直升機戰術數據鏈的輪詢組網方式分析

趙 琪,毛玉泉,任 浩

（空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077）

直升機戰術數據鏈的輪詢組網方式分析

趙 琪,毛玉泉,任 浩

（空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077）

輪詢組網方式對直升機戰術數據鏈的通信性能有著重要的影響。通過借鑒Link-22數據鏈的多鏈路思想,提出了一種多鏈路輪詢組網方式,并對其系統組成和網絡結構進行了分析和討論。最后通過OPNET建模仿真驗證了這種組網方式可以有效提高直升機戰術數據鏈的通信性能。

直升機作戰;戰術數據鏈;多鏈路;輪詢組網

直升機以低空、超低空為主要作戰區域,具有較強的空中攻擊、空中機動和空中保障能力,是合成軍隊實施立體、全縱深、機動作戰的重要力量[1,2]。

為了適應直升機作戰范圍廣泛、作戰方式靈活多樣的特點,直升機需要及時獲取大量的戰場態勢消息和指令消息等,而傳統的話音通信很難滿足大量消息的實時傳遞。通過在直升機上加裝戰術數據鏈,可以使戰場態勢和指令等戰術數據消息按照規定的格式實時、自動、保密地傳輸和交換,從而實現信息資源共享,提高直升機快速反應能力和協同作戰能力,最大限度地發揮直升機的作戰效能。

在直升機的作戰過程中,地面指揮所指揮引導所有參戰直升機,并向其發送戰場態勢消息和各種指令消息,發送的數據量較大;而直升機主要發送指令應答消息和直升機狀態回傳消息,發送的數據量較少,這種結構比較適合采用輪詢組網方式[3,4]。輪詢組網方式決定了直升機戰術數據鏈的網絡工作方式,進而決定了網絡的時延、吞吐量等重要參數,對直升機戰術數據鏈的通信性能有著重要影響。

1 現有的輪詢組網方式分析

1.1 單網輪詢

在單網輪詢組網方式中,指定一個入網單元為網絡控制站（或稱主站,一般為地面指揮所）,其它入網單元為前哨站（或稱從站,一般為各型直升機）。每個入網單元都分配一個唯一的地址,并且它們采用時分復用的方式共用一個工作頻率。單網輪詢的網絡結構如圖1所示。

圖1 單網輪詢的網絡結構Fig.1 The network structure of single network poll

主站根據各從站的地址建立一個輪詢順序表,依次詢問從站是否有消息需要發送,此時所有的從站處于接收狀態并接收主站發送的詢問包,該詢問包中含有被詢問從站的地址以及戰術數據消息[5]。

當從站識別出自己的地址與詢問包中的輪詢地址相同時,則切換到發送狀態并發送包含戰術數據消息的應答包,主站和其它從站都要接收該應答包并提取利用其中共享的戰術數據消息;如果從站的地址與輪詢地址不同,則其只接收詢問包并提取利用其中共享的戰術數據消息。

主站接收到從站的應答包后,繼續詢問下一個從站,而從站則繼續重復前述操作,這一過程不斷重復,直到所有從站都被詢問到為止,就算完成了一個輪詢周期,而該輪詢周期自動重復,直到通信結束。

1.2 多網級聯輪詢

單網輪詢組網方式比較簡單,容易實現。但是隨著戰爭的樣式和空間不斷發展變化,網絡規模也隨之擴大,通信節點越來越多,通信要求也越來越高。若仍然采用由一個主站輪詢各從站的單網方式,顯然會大大增加網絡循環時間,這樣通信的實時性無法得到保障。而通過采用多網級聯輪詢組網方式,能夠較好地擴大系統容量和滿足較高的實時性[6,7]。

