安全;快跳频SATURN无线电波支持特高频跳频的传输安全。

自适应阵列天线设备支持电磁保护措施(EPM),也有效抑制电磁干扰和射频干扰,还减少无线波瓣的不规则效应。

Link-22系统在高频波段提供300海里的通信覆盖域,在特高频波段为200海里。

Link-22中继设备能将中继数据分别扩展至1000海里和300海里[5]。

中继设备单元把接收的中继数据在其指定的中继时隙重新发射。

中继策略必须在网络链路部署前确定,包括:指定中继单元、给它们分配足够的能力、确定是否能自动选择中继单元。

中继操作既可在一个NILE网络内进行,也可在多个NILE网络间进行。

使用路由方法实现报文中继也十分有效。

为了中继操作,中继数据被存储在高质量的网络链路单元里,并不时自动更新。

基于这种信息流程,选择中继单元作为路由操作的路径,能用最低开销和最可靠概率将中继报文传送到目的地。

3 Link-22报文
3.1数据报文功能
Link-22系统使用基于TADILJ的报文格式。

它的作战数据报文包括:参与单元(PU)定位
与识别、监视、电子战、情报、武器控制、参与单元任务管理与状态。

信息管理报文包括:航迹管理、更新请求、相关、指针、航迹识别、滤波、关联和相关变化。

武器协调和管理报文包括:指挥命令、交战状态、越区切换、控制单元、配对与状态。

每个战术报文附带一个生存时间参量,陈旧过时的报文将不再被中继转发。

除此之外,Link-22还包含一组网络管理报文。

3.2报文传输
Link-22报文包含两种格式:(1)新定义的F-序列报文(72-比特字);(2)基于Link-16J-序列(70-比特字)的嵌入报文,也称为一个FJ-序列报文。

尽管F-序列报文与J-序列报文都使用相同数据元和测地坐标系统元,使用FJ-序列报文更加便利,因为它简化两数据链间的数据转发作业。

数据链处理机(DLP)承担Link-22与Link-16的报文翻译转换工作。

然而它仍需要适当的低层处理和用无线设备收发Link-16报文。

它对Link-11报文的处理也很相似,除了报文翻译作业更复杂外,还可能成为难题,因为它们的表示层量化度不同。

包含这些处理设备和翻译能力的终端被称为转发单元。

STANAG5616包含Link-22与Link-11和Link-16的数据转送和报文翻译规则。

终端传送的报文具有多种地址类型,包括:点对点、射频邻居传送、(传送给所有上级网络单元的)全体传送、任务区子网(MASN)、单元动态表列。

MASN是一组网络功能逻辑群,类似于Link-16网络参与群(NPG)。

它是为执行一个特定任务而集成的一群单元。

报文传输是以DLP向系统网络控制器(SNC)发送传输服务请求(TSR)为起点。

TSR包含描述传输请求参数。

按传输优先权,它被放进4个不同优先权的队列。

只有更高优先权的TSR 被服务后,才轮到对它服务。

3.3网络访问
Link-22系统使用时分多址访问(TDMA)协议传输战术报文。

它的网络管理单元(NMU)控制操作网络周期结构(ONCS)。

网络的每个单元在ONCS占有一组称为微时隙(MS)的传输时隙。

每个MS是由数量固定的一组时隙组成。

为了适应平台的数据需求,各单元占有的MS数值都能灵活变更或裁剪。

ONCS初始化操作可由网络管理单元集中计算配置,或由各单元使用相同算法分别计算配置。

分配给各单元的传输时隙可以是固定的(只在系统重新配置时才能变动),也可以是动态的。

动态TD2MA分配是一种通用的自治算法,各单元能将其空闲MS赠给需要更多传输能力的单元使用。

动态分配算法能优化ONCS,减少信道访问延迟,增强信道能力和其他操作。

ONCS中的中断时隙(IS)是专门留给注入的高优先权报文优先使用。

Link-22定义4种优先权报文队列。

最先进入最高优先权队列的报文被首先发送。

低优先权报文使用常规分配的MS发送,而不使用IS发送。

3.4网络管理
时分多址访问(TDMA)是一种无中心节点结构,也是说:它的运作不依赖于特定节点的控制。

系统在没有网络管理节点时,也能照常运作数小时。

然而,Link-22指定网络单元负责管理网络。

超级网络(SN)的网络管理单元是它的最顶层管理单元。

它负责整个网络的关闭命令、重新配置或重新初始化命令、网络单元脱离或加入网络命令、加密命令、迟到单元加入超级网络命令、监视下层网络管理单元、设置网络单元中继功能、无线电寂静和通告改变单元状态的命令。

