影響機間數據鏈組網協議設計的主要因素分析

張 沖1，呂 娜1，張岳彤1，李建朋1，楊錦熙

(1.空軍工程大學 電訊工程學院，西安 710077；2.南京軍區空軍通信總站，南京 210049)

數據鏈作為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實時傳輸戰術信息，是滿足作戰信息交換需求的有效手段[1]。美軍的機間數據鏈是一個復雜的通信組網系統，在編隊內戰機之間組成抗干擾低時延的局域網，以快速交換敵我瞬間態勢、友機狀態及武器控制參數等信息[2]。

信息優勢是現代戰爭制勝的先決條件[1],作為通信能力保障的機間數據鏈網絡的研究顯得十分迫切。本文圍繞戰場環境及作戰任務、網絡規模、消息的實時性4個方面詳細分析了影響組網協議中網絡拓撲的構建和多址接入方式設計的主要因素。

1 機間數據鏈組網協議

1.1 機間數據鏈組網協議設計目標

數據鏈組網協議指組建的作戰通信網絡所遵循的一系列通信規則。組網協議的設計首先是通信網絡形式的設計，即如何構建一個最佳的網絡拓撲結構；其次是組網通信協議的設計，以滿足網絡對作戰應用的支持，對于機間數據鏈網絡就是滿足編隊成員相互間高速抗干擾低時延的通信需求。組網通信協議的設計需要考慮數據鏈網絡分層模型中的多層通信協議。通常，數據鏈模型從技術層面分為應用層、處理層、建鏈層和物理層4層[1]，物理層主要實現數字信號的通信傳輸功能；建鏈層主要實現多址組網功能；處理層側重于消息的格式化處理；應用層生成多種戰術消息，實現作戰任務。物理層的信號傳輸功能采用傳輸設備實現，建鏈層的多址組網功能采用多址接入通信協議實現，處理層采用數據處理設備實現消息處理。在硬件設備(傳輸設備和處理設備)支持通信傳輸和信息處理需求的條件下，數據鏈網絡的性能主要由多址接入協議決定。

基于以上分析，機間數據鏈組網協議的設計目標是根據作戰應用需求構建最佳的網絡拓撲，并以此為基礎設計適當的多址接入協議，實現編隊內高速抗干擾低時延通信。

1.2 網絡拓撲結構

網絡拓撲結構是指網絡中各節點之間相互連接的形式，它是實現組網協議的基礎，直接關系到網絡整體性能和系統的靈活性及可靠性(見表1)。

表1 機間數據鏈網絡拓撲結構劃分及特點Table 1 Topology classification and characteristics of intra flight data link network

1.3 多址接入協議

多址接入協議控制節點適時接入無線信道，是戰術消息在信道上發送和接收的直接控制者。多址接入協議設計是否合理，對整個機間數據鏈網絡的性能起著決定性作用。傳統的多址接入方式，根據節點獲得信道的方式可以分為基于固定分配、基于隨機競爭和基于預約3類[3]。

(1)固定分配多址接入協議的優點是公平性較好，當網絡節點數目及業務負載較大時，能夠保證平均的傳輸時延，但具有網絡可拓展性和業務實時性較差及依賴有限固定資源等缺點；

(2)基于隨機競爭的協議中，節點的信息發送更具有自主性，網絡拓撲相對靈活，能較好地滿足實時性突發性比較強的業務，但協議性能隨著網絡節點數目和業務量的增加急劇惡化；

(3)基于預約分配的多址接入協議由于需要一個專用的控制信道供所有用戶以固定分配方式或競爭方式提出申請，因而信道利用率有所降低并可能出現上述兩種分配方式的問題。

2 機間數據鏈組網協議設計主要影響因素

文獻[2]指出，機間數據鏈網絡是編隊內飛機之間高速抗干擾低時延的無線局域網，低時延特性表明消息傳輸對實時性有一定要求。文獻[4]中指出，在無線局域網的組網設計中，無線環境的勘察是一個重要的環節，其中包括3個重要的因素：覆蓋范圍、用戶數量和使用目的。結合機間數據鏈網絡高速抗干擾低時延的特點，影響機間數據鏈網絡組網協議設計的主要因素有戰場環境、作戰區域、作戰任務。

2.1 戰場環境

戰場環境在機間數據鏈中主要是指戰場電磁環境。未來信息化戰爭中，由于電子干擾設備的大量使用，戰場電磁環境惡劣，要求機間數據鏈具有抗干擾能力；其次，需要低截獲概率的機間通信信號，以防止破壞隱形飛機的隱身特性。