在多網級聯輪詢組網方式中,網絡結構由主網和多個子網組成,地面指揮所與長機組成的網絡稱為主網,各長機與編隊內僚機組成的網絡稱為子網。其中地面指揮所稱為主站,負責對整個網絡進行管理控制。長機稱為次主站,它在網絡中具有雙重身份,從邏輯上講它既是各子網中的主站,也是主網中的從站。僚機稱為從站,工作在子網頻率上,它可以通過次主站與主站聯系。主網與子網、子網與子網之間使用的工作頻率各不相同。多網級聯輪詢網絡結構如圖2所示。

圖2 多網級聯輪詢的網絡結構Fig.2 The network structure of cascade connected multi-network poll

網絡初始化完成之后,首先是進行主網輪詢,即主站對各個次主站進行輪詢,其過程與單網輪詢類似,此時從站在各自的子網頻率上處于等待狀態。當主網輪詢完畢之后,次主站切換到各自的子網頻率上開始對子網內的從站進行輪詢,子網內部的輪詢過程也與單網輪詢類似,而此時主站處于等待狀態。各個子網并行輪詢完畢之后,次主站再都回到主網頻率上,主站開始新的輪詢周期。

2 多鏈路輪詢

為了進一步提高直升機戰術數據鏈的通信性能,提出了多鏈路輪詢組網方式。多鏈路輪詢組網方式主要借鑒了Link-22構建多鏈路網絡的思想。Link-22是一種抗電子干擾、保密可靠、靈活機動的中速率戰術數據鏈,旨在以低費用更新美軍于20世紀60年代研發的Link-11,最終取代Link-11和補充完善Link-16。

2.1 多鏈路輪詢的系統組成

在多鏈路輪詢組網方式中,每個網絡單元可同時最多提供4對無線收發鏈路,即可同時接入4個網絡。網絡單元的組成配置如圖3所示。

圖3 多鏈路輪詢的系統組成Fig.3 The system composition of mu ltilink poll

網絡單元的邏輯功能模塊包括戰術數據系統（TDS）、數據鏈處理器（DLP）、人機接口（HM I）、系統網絡控制器（SNC）、鏈路層通信安全（LLC）、信號處理控制器（SPC）及其無線收發設備和日時間基準（TOD）[8]。

（1）戰術數據系統

嚴格講應屬于網絡單元的擴展部分,它是消息傳輸的來源和歸宿,其功能主要為:把戰術數據消息傳送給DLP、恢復和處理從DLP傳來的戰術數據消息。

（2）數據鏈處理器

DLP是多鏈路輪詢系統的實際接口部件。它支持網絡應用層功能,主要包括產生和構造戰術消息、數據翻譯格式化處理和翻譯語法選擇。它還能與其它戰術數據鏈接口,以便與它們進行鏈路數據轉發。

（3）人機接口

HMI子系統提供以下功能:控制、初始化和必要時重新初始化網絡操作方式、協議和無線電臺;在網絡級和平臺級對系統進行故障隔離和故障診斷;平臺和網絡的管理及監視。

（4）系統網絡控制器

SNC支持SPC配置和網絡協議。還支持消息投遞服務,主要包括:消息尋址、消息時間印戳、消息中繼與路由、初始入網或傳輸入口。當SNC發現網絡出現堵塞時,它詢問DLP是否可以丟棄一些已過時的消息,以便減緩網絡的流量。