超级网络的下层网络管理单元分别管理各自的网络。

它们执行上级网络管理单元命令。

如果需要,授命预备行动的网络管理单元,也能承担网络管理职能。

迟到单元入网和迟到传输入网协议是为了让在网络初始化阶段那些不能到场的单元加入网络。

入网协议流程包括:网络同步、与网络管理单元交涉和获取当前网络参数。

整个入
网协议流程通常需用30秒到4分钟。

外部其他链路(例如,Link-16)可显著改进入网协议流程的效率。

超级网络单元可分为两大类:NILE网络单元群和任务区子网(MASN)单元群。

MASN位于超级网络底层,至多可包含32个单元。

它们使用相同频率或跳频模式。

MASN的上层网是NILE 网络。

4 改进Link-11
在当前密集威胁环境下,Link-11功能呈现出严重缺陷和不足。

Link-22不论在参与单元数量、跟踪航迹数量与精度、抗干扰能力、系统报警或反应时间等诸多方面都显著改进了Link-11能力,重点叙述如下:
(1)增强电子防护措施(EPM)
Link-22使用现代加密技术,选择发射功率控制以降低截获概率,选择跳频和自适应阵列天线以抑制电磁干涉和射频干扰。

(2)提高战术报文传输能力
相比Link-11的1800bps,Link-22极大提高了用户数据率。

用户数据率在高频固定频率(HFFF)时,可达1120～4053bps,在高频跳频(HFFH)时为500～2200bps;在超高频固定频率(UHFFF)时,可达12.667kbps。

一个单元能并行支持4个网络。

假定使用3HF+1UHF固定频率配置,用户数据率总量可达24.826kbps。

交替使用2HF+2UHF固定频率,总量可达33.440kbps。

(3)增多网络参与单元数量
在高数据率时,Link-22能比Link-11支持更多的参与单元。

它能支持8个网络(至多125单元),各单元能同时接入4个网络。

(4)增强网络鲁棒能力
Link-22消除Link-11双路连结的网络控制模式,提高了网络可靠性。

它能使用报文确认技术,以牺牲高数据率为代价,用增强可靠性(多重复)模式传输报文。

它使用时间分集、频率分集和天线波瓣分集等技术增强单元冗余能力。

Link-22终端可在不同网络用不同频率收发报文,也可直接或中继接收报文。

在多重频率下作业,它可按优势条件选择和优化它的发射频率。

(5)增强误码检测和校正能力
Link-22使用CRC-16奇偶核对等现代误码
检测和校正技术进行冗余误码检测。

它根据波形需求,采用里得-所罗门(Reed-Solomon)或卷积编码。

(6)灵活分配传输时隙
Link-22提供更加灵活和自治的网络管理能力,支持动态TDMA重新分配传输时隙,优化时隙分配处理。

它还支持诸如:快速链路访问、优先中断、自治迟到入网和多种报文寻址。

(7)改进Link-11报文标准
Link-22改进了Link-11报文标准,包括:加入支持地面和己方位置/定位/航迹标识,提高多种数据元的量化度,提供通用定位和敌方指数报告。

Link-22使用与Link-16报文标准相同的数据元与测地坐标元,因而方便了它们的数据转发操作。

Link-22使用全球测地坐标系统来取代Link-11的三角测距报告体系。

Link-22消除了Link-11有限的参与单元数、航迹编号与航迹编号块。

表1列出Link-22/Link-16与Link-11的特性比较。

5 补充完善Link-16
Link-22和Link-16同属J-序列战术数据链家族,它们各有特长,相互补充完善。

以对空作战为主,Link-16使用空载中继设备扩展视距通信范围;Link-22则以反舰战/反潜战为主,它使用舰载中继设备扩展视距通信范围。

在高密度冲突环境下,Link-22能额外地增强Link-16能力。

Link-16通常比Link-22提供更高的数据率。

Link-16终端在两倍压缩双脉冲(P2DP)模式的平均流量为57.6Kbps(美国Viasat发布资料),而Link-22终端的最高流量只有33.44Kbps(2HF+2UHF固定频率模式)。

Link-16和Link-22的网络能量被它们的功能群共享。

尽管Link-16网络定义了512个网络参与群,但是一个终端最多只能运行32个网络参与群。

与此相似,一个Link-22终端最多只能运行32个任务区子网(MASN)。

在经过初始化配置后,Link-16网络结构通常是固定的,除非它重新分配传输时隙。

与此相反,Link-22能动态重新配置网络,以便适应战场态势的变化,这归功于它的网络管理单元能自主管理网络。

尽管它比Link-16更加集权化管理网络,但是Link-22网络仍然维持当前结构运行,即使所有网络管理单元都已失效。

Link-16和Link-22使用的发射波形不同,但基本特征相似。

它们都使用报文加密和误码检测和校正技术。

除了和Link-16都使用里得-所罗门编码外,Link-22根据速率不同还使用卷积编码。

Link-16和Link-22使用相同的量化度和测地坐标系的报文通信。

但是Link-22没有相关导航能力,并且最多只能支持125个网络参与单元,而Link-16能支持32767个网络参与单元。

6 结束语
NILE项目的实施将极大增强北约盟军的互操作和指挥作战能力。

除了使用现代抗干扰、保密、低误码率和低时延等技术外,Link-22强调通用通信/报文标准、通用报文格式和通用战术图,还强调数据链结构的可裁剪性、自适应性、开放性和可扩展性。