影响机间数据链组网协议设计的主要因素分析

张 冲1，吕 娜1，张岳彤1，李建朋1，杨锦熙

(1.空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077；2.南京军区空军通信总站，南京 210049)

数据链作为C4ISR系统框架的基本组成部分，在传感器、指控单元和武器平台之间实时传输战术信息，是满足作战信息交换需求的有效手段[1]。美军的机间数据链是一个复杂的通信组网系统，在编队内战机之间组成抗干扰低时延的局域网，以快速交换敌我瞬间态势、友机状态及武器控制参数等信息[2]。

信息优势是现代战争制胜的先决条件[1],作为通信能力保障的机间数据链网络的研究显得十分迫切。本文围绕战场环境及作战任务、网络规模、消息的实时性4个方面详细分析了影响组网协议中网络拓扑的构建和多址接入方式设计的主要因素。

1 机间数据链组网协议

1.1 机间数据链组网协议设计目标

数据链组网协议指组建的作战通信网络所遵循的一系列通信规则。组网协议的设计首先是通信网络形式的设计，即如何构建一个最佳的网络拓扑结构；其次是组网通信协议的设计，以满足网络对作战应用的支持，对于机间数据链网络就是满足编队成员相互间高速抗干扰低时延的通信需求。组网通信协议的设计需要考虑数据链网络分层模型中的多层通信协议。通常，数据链模型从技术层面分为应用层、处理层、建链层和物理层4层[1]，物理层主要实现数字信号的通信传输功能；建链层主要实现多址组网功能；处理层侧重于消息的格式化处理；应用层生成多种战术消息，实现作战任务。物理层的信号传输功能采用传输设备实现，建链层的多址组网功能采用多址接入通信协议实现，处理层采用数据处理设备实现消息处理。在硬件设备(传输设备和处理设备)支持通信传输和信息处理需求的条件下，数据链网络的性能主要由多址接入协议决定。

基于以上分析，机间数据链组网协议的设计目标是根据作战应用需求构建最佳的网络拓扑，并以此为基础设计适当的多址接入协议，实现编队内高速抗干扰低时延通信。

1.2 网络拓扑结构

网络拓扑结构是指网络中各节点之间相互连接的形式，它是实现组网协议的基础，直接关系到网络整体性能和系统的灵活性及可靠性(见表1)。

表1 机间数据链网络拓扑结构划分及特点Table 1 Topology classification and characteristics of intra flight data link network

1.3 多址接入协议

多址接入协议控制节点适时接入无线信道，是战术消息在信道上发送和接收的直接控制者。多址接入协议设计是否合理，对整个机间数据链网络的性能起着决定性作用。传统的多址接入方式，根据节点获得信道的方式可以分为基于固定分配、基于随机竞争和基于预约3类[3]。

(1)固定分配多址接入协议的优点是公平性较好，当网络节点数目及业务负载较大时，能够保证平均的传输时延，但具有网络可拓展性和业务实时性较差及依赖有限固定资源等缺点；

(2)基于随机竞争的协议中，节点的信息发送更具有自主性，网络拓扑相对灵活，能较好地满足实时性突发性比较强的业务，但协议性能随着网络节点数目和业务量的增加急剧恶化；

(3)基于预约分配的多址接入协议由于需要一个专用的控制信道供所有用户以固定分配方式或竞争方式提出申请，因而信道利用率有所降低并可能出现上述两种分配方式的问题。

2 机间数据链组网协议设计主要影响因素

文献[2]指出，机间数据链网络是编队内飞机之间高速抗干扰低时延的无线局域网，低时延特性表明消息传输对实时性有一定要求。文献[4]中指出，在无线局域网的组网设计中，无线环境的勘察是一个重要的环节，其中包括3个重要的因素：覆盖范围、用户数量和使用目的。结合机间数据链网络高速抗干扰低时延的特点，影响机间数据链网络组网协议设计的主要因素有战场环境、作战区域、作战任务。

2.1 战场环境

战场环境在机间数据链中主要是指战场电磁环境。未来信息化战争中，由于电子干扰设备的大量使用，战场电磁环境恶劣，要求机间数据链具有抗干扰能力；其次，需要低截获概率的机间通信信号，以防止破坏隐形飞机的隐身特性。