（5）鏈路層通信安全

LLC是保密安全設備,它最多支持SNC與4個SPC的接口服務,最多支持4個網絡的并行操作。其主要功能為:對發送消息加密和接收消息解密、核實傳輸數據的完整性。

（6）信號處理控制器

SPC支持戰術報文分割與組合、轉發誤碼校正（FEC）、調制解調、無線收發配置和鏈路質量反饋。

無線收發設備（數字電臺）支持網絡單元實現無線電鏈路連結。網絡單元配備數字電臺的數量依據具體的網絡結構而定。

2.2 多鏈路輪詢的網絡結構

假設地面指揮所的多鏈路輪詢系統配備有一部超短波數字電臺和兩部短波數字電臺,可提供3條數據鏈路,即地面指揮所可同時參與3個輪詢網絡并行操作;長機的多鏈路輪詢系統配備有兩部超短波數字電臺和一部短波數字電臺,可提供3條數據鏈路,即長機可同時參與3個輪詢網絡并行操作;僚機的多鏈路輪詢系統中配備有一部超短波數字電臺和一部短波數字電臺,可提供兩條數據鏈路,即僚機可同時參與兩個輪詢網絡并行操作。每個輪詢網絡的工作頻率各不相同,其網絡結構如圖4所示。

圖4 多鏈路輪詢的網絡結構Fig.4 The network structure of multilink poll

（1）主網

地面指揮所和各個長機組成主網,地面指揮所在超短波和短波兩條鏈路上同時且獨立地對各個長機進行輪詢,兩條鏈路的輪詢過程與單網輪詢類似。

由于超短波鏈路的數據傳輸速率較快,因而設置超短波鏈路的輪詢網絡主要用于發送數據量較大的戰場態勢消息。但在特殊需要情況下（例如當短波信道質量較差或被干擾時）,超短波鏈路的輪詢網絡也可以傳輸指令消息,以保障直升機作戰指揮的順暢;而短波鏈路的數據傳輸速率較慢,因而設置短波鏈路的輪詢網絡主要用于傳輸數據量較小的各種指令消息。但在特殊需要情況下（例如當部分重要的戰場態勢消息需要特殊保障時）,短波鏈路的輪詢網絡也可以傳輸重要的戰場態勢消息,這樣重要的戰場態勢消息可同時在兩條鏈路上傳輸,相當于增加了傳輸的可靠性。

（2）子網

長機和編隊內的僚機組成子網,長機在超短波鏈路上對僚機進行輪詢,輪詢過程與單網輪詢類似。在該超短波鏈路上既傳輸戰場態勢消息也傳輸各種指令消息。

（3）主從網

地面指揮所和所有僚機組成主從網,地面指揮所在短波鏈路上對所有僚機進行輪詢,輪詢過程與單網輪詢類似。

該輪詢網絡主要用于地面指揮所給僚機傳輸少數的指令消息,提供了地面指揮所直接指揮引導僚機的通信機制,一方面可以有利于地面指揮所快速對僚機進行指揮引導（不需要通過長機轉發）,另一方面也增加了對僚機指揮引導的的可靠性（長機有可能在作戰過程中通信失效或被擊毀）。

3 仿真分析

本文采用OPNET[9-10]進行仿真。網絡仿真模型如圖5所示,網絡由地面主站和12架直升機組成。每4架直升機組成一個作戰編隊,編號為{0,1,2,3}、{4,5,6,7}、{8,9,10,11}的直升機各組成一個編隊,其中編號為0、4、8的直升機設定為編組內的長機,其余為僚機。

圖5 網絡仿真模型Fig.5 The simulation model of network

假設這些直升機隨機分布在50 km×50 km的范圍內進行無線鏈路通信。地面主站和所有直升機的發射功率足夠大,其通信范圍滿足任何兩點都能進行直接通信。底層物理鏈路采用無線收發信機的管道模型,在戰場帶寬受限的環境下,超短波鏈路的用戶數據傳輸速率為10 kbit/s,短波鏈路的用戶數據傳輸速率為1 kbit/s。

地面主站和次主站發送的詢問包的格式采用自定義的格式化包,其中含有輪詢地址和多條戰術數據消息（戰場態勢消息或指令消息）。由于戰場態勢消息更新率較高且數據量較大,其產生的時間間隔服從參數為1的指數分布,大小為225 bit;而指令消息產生的時間間隔服從參數為1的指數分布,大小為75 bit。從站發送的應答包的格式也采用自定義的格式化包,其中含有指令應答消息或直升機狀態回傳消息,但這兩種消息都是即時處理產生,其大小都設置為75 bit[11,12]。

