Link-16数据链并行多路接收应用研究

冯 腾，鲁邹晨

Link-16数据链并行多路接收应用研究

冯 腾，鲁邹晨

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

通过介绍美军并行多路接收功能的发展历程以及组成，分析了功能实现的关键以及实现方式，研究了不同场景下的组织运用模式，并根据美军的发展经验提出了数据链并行多路接收功能的发展思路。

并行多路接收；时隙；容量扩展

0 引言

从冷战结束到现在，为协调作战和共享信息，对军事平台作战能力的需求日益增长。自20世纪80年代以来，Link-16系列数据链一直是向美国及其盟国提供关键战场信息的核心。随着无人机、无人车等新型优质作战平台的出现，更大规模和更多种类平台参与联合作战，Link-16数据链网络的能力逐渐出现不足。为解决网络时隙资源日益紧张、系统能力过载的困境，美军2013年开展了并行多路接收（Concurrent Multiple Reception，CMR）的技术研究工作，2017年基本完成功能的作战状态评估并形成初步能力，并着手开展波形功能的固化和端机的升级工作，2018年～2019年间进行了F/A-18、EA-18G等多平台的集成和飞行试验工作，截止目前已成功在所有下一代的Link-16产品中集成了并行多路接收功能[1]。

并行多路接收技术使Link-16数据链对时隙资源的利用率成倍增加，通过使用终端设备在同一时隙完成对多条消息的收发处理，这意味着高优先级的数据传输速度更快，并且不会牺牲低优先级数据的传输速度，作战人员可以得到最具时效性和准确性的信息。CMR技术实现了即时信息更高效率的交互，大大缓解了Link-16网络的拥塞问题，更好地满足了现代化联合作战的任务需求。

1 CMR功能组成

CMR是指端机能够在同一时隙接收处理多条消息，按照接收消息的来源，可划分为并行多网接收（Concurrent Multi-Netting，CMN）和并行竞争接收（Concurrent Contention Reception，CCR）。CMN是指Link-16端机能够在同一时隙接收多条消息，每条消息处于不同的Link-16子网；CCR是指Link-16端机能够在同一时隙接收同一子网内的多条消息。值得关注的是，CCR为同一子网内的消息，由于跳频图样相同，通过采取消息到达时间前后区分的方式，进行接收不同距离下作战平台的消息，且通常用于指定为竞争接入的Link-16时隙。

2 Link-16多网

Link-16的基础网络为单网结构，在单网结构上进行不同形式的叠加，形成Link-16的多网体系。多网的本质是通过给不同的网络或网络参与组（Network Participation Group，NPG）分配不同的跳频图案、保密变量，在信号层形成多网架构。CMR功能在单网或多网中的应用方式也有所不同。

2.1 单网结构

单网结构中具有相同的消息保密加密变量、传输保密变量和网络编号，这种结构中网络成员的跳频图案是完全相同的，射频信号和信息均可以互通。CCR功能一般在单网结构中进行应用。单层网结构示意图如图1所示。

2.2 重叠网结构

重叠网结构中具有相同的消息保密加密变量、传输保密加密变量和不同的网络编号，此时跳频图案是不同的，因此一个网络不能接收其他网络中的消息，但是只要改变网络编号，平台就可以在各个网络之间切换，不必重新初始化。这种结构主要用于话音、空中控制和战斗机—战斗机NPG。重叠网结构中，由于这类NPG需要各成员在组内交换信息，组间往往不需要交换信息，因此不是CMN功能的主要应用场景。

2.3 多重网结构

多重网结构中具有不同的消息保密加密变量、网络编号和相同的传输加密变量，这种结构既从射频信道上也从消息保密上将不同网络隔离，一般用于将两个NPG隔离到两个使用相同的时隙但又互相排斥的网络[2]。例如电子战和高更新率的精确参与定位与识别（Precise Participant Location and Identification，PPLI），给平台分配一种或另一种功能，但不参与两种功能，这些相互排斥的NPG组成多重网。不同的平台使用同样的时隙来完成不同的功能，从而提高了网络的吞吐量。多重网结构也正是CMN重要的应用场景之一。