为了提高抗干扰低截获能力，传统方式可以采用功率控制、扩跳频及高效的编解码技术等。而采用功率控制，减小发射功率，相应地会减小直接通信距离，网络规模会有所限制。文献[5]指出，采用多跳网络能够以较小的功率实现较大范围的覆盖。因此，机间数据链可以通过减小直接通信距离，采用多跳传输的网络拓扑来提高抗干扰低截获能力，而该多跳网络可以是平面拓扑也可以是分层的拓扑。

美军F-22A战斗机具有良好的隐身性能，要求其机间数据链具有良好的低截获能力来保证其隐身性能不会受到通信限制。文献[6]指出，F-22A机间数据链(IFDL)采用发射小旁瓣波束的方法，对电磁波进行针状窄波束精确控制，实现战斗机之间的点对点通信。由于其主瓣宽度较小，方向在控制下不停变化，只有干扰源恰巧在其主瓣方向上时，才能对其造成有效干扰，因此也具有较强的抗干扰能力。但IFDL对天线技术有较高要求，由于使用了定向天线，IFDL采用了有别于传统多址接入协议的空分多址接入协议。

2.2 作战区域

作战区域按照作战距离的远近分为本土防御和远程作战。本土防御时，空中编队能够得到己方地面或者空中的信息支持及火力支援，大型空中预警机和指挥机能够得到安全保障，从而可以考虑以空中预警机和指挥机为中心，采用集中式网络拓扑；而远程作战时，缺乏己方地面或空中信息支持和火力支援，大型空中预警机和指挥机的安全得不到保障，更多地依靠编队成员机载探测设备获取战场信息和编队成员之间的战术协同，为了保证网络的抗毁性，宜采用分布式网络拓扑。

2.3 作战任务

作战任务面向应用层。文献[3]指出，应用层仅完成自己的功能(特定应用规定的特定任务)，而其它层完成满足不同应用要求的总任务中的一部分。因此，网络拓扑及多址接入协议必须满足一定的技术指标来支持应用层功能的实现。我们从以下方面进行分析。

2.3.1网络规模

网络规模是指网络中包含的节点数目和网络通信覆盖范围。现代战争中，根据不同的作战任务采取不同的空战规模：小规模空战是编队中各飞机的协同行动；大规模空战通常是由预警机、歼击机、电子战飞机、高空侦察机和空中加油机等多机种进行的群体作战以及与地面防空部队的网络化协同作战。

小规模空战中,网络节点较少，网络节点之间距离较近，相互之间均可实现直接通信。在满足高速抗干扰低时延通信需求的基本条件下，根据不同作战任务，可以灵活采用适当的网络拓扑和多址接入方式。譬如美军F/A-22 16机编队机间数据链中，4机编队之间的标准间距为16 km，根据不同的作战任务，有两种网络拓扑：超视距空战编队(图1)和拦截编队(图2)[6]。两种网络拓扑均采用分层结构，每4机编队组成一个簇，每个簇有一个簇头，簇头组成上层网络。在超视距空战编队中，簇头之间组成全连通的分布式网络，而拦截编队中，簇头之间组成多跳传输网络。

图1 F-22 IFDL超视距空战编队Fig.1 F-22 IFDL BVR combat formation

图2 F-22 IFDL拦截编队Fig.2 F-22 IFDL intercept formation

大规模空战中，网络节点较多，网络覆盖范围较大,例如在美军战术瞄准网络技术(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)中，平台之间最大的间隔距离可达555 km[1]，从技术实现难易程度和通信需求上都没必要实现所有节点之间的直接通信。文献[7]显示TTNT网络拓扑是一种层次化结构。文献[5]指出，分层结构网络规模不受限制，可以通过增加簇的个数或网络的层数来提高网络容量。与小规模网络的分层结构不同的是，大规模网络中，不仅网络成员数目较多，而且参与成员类型多样，因此大规模的分层网络应该是异构的网络，不同功能的网络成员在一起组成底层的不同簇。由于分层结构结合了无中心和有中心模式，在每个簇内都可以采用集中式的TDMA、CDMA、轮询等多址接入协议或分布式的TDMA、CSMA协议。上述分析说明：未来大规模空战宜采用分层网络拓扑；大规模分层网络可看成是以小规模分层网络为基础的拓展；不同任务的编队组成不同簇；编队之间可通过簇头间多跳通信；编队内部可以灵活采用适当的多址接入方式。

