趙 琪,毛玉泉,任 浩

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077）

直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的輪詢組網(wǎng)方式分析

趙 琪,毛玉泉,任 浩

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077）

輪詢組網(wǎng)方式對(duì)直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的通信性能有著重要的影響。通過借鑒Link-22數(shù)據(jù)鏈的多鏈路思想,提出了一種多鏈路輪詢組網(wǎng)方式,并對(duì)其系統(tǒng)組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和討論。最后通過OPNET建模仿真驗(yàn)證了這種組網(wǎng)方式可以有效提高直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的通信性能。

直升機(jī)作戰(zhàn);戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈;多鏈路;輪詢組網(wǎng)

直升機(jī)以低空、超低空為主要作戰(zhàn)區(qū)域,具有較強(qiáng)的空中攻擊、空中機(jī)動(dòng)和空中保障能力,是合成軍隊(duì)實(shí)施立體、全縱深、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的重要力量[1,2]。

為了適應(yīng)直升機(jī)作戰(zhàn)范圍廣泛、作戰(zhàn)方式靈活多樣的特點(diǎn),直升機(jī)需要及時(shí)獲取大量的戰(zhàn)場態(tài)勢消息和指令消息等,而傳統(tǒng)的話音通信很難滿足大量消息的實(shí)時(shí)傳遞。通過在直升機(jī)上加裝戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,可以使戰(zhàn)場態(tài)勢和指令等戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息按照規(guī)定的格式實(shí)時(shí)、自動(dòng)、保密地傳輸和交換,從而實(shí)現(xiàn)信息資源共享,提高直升機(jī)快速反應(yīng)能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力,最大限度地發(fā)揮直升機(jī)的作戰(zhàn)效能。

在直升機(jī)的作戰(zhàn)過程中,地面指揮所指揮引導(dǎo)所有參戰(zhàn)直升機(jī),并向其發(fā)送戰(zhàn)場態(tài)勢消息和各種指令消息,發(fā)送的數(shù)據(jù)量較大;而直升機(jī)主要發(fā)送指令應(yīng)答消息和直升機(jī)狀態(tài)回傳消息,發(fā)送的數(shù)據(jù)量較少,這種結(jié)構(gòu)比較適合采用輪詢組網(wǎng)方式[3,4]。輪詢組網(wǎng)方式?jīng)Q定了直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)工作方式,進(jìn)而決定了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、吞吐量等重要參數(shù),對(duì)直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的通信性能有著重要影響。

1 現(xiàn)有的輪詢組網(wǎng)方式分析

1.1 單網(wǎng)輪詢

在單網(wǎng)輪詢組網(wǎng)方式中,指定一個(gè)入網(wǎng)單元為網(wǎng)絡(luò)控制站（或稱主站,一般為地面指揮所）,其它入網(wǎng)單元為前哨站（或稱從站,一般為各型直升機(jī)）。每個(gè)入網(wǎng)單元都分配一個(gè)唯一的地址,并且它們采用時(shí)分復(fù)用的方式共用一個(gè)工作頻率。單網(wǎng)輪詢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單網(wǎng)輪詢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The network structure of single network poll

主站根據(jù)各從站的地址建立一個(gè)輪詢順序表,依次詢問從站是否有消息需要發(fā)送,此時(shí)所有的從站處于接收狀態(tài)并接收主站發(fā)送的詢問包,該詢問包中含有被詢問從站的地址以及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息[5]。

當(dāng)從站識(shí)別出自己的地址與詢問包中的輪詢地址相同時(shí),則切換到發(fā)送狀態(tài)并發(fā)送包含戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息的應(yīng)答包,主站和其它從站都要接收該應(yīng)答包并提取利用其中共享的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)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(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息。

主站接收到從站的應(yīng)答包后,繼續(xù)詢問下一個(gè)從站,而從站則繼續(xù)重復(fù)前述操作,這一過程不斷重復(fù),直到所有從站都被詢問到為止,就算完成了一個(gè)輪詢周期,而該輪詢周期自動(dòng)重復(fù),直到通信結(jié)束。