為了提高抗干擾低截獲能力，傳統方式可以采用功率控制、擴跳頻及高效的編解碼技術等。而采用功率控制，減小發射功率，相應地會減小直接通信距離，網絡規模會有所限制。文獻[5]指出，采用多跳網絡能夠以較小的功率實現較大范圍的覆蓋。因此，機間數據鏈可以通過減小直接通信距離，采用多跳傳輸的網絡拓撲來提高抗干擾低截獲能力，而該多跳網絡可以是平面拓撲也可以是分層的拓撲。

美軍F-22A戰斗機具有良好的隱身性能，要求其機間數據鏈具有良好的低截獲能力來保證其隱身性能不會受到通信限制。文獻[6]指出，F-22A機間數據鏈(IFDL)采用發射小旁瓣波束的方法，對電磁波進行針狀窄波束精確控制，實現戰斗機之間的點對點通信。由于其主瓣寬度較小，方向在控制下不停變化，只有干擾源恰巧在其主瓣方向上時，才能對其造成有效干擾，因此也具有較強的抗干擾能力。但IFDL對天線技術有較高要求，由于使用了定向天線，IFDL采用了有別于傳統多址接入協議的空分多址接入協議。

2.2 作戰區域

作戰區域按照作戰距離的遠近分為本土防御和遠程作戰。本土防御時，空中編隊能夠得到己方地面或者空中的信息支持及火力支援，大型空中預警機和指揮機能夠得到安全保障，從而可以考慮以空中預警機和指揮機為中心，采用集中式網絡拓撲；而遠程作戰時，缺乏己方地面或空中信息支持和火力支援，大型空中預警機和指揮機的安全得不到保障，更多地依靠編隊成員機載探測設備獲取戰場信息和編隊成員之間的戰術協同，為了保證網絡的抗毀性，宜采用分布式網絡拓撲。

2.3 作戰任務

作戰任務面向應用層。文獻[3]指出，應用層僅完成自己的功能(特定應用規定的特定任務)，而其它層完成滿足不同應用要求的總任務中的一部分。因此，網絡拓撲及多址接入協議必須滿足一定的技術指標來支持應用層功能的實現。我們從以下方面進行分析。

2.3.1網絡規模

網絡規模是指網絡中包含的節點數目和網絡通信覆蓋范圍。現代戰爭中，根據不同的作戰任務采取不同的空戰規模：小規模空戰是編隊中各飛機的協同行動；大規模空戰通常是由預警機、殲擊機、電子戰飛機、高空偵察機和空中加油機等多機種進行的群體作戰以及與地面防空部隊的網絡化協同作戰。

小規模空戰中,網絡節點較少，網絡節點之間距離較近，相互之間均可實現直接通信。在滿足高速抗干擾低時延通信需求的基本條件下，根據不同作戰任務，可以靈活采用適當的網絡拓撲和多址接入方式。譬如美軍F/A-22 16機編隊機間數據鏈中，4機編隊之間的標準間距為16 km，根據不同的作戰任務，有兩種網絡拓撲：超視距空戰編隊(圖1)和攔截編隊(圖2)[6]。兩種網絡拓撲均采用分層結構，每4機編隊組成一個簇，每個簇有一個簇頭，簇頭組成上層網絡。在超視距空戰編隊中，簇頭之間組成全連通的分布式網絡，而攔截編隊中，簇頭之間組成多跳傳輸網絡。

圖1 F-22 IFDL超視距空戰編隊Fig.1 F-22 IFDL BVR combat formation

圖2 F-22 IFDL攔截編隊Fig.2 F-22 IFDL intercept formation

大規模空戰中，網絡節點較多，網絡覆蓋范圍較大,例如在美軍戰術瞄準網絡技術(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)中，平臺之間最大的間隔距離可達555 km[1]，從技術實現難易程度和通信需求上都沒必要實現所有節點之間的直接通信。文獻[7]顯示TTNT網絡拓撲是一種層次化結構。文獻[5]指出，分層結構網絡規模不受限制，可以通過增加簇的個數或網絡的層數來提高網絡容量。與小規模網絡的分層結構不同的是，大規模網絡中，不僅網絡成員數目較多，而且參與成員類型多樣，因此大規模的分層網絡應該是異構的網絡，不同功能的網絡成員在一起組成底層的不同簇。由于分層結構結合了無中心和有中心模式，在每個簇內都可以采用集中式的TDMA、CDMA、輪詢等多址接入協議或分布式的TDMA、CSMA協議。上述分析說明：未來大規模空戰宜采用分層網絡拓撲；大規模分層網絡可看成是以小規模分層網絡為基礎的拓展；不同任務的編隊組成不同簇；編隊之間可通過簇頭間多跳通信；編隊內部可以靈活采用適當的多址接入方式。