2.3.2消息的实时性

消息的实时性是衡量数据链性能的一个重要指标，是网络服务质量(QoS)的一部分，具体反映为不同信息在网络中传输的端到端时延。

文献[2]指出，由于空中格斗的时间敏感度在秒级以下，信息传输的延迟不能高于50 ms。而多跳传输由于消息不能一次送达，对传输时延有更高要求。因此在构建机间数据链网络拓扑时，必须保证高实时性的信息在一跳范围内传输。因此，若在平面网络中传输高实时性信息，必须采用全连通的平面网络；而在分层网络中传输高实时性信息，实时性要求最高的信息应处于最底层，即单个簇内，保证其在一跳范围内传输。

满足消息的实时性要求，除了网络拓扑的构建，还应以网络拓扑为基础设计适当的多址接入协议。机间数据链传输的消息类型可分为告警信息、制导交接信息、指令控制信息、目标态势信息及战场态势等信息，不同的信息对实时性有不同要求，必须优先考虑对实时性要求最高的业务。基于以上分析：如果网络中所有信息对实时性都没有高要求，可采用基于固定分配的多址接入协议；当传输消息对实时性要求较高时，若采用一跳全连通网络拓扑，且节点数目较少，可采用基于固定分配的TDMA或基于竞争的CSMA协议；随着节点数目的增多，宜将网络分层，在簇内、簇头之间灵活采用适当的多址接入协议。

2.3.3其它因素

作战任务对组网协议设计的影响，除了上述两个关键技术指标外，在某些情况下还需考虑网络拓扑的灵活性、网络业务的综合性等。譬如：当编队执行防空拦截任务时，需要规避敌方来袭导弹，或根据敌方来袭飞机数量，需要改变我方迎战飞机数量，要求机间数据链网络支持拓扑结构的灵活变化；当编队执行对地攻击任务时，需要高速的数据传输速率来传输图像，甚至视频信息实现对地目标的精确定位，要求多址接入协议同时支持低速和高速业务的QoS。

2.4 制约因素

以上是影响机间数据链组网协议设计的主要因素，除此之外，机间数据链组网协议的设计还要考虑两个制约因素：

(1)现有技术条件。譬如是否有条件采用先进机载定向天线来提高机间数据链抗干扰低截获能力；

(2)战略需求。战略需求面向应用层，不同的战略需求要求机间数据链实现不同的应用功能。对于美军来说，战略需求是确保其全球霸主的地位，机间数据链需要支持其空军全球快速到达、超视距精确打击等。

3 机间数据链组网协议设计

基于以上考虑，机间数据链网络组网协议的设计是一个多输入的、复杂的、系统的过程(图3)。输入参数为战场环境、作战区域、作战任务3个影响因素，以及现有技术条件和战略需求2个制约参数。根据第2节的分析，可能会输出多个网络拓扑构建及多址接入协议设计方案。针对输出的多个方案，借助仿真工具，如OPENT Modeler，运行仿真程序模仿通信网络的运行过程，对比各方案的通信网络性能指标，选择出最佳的组网方案。

图3 机间数据链组网协议设计思路Fig.3 Design idea of IFDL networking protocol

图3中，机间数据链组网协议生成模块的设计流程图如图4所示，其中假设战场电磁环境较为恶劣，所有方案均需要考虑抗干扰低截获能力。当现有技术条件支持先进机载定向天线及高效的对准跟踪算法时，所有节点之间实现点对点通信，能较好满足消息的实时性，但机载能力有限，天线形成的窄波束个数也有限，因此需要考虑网络规模的大小。当现有技术条件不允许采用定向天线时，考虑作战区域和作战任务对机间数据链组网协议设计影响的同时，采用传统的扩跳频、功率控制等方法来提高抗干扰低截获能力。

图4 机间数据链组网协议设计流程Fig.4 Design cycle of IFDL networking protocol

4 结束语

机间数据链对于提高编队的作战效能具有重要的作用。随着未来战争对于信息的依赖性逐渐增强，制信息权显得格外重要，而先进的机间数据链为战术信息在编队内或编队间高速、无误、隐蔽的传输提供了重要的保障。

随着新型隐形飞机的投入使用，未来机间数据链应朝着抗干扰、低截获、大容量、高速率、网络拓扑更加灵活的方向发展。定向天线相对于全向天线具有更好的抗干扰低截获能力，因此未来机间数据链网络应该朝着采用先进的机载定向天线及高效的天线对准及跟踪算法的方向发展，在先进的机载定向天线的基础上，需要改进现有的网络拓扑结构及多址接入方式。

参考文献：

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