2.4 多个网络结构

多个网络结构中具有不同的消息保密加密变量、不同的传输保密加密变量和相同/不同的网络编号时，是多个网络结构。这种结构用于在同一地域工作的两个以上的网络，跳频图案和消息保密均不同，不同的网络之间没有信息传输，并且平台只能在一个网络中工作，不能在多个网络中工作。如果在网络之间切换需要对终端进行重新的初始化。多个网络结构，也是CMN的重要应用场景之一。多个网络结构示意图如图2所示。

3 使用分析和实现方式

3.1 使用分析

由于Link-16采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）接入体制，其基本的资源单位为时隙，通过为每个成员分配时隙发送消息，实现各型平台的组网和各类信息的交互。综合考虑时隙资源、用户数、消息种类和更新速率等因素，美军在使用传统的Link-16进行海外作战时，支持的用户数一般在100人左右。Link-16对时隙资源的利用分为专用时隙和竞争时隙两类，专用时隙中只允许单个成员发送消息；竞争时隙中允许多个成员发送消息，这类时隙为单网的竞争时隙或多重网、多个网络共用的时隙[3]。不具备CMR功能的Link-16端机，在单个时隙只具备接收1条消息的能力，虽然竞争时隙中可包含多个平台的有效信息，传统端机却只能接收处理1条最先到达或跳频图样匹配的消息。所以实现Link-16网络容量的扩展，关键在于突破1个时隙只能接收1条消息的瓶颈。

3.2 实现方式

美军在原有的MIDS-JTRS端机上升级了CMR功能，保留原有终端的专用Link-16通道，确保了与战场MIDS-LVT终端的全面互操作性[4]。在传统端机原有功能基础上，通过硬件模块的改进，使具有CMN接收功能的MIDS-JTRS终端具备改进的数字接收机、消息缓冲和更快的数据处理能力，保证主机能够进行高频率消息的任务交换需求。同时增加三个符合美军软件通信体系结构（Software-Compliant Architecture，SCA）的通用信道，频段可以覆盖2 MHz～2 GHz，实现了终端在单个时隙对四条消息的同时接收，并且不会影响当前的作用距离和抗干扰能力[5]。这种平台集成方式，在实现兼容主要的传统技术体制基础上，还可以支持公共数据链（Common Data Link，CDL）、战术瞄准网络技术（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）等未来波形开发的需求增长。本文只针对端机硬件拓展后对Link-16波形功能拓展的应用研究，如图3所示。

4 功能分析

4.1 CMN

CMN使得平台可以接收同一区域多个Link-16网络的多条消息，每条消息的跳频图样不同，通过为每个接收通道设置不同的接收跳扩频图样，实现对多条消息的接收。此功能增强了各种Link-16网络之间的协作，从而提高了态势感知能力，CMN的能力尤其适用于具有指挥控制功能的平台。

4.1.1多重网应用场景

Link-16多重网是指在同一时隙支持不同的NPG功能，参与者通常只需要参与其中一个NPG。并行多网接收功能在多重网中的应用示意如图4所示。

图4显示了CMN功能在多重网中的典型使用模式，多重网中具备指挥控制（C2 Net）、情报侦察（ISR Net）、战场态势感知（Battle Force Net）和武器协同（Targeting/Weapons Net）等四个NPG。根据任务需求，预警机、航母可同时接收网络中四个不同的NPG信息，而舰船、战斗等其他平台按照自身作战任务只需参与1～2个NPG的信息交互。

4.1.2多个网络应用场景

多个网络是指在同一区域工作的多个网络，每个网络具有相对独立的任务，由于美军采用外部时间基准入网，各个区域的网络具备相同的时间同步。各网络还具有相同的网络规划和不同的消息加密变量，任务网络中均有自己的专属作战成员，在相邻的区域中则有公共成员[6]。如图5所示，利用并行多网接收功能，公共成员可以参与到两个不同的Link-16网络中进行消息的交互和转发，减少了对卫星中继的依赖。最大能力情况下，以监视类信息为例，平台可以接收四个区域的监视类信息。

4.2 CCR

CCR功能是指在单网的同一时隙接收不同端机的多条消息，尽管每个接收通道设置的跳扩频图样相同，但由于发送消息的各个平台与接收平台的距离不同，使得每条消息的到达时间不同，依赖到达时间差实现对多条消息的依次接收，一般用于竞争接入模式的时隙。例如，飞机编队间进行战术协同时，可以有效避免时隙竞争冲突的问题，有效提高作战飞机编队间协同的高效性。飞机作战应用中的示意图如图6所示。