2.3.2消息的實時性

消息的實時性是衡量數據鏈性能的一個重要指標，是網絡服務質量(QoS)的一部分，具體反映為不同信息在網絡中傳輸的端到端時延。

文獻[2]指出，由于空中格斗的時間敏感度在秒級以下，信息傳輸的延遲不能高于50 ms。而多跳傳輸由于消息不能一次送達，對傳輸時延有更高要求。因此在構建機間數據鏈網絡拓撲時，必須保證高實時性的信息在一跳范圍內傳輸。因此，若在平面網絡中傳輸高實時性信息，必須采用全連通的平面網絡；而在分層網絡中傳輸高實時性信息，實時性要求最高的信息應處于最底層，即單個簇內，保證其在一跳范圍內傳輸。

滿足消息的實時性要求，除了網絡拓撲的構建，還應以網絡拓撲為基礎設計適當的多址接入協議。機間數據鏈傳輸的消息類型可分為告警信息、制導交接信息、指令控制信息、目標態勢信息及戰場態勢等信息，不同的信息對實時性有不同要求，必須優先考慮對實時性要求最高的業務。基于以上分析：如果網絡中所有信息對實時性都沒有高要求，可采用基于固定分配的多址接入協議；當傳輸消息對實時性要求較高時，若采用一跳全連通網絡拓撲，且節點數目較少，可采用基于固定分配的TDMA或基于競爭的CSMA協議；隨著節點數目的增多，宜將網絡分層，在簇內、簇頭之間靈活采用適當的多址接入協議。

2.3.3其它因素

作戰任務對組網協議設計的影響，除了上述兩個關鍵技術指標外，在某些情況下還需考慮網絡拓撲的靈活性、網絡業務的綜合性等。譬如：當編隊執行防空攔截任務時，需要規避敵方來襲導彈，或根據敵方來襲飛機數量，需要改變我方迎戰飛機數量，要求機間數據鏈網絡支持拓撲結構的靈活變化；當編隊執行對地攻擊任務時，需要高速的數據傳輸速率來傳輸圖像，甚至視頻信息實現對地目標的精確定位，要求多址接入協議同時支持低速和高速業務的QoS。

2.4 制約因素

以上是影響機間數據鏈組網協議設計的主要因素，除此之外，機間數據鏈組網協議的設計還要考慮兩個制約因素：

(1)現有技術條件。譬如是否有條件采用先進機載定向天線來提高機間數據鏈抗干擾低截獲能力；

(2)戰略需求。戰略需求面向應用層，不同的戰略需求要求機間數據鏈實現不同的應用功能。對于美軍來說，戰略需求是確保其全球霸主的地位，機間數據鏈需要支持其空軍全球快速到達、超視距精確打擊等。

3 機間數據鏈組網協議設計

基于以上考慮，機間數據鏈網絡組網協議的設計是一個多輸入的、復雜的、系統的過程(圖3)。輸入參數為戰場環境、作戰區域、作戰任務3個影響因素，以及現有技術條件和戰略需求2個制約參數。根據第2節的分析，可能會輸出多個網絡拓撲構建及多址接入協議設計方案。針對輸出的多個方案，借助仿真工具，如OPENT Modeler，運行仿真程序模仿通信網絡的運行過程，對比各方案的通信網絡性能指標，選擇出最佳的組網方案。

圖3 機間數據鏈組網協議設計思路Fig.3 Design idea of IFDL networking protocol

圖3中，機間數據鏈組網協議生成模塊的設計流程圖如圖4所示，其中假設戰場電磁環境較為惡劣，所有方案均需要考慮抗干擾低截獲能力。當現有技術條件支持先進機載定向天線及高效的對準跟蹤算法時，所有節點之間實現點對點通信，能較好滿足消息的實時性，但機載能力有限，天線形成的窄波束個數也有限，因此需要考慮網絡規模的大小。當現有技術條件不允許采用定向天線時，考慮作戰區域和作戰任務對機間數據鏈組網協議設計影響的同時，采用傳統的擴跳頻、功率控制等方法來提高抗干擾低截獲能力。

圖4 機間數據鏈組網協議設計流程Fig.4 Design cycle of IFDL networking protocol

4 結束語

機間數據鏈對于提高編隊的作戰效能具有重要的作用。隨著未來戰爭對于信息的依賴性逐漸增強，制信息權顯得格外重要，而先進的機間數據鏈為戰術信息在編隊內或編隊間高速、無誤、隱蔽的傳輸提供了重要的保障。

隨著新型隱形飛機的投入使用，未來機間數據鏈應朝著抗干擾、低截獲、大容量、高速率、網絡拓撲更加靈活的方向發展。定向天線相對于全向天線具有更好的抗干擾低截獲能力，因此未來機間數據鏈網絡應該朝著采用先進的機載定向天線及高效的天線對準及跟蹤算法的方向發展，在先進的機載定向天線的基礎上，需要改進現有的網絡拓撲結構及多址接入方式。

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