1.2 多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢

單網(wǎng)輪詢組網(wǎng)方式比較簡單,容易實(shí)現(xiàn)。但是隨著戰(zhàn)爭的樣式和空間不斷發(fā)展變化,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也隨之?dāng)U大,通信節(jié)點(diǎn)越來越多,通信要求也越來越高。若仍然采用由一個(gè)主站輪詢各從站的單網(wǎng)方式,顯然會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間,這樣通信的實(shí)時(shí)性無法得到保障。而通過采用多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢組網(wǎng)方式,能夠較好地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)容量和滿足較高的實(shí)時(shí)性[6,7]。

在多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢組網(wǎng)方式中,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由主網(wǎng)和多個(gè)子網(wǎng)組成,地面指揮所與長機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為主網(wǎng),各長機(jī)與編隊(duì)內(nèi)僚機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為子網(wǎng)。其中地面指揮所稱為主站,負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理控制。長機(jī)稱為次主站,它在網(wǎng)絡(luò)中具有雙重身份,從邏輯上講它既是各子網(wǎng)中的主站,也是主網(wǎng)中的從站。僚機(jī)稱為從站,工作在子網(wǎng)頻率上,它可以通過次主站與主站聯(lián)系。主網(wǎng)與子網(wǎng)、子網(wǎng)與子網(wǎng)之間使用的工作頻率各不相同。多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 The network structure of cascade connected multi-network poll

網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后,首先是進(jìn)行主網(wǎng)輪詢,即主站對(duì)各個(gè)次主站進(jìn)行輪詢,其過程與單網(wǎng)輪詢類似,此時(shí)從站在各自的子網(wǎng)頻率上處于等待狀態(tài)。當(dāng)主網(wǎng)輪詢完畢之后,次主站切換到各自的子網(wǎng)頻率上開始對(duì)子網(wǎng)內(nèi)的從站進(jìn)行輪詢,子網(wǎng)內(nèi)部的輪詢過程也與單網(wǎng)輪詢類似,而此時(shí)主站處于等待狀態(tài)。各個(gè)子網(wǎng)并行輪詢完畢之后,次主站再都回到主網(wǎng)頻率上,主站開始新的輪詢周期。

2 多鏈路輪詢

為了進(jìn)一步提高直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的通信性能,提出了多鏈路輪詢組網(wǎng)方式。多鏈路輪詢組網(wǎng)方式主要借鑒了Link-22構(gòu)建多鏈路網(wǎng)絡(luò)的思想。Link-22是一種抗電子干擾、保密可靠、靈活機(jī)動(dòng)的中速率戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,旨在以低費(fèi)用更新美軍于20世紀(jì)60年代研發(fā)的Link-11,最終取代Link-11和補(bǔ)充完善Link-16。

2.1 多鏈路輪詢的系統(tǒng)組成

在多鏈路輪詢組網(wǎng)方式中,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元可同時(shí)最多提供4對(duì)無線收發(fā)鏈路,即可同時(shí)接入4個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)單元的組成配置如圖3所示。

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

網(wǎng)絡(luò)單元的邏輯功能模塊包括戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（TDS）、數(shù)據(jù)鏈處理器（DLP）、人機(jī)接口（HM I）、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器（SNC）、鏈路層通信安全（LLC）、信號(hào)處理控制器（SPC）及其無線收發(fā)設(shè)備和日時(shí)間基準(zhǔn)（TOD）[8]。

（1）戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

嚴(yán)格講應(yīng)屬于網(wǎng)絡(luò)單元的擴(kuò)展部分,它是消息傳輸?shù)膩碓春蜌w宿,其功能主要為:把戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息傳送給DLP、恢復(fù)和處理從DLP傳來的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息。

（2）數(shù)據(jù)鏈處理器

DLP是多鏈路輪詢系統(tǒng)的實(shí)際接口部件。它支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層功能,主要包括產(chǎn)生和構(gòu)造戰(zhàn)術(shù)消息、數(shù)據(jù)翻譯格式化處理和翻譯語法選擇。它還能與其它戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈接口,以便與它們進(jìn)行鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）人機(jī)接口