仿真時間為1 000 s,種子數為128。

在相同的場景和條件下,分別實現多網級聯輪詢和多鏈路輪詢,通過收集統計結果（端到端平均時延、網絡平均吞吐量）來比較其通信性能。仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6 兩種輪詢網絡的端到端平均時延對比Fig.6 The comparison of average end-to-end delay between two poll networks

由圖6可以看出,在多網級聯輪詢組網方式下,端到端平均時延為0.9～1.0 s,而在多鏈路輪詢組網方式下,端到端平均時延為0.7～0.8 s。這主要是因為在多網級聯輪詢時,只有當主網輪詢結束后,各子網才能開始工作,等到子網輪詢結束后,主網才能開始新的輪詢周期,從而影響了實時性,增大了端到端時延。而在多鏈路輪詢時,主網、各個子網以及主從網3種輪詢網絡同時且獨立地并行運行,因而可以使各網的輪詢周期大大縮減,端到端時延也隨之減小。

圖7 兩種輪詢網絡的平均吞吐量對比Fig.7 The comparison of average throughput between two poll networks

由圖7可以看出,在多網級聯輪詢組網方式下,網絡的平均吞吐量為16 kbit/s左右,而在多鏈路輪詢組網方式下,網絡的平均吞吐量為40 kbit/s左右。這主要是因為后者采用了多鏈路,可以使主網、各個子網以及主從網3種輪詢網絡同時且獨立地并行運行,同時發送數據,這樣勢必會增加網絡的吞吐量。

4 結束語

輪詢組網方式是一種比較成熟的組網協議,早期較為實用,也比較容易實現,但是隨著戰爭樣式和規模的不斷發展變化,它在實時性、系統容量和傳輸效率等方面都存在著一些不足。為了滿足直升機在信息化戰爭中更高的通信需求,因而必須通過對輪詢組網方式進行改進。本文通過借鑒Link-22數據鏈的多鏈路思想,提出了多鏈路輪詢組網方式,并且通過OPNET進行了建模仿真,驗證了多鏈路輪詢組網方式的可行性和有效性,為進一步研究直升機戰術數據鏈的發展提供了對比和參考。

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Poll Network M ode Analysis of Tactical Data Link for Helicopter

ZHAO Qi,MAO Yu-quan,REN Hao
（The Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China）

The poll network mode has a great influence on the communication performance of tactical data link（TDL）for helicopter.Taking examples from multilink concept of Link-22 data link,a new poll network mode based on the multilink is proposed,its system composition and network structure are analysed and discussed.Finally,OPNET simulation proves that this network mode can improve the communication performance of TDL for helicopter.

helicopter combat;tactical data link（TDL）;multilink;poll network

TN915.01;V243.1

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.002

1001-893X（2010）11-0005-05

2010-07-15;

2010-09-02

趙 琪（1985-）,男,河北衡水人,2008年于空軍工程大學獲學士學位,現為碩士研究生,主要研究方向為航空數據鏈;

ZHAO Qi was born in Hengshui,Hebei Province,in 1985.He

the B.S.degree from Air Force Engineering University（AFEU）in 2008.He is now a graduate student.H is research direction is aviation data link.

Email:zq2157122@163.com

毛玉泉（1961-）,男,陜西西安人,副教授、碩士生導師,主要研究方向為軍用無線抗干擾通信、航空數據鏈;

MAO Yu-quan was born in Xi′an,Shaanxi Province,in 1961.He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research direction is millitary wireless antijamm ing communication and aviation data link.

任 浩（1985-）,男,江蘇金壇人,2008年于空軍工程大學獲學士學位,現為碩士研究生,主要研究方向為航空數據鏈。

REN Hao was born in Jintan,Jiangsu Province,in 1985.He received the B.S.degree from AFEU in 2008.He is now a graduate student.His research direction is aviation data link.