不具备CCR功能时，如图6所示，飞机在竞争时隙仅能接收到距离最近的飞机发送的消息；利用并行接收，飞机可同时接收多个距离较近飞机的多条消息，提高了竞争接入成功的概率，使争用同一个时隙接入用户的数量提升到最高四倍，这种方式在不影响整个网络容量的情况下能够实现更快的战斗机—战斗机更新或PPLI消息。

4.3 并行组合多路接收

并行组合多路接收是指具备CMN和CCR能力的端机能够在同一时隙接收至多四条任意组合的Link-16消息。支持端机根据网络规划和任务实际需求切换选择最佳的接收组合。并行组合多路接收根据参与的方式共有如下五种组合方式：

1）端机可以同时参与四个网络，每个网络可以进行一条消息的交换，此时为CMN的典型应用；

2）端机可以同时参与三个网络，其中在一个网络并行竞争接收两条消息，其余两个网络参与各一条消息的交换，此时为并行组合多路接收应用方式；

3）端机可以同时参与两个网络，分别在其中一个网络并行竞争接收两条消息，此时为并行组合多路接收应用方式；

4）端机可以同时参与两个网络，其中在一个网络并行竞争接收三条消息，其余一个网络进行一条消息的交换，此时为并行组合多路接收应用方式；

5）端机只参与一个网络，并在网络中并行竞争接收四条消息，此时为CCR的典型应用方式。

CMR功能除了为战场上的士兵提供即时优势外，还为未来的人工智能集成铺平了道路。在美军将使用机器学习和人工智能预测紧急威胁或敌对势力的行为模式并传递给作战人员时，人工智能可以确定哪些信息与作战人员最为相关，并将其优先放入数据通道中，以确保这些信息尽快传入作战人员手中。CMR功能已开始奠定基础，使Link-16数据链具备支持人工智能和机器学习的通信基础功能。

5 结论

在充分了解外军数据链CMR功能应用现状和发展趋势的基础上，思考如下：

1）从顶层设计出发，统筹考虑设备的功能拓展实现方式和平台集成形式，形成一套科学合理、适合实际的技术解决方案，在兼容现役技术体制基础上，也应满足未来战术需求波形功能和多平台的拓展应用；

2）CMR功能的开发，应配套实施相关并行接收网络规划设计和数据记录的研究，合适的网络规划能充分发挥CMR的潜能，良好的数据记录分析和通过准确消息完成率的记录，是完成功能系统测试的关键因素；

3）充分参考外军的发展经验，除传统的频率资源增加、高速波形的递增研究外，还应从多场景的灵活运用、具体的技术实现、功能的试验验证等方面，系统地开展CMR的研究，实现对有限资源的最大化利用。

[1] Kenyon,Henry S. Expanding Link 16’s Reach throughConcurrent Multiple Reception[J]. Signal, 2019, 73(9):53-55.

[2] 梅文华，蔡善法. JTIDS/Link16数据链[M]. 北京：国防工业出版社，2007：66-67.

[3] 邱致和. 联合战术信息分布系统（JTIDS）及其发展[J].导航，1990（3）：1-18.

[4] Hura M. Multifunctional Information Distribution System (MIDS) Program Case Study [J]. Multifunctional Information Distribution System Program Case Study, 2000.

[5] Jacobson. Data and Messaging Systems-Multifunction Information Distribution System Joint Tactical Radio System (MIDS JTRS) Terminal [J]. C4ISR & Mission Systems: Joint & Common Equipment, 2020, 000 (5).

[6] 孙义明，杨丽萍. 信息化战争中的战术数据链[M]. 北京：国防工业出版社，2005：3-51.

Research on Concurrent Multiple Reception of Link-16 Data Link

FENG Teng, LU Zouchen

The development and composition of Concurrent Multiple Reception of the US are introduced in the paper, the key of the function and realization methods are analyzed, the organization and application mode under different scenarios are studied and the development idea of Concurrent Multiple Reception of data link according to the experience of the US is put forward.

Concurrent Multiple Reception; Slot; Capacity Expanding

TN919

A

1674-7976-(2022)-01-057-05

2021-12-21。

冯腾（1990.03—），山东邹城人，硕士，工程师，主要研究方向为数据链装备研制、系统论证和总体设计。