HMI子系統(tǒng)提供以下功能:控制、初始化和必要時(shí)重新初始化網(wǎng)絡(luò)操作方式、協(xié)議和無線電臺(tái);在網(wǎng)絡(luò)級(jí)和平臺(tái)級(jí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障隔離和故障診斷;平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)的管理及監(jiān)視。

（4）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器

SNC支持SPC配置和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。還支持消息投遞服務(wù),主要包括:消息尋址、消息時(shí)間印戳、消息中繼與路由、初始入網(wǎng)或傳輸入口。當(dāng)SNC發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)堵塞時(shí),它詢問DLP是否可以丟棄一些已過時(shí)的消息,以便減緩網(wǎng)絡(luò)的流量。

（5）鏈路層通信安全

LLC是保密安全設(shè)備,它最多支持SNC與4個(gè)SPC的接口服務(wù),最多支持4個(gè)網(wǎng)絡(luò)的并行操作。其主要功能為:對(duì)發(fā)送消息加密和接收消息解密、核實(shí)傳輸數(shù)據(jù)的完整性。

（6）信號(hào)處理控制器

SPC支持戰(zhàn)術(shù)報(bào)文分割與組合、轉(zhuǎn)發(fā)誤碼校正（FEC）、調(diào)制解調(diào)、無線收發(fā)配置和鏈路質(zhì)量反饋。

無線收發(fā)設(shè)備（數(shù)字電臺(tái)）支持網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)現(xiàn)無線電鏈路連結(jié)。網(wǎng)絡(luò)單元配備數(shù)字電臺(tái)的數(shù)量依據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而定。

2.2 多鏈路輪詢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

假設(shè)地面指揮所的多鏈路輪詢系統(tǒng)配備有一部超短波數(shù)字電臺(tái)和兩部短波數(shù)字電臺(tái),可提供3條數(shù)據(jù)鏈路,即地面指揮所可同時(shí)參與3個(gè)輪詢網(wǎng)絡(luò)并行操作;長機(jī)的多鏈路輪詢系統(tǒng)配備有兩部超短波數(shù)字電臺(tái)和一部短波數(shù)字電臺(tái),可提供3條數(shù)據(jù)鏈路,即長機(jī)可同時(shí)參與3個(gè)輪詢網(wǎng)絡(luò)并行操作;僚機(jī)的多鏈路輪詢系統(tǒng)中配備有一部超短波數(shù)字電臺(tái)和一部短波數(shù)字電臺(tái),可提供兩條數(shù)據(jù)鏈路,即僚機(jī)可同時(shí)參與兩個(gè)輪詢網(wǎng)絡(luò)并行操作。每個(gè)輪詢網(wǎng)絡(luò)的工作頻率各不相同,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多鏈路輪詢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The network structure of multilink poll

（1）主網(wǎng)

地面指揮所和各個(gè)長機(jī)組成主網(wǎng),地面指揮所在超短波和短波兩條鏈路上同時(shí)且獨(dú)立地對(duì)各個(gè)長機(jī)進(jìn)行輪詢,兩條鏈路的輪詢過程與單網(wǎng)輪詢類似。

由于超短波鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率較快,因而設(shè)置超短波鏈路的輪詢網(wǎng)絡(luò)主要用于發(fā)送數(shù)據(jù)量較大的戰(zhàn)場態(tài)勢消息。但在特殊需要情況下（例如當(dāng)短波信道質(zhì)量較差或被干擾時(shí)）,超短波鏈路的輪詢網(wǎng)絡(luò)也可以傳輸指令消息,以保障直升機(jī)作戰(zhàn)指揮的順暢;而短波鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率較慢,因而設(shè)置短波鏈路的輪詢網(wǎng)絡(luò)主要用于傳輸數(shù)據(jù)量較小的各種指令消息。但在特殊需要情況下（例如當(dāng)部分重要的戰(zhàn)場態(tài)勢消息需要特殊保障時(shí)）,短波鏈路的輪詢網(wǎng)絡(luò)也可以傳輸重要的戰(zhàn)場態(tài)勢消息,這樣重要的戰(zhàn)場態(tài)勢消息可同時(shí)在兩條鏈路上傳輸,相當(dāng)于增加了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）子網(wǎng)

長機(jī)和編隊(duì)內(nèi)的僚機(jī)組成子網(wǎng),長機(jī)在超短波鏈路上對(duì)僚機(jī)進(jìn)行輪詢,輪詢過程與單網(wǎng)輪詢類似。在該超短波鏈路上既傳輸戰(zhàn)場態(tài)勢消息也傳輸各種指令消息。

（3）主從網(wǎng)

地面指揮所和所有僚機(jī)組成主從網(wǎng),地面指揮所在短波鏈路上對(duì)所有僚機(jī)進(jìn)行輪詢,輪詢過程與單網(wǎng)輪詢類似。

該輪詢網(wǎng)絡(luò)主要用于地面指揮所給僚機(jī)傳輸少數(shù)的指令消息,提供了地面指揮所直接指揮引導(dǎo)僚機(jī)的通信機(jī)制,一方面可以有利于地面指揮所快速對(duì)僚機(jī)進(jìn)行指揮引導(dǎo)（不需要通過長機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)）,另一方面也增加了對(duì)僚機(jī)指揮引導(dǎo)的的可靠性（長機(jī)有可能在作戰(zhàn)過程中通信失效或被擊毀）。

3 仿真分析

本文采用OPNET[9-10]進(jìn)行仿真。網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)由地面主站和12架直升機(jī)組成。每4架直升機(jī)組成一個(gè)作戰(zhàn)編隊(duì),編號(hào)為{0,1,2,3}、{4,5,6,7}、{8,9,10,11}的直升機(jī)各組成一個(gè)編隊(duì),其中編號(hào)為0、4、8的直升機(jī)設(shè)定為編組內(nèi)的長機(jī),其余為僚機(jī)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)仿真模型Fig.5 The simulation model of network

假設(shè)這些直升機(jī)隨機(jī)分布在50 km×50 km的范圍內(nèi)進(jìn)行無線鏈路通信。地面主站和所有直升機(jī)的發(fā)射功率足夠大,其通信范圍滿足任何兩點(diǎn)都能進(jìn)行直接通信。底層物理鏈路采用無線收發(fā)信機(jī)的管道模型,在戰(zhàn)場帶寬受限的環(huán)境下,超短波鏈路的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率為10 kbit/s,短波鏈路的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率為1 kbit/s。

地面主站和次主站發(fā)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(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息（戰(zhàn)場態(tài)勢消息或指令消息）。由于戰(zhàn)場態(tài)勢消息更新率較高且數(shù)據(jù)量較大,其產(chǎn)生的時(shí)間間隔服從參數(shù)為1的指數(shù)分布,大小為225 bit;而指令消息產(chǎn)生的時(shí)間間隔服從參數(shù)為1的指數(shù)分布,大小為75 bit。從站發(fā)送的應(yīng)答包的格式也采用自定義的格式化包,其中含有指令應(yīng)答消息或直升機(jī)狀態(tài)回傳消息,但這兩種消息都是即時(shí)處理產(chǎn)生,其大小都設(shè)置為75 bit[11,12]。

仿真時(shí)間為1 000 s,種子數(shù)為128。

在相同的場景和條件下,分別實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢和多鏈路輪詢,通過收集統(tǒng)計(jì)結(jié)果（端到端平均時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量）來比較其通信性能。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 兩種輪詢網(wǎng)絡(luò)的端到端平均時(shí)延對(duì)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(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢組網(wǎng)方式下,端到端平均時(shí)延為0.9～1.0 s,而在多鏈路輪詢組網(wǎng)方式下,端到端平均時(shí)延為0.7～0.8 s。這主要是因?yàn)樵诙嗑W(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢時(shí),只有當(dāng)主網(wǎng)輪詢結(jié)束后,各子網(wǎng)才能開始工作,等到子網(wǎng)輪詢結(jié)束后,主網(wǎng)才能開始新的輪詢周期,從而影響了實(shí)時(shí)性,增大了端到端時(shí)延。而在多鏈路輪詢時(shí),主網(wǎng)、各個(gè)子網(wǎng)以及主從網(wǎng)3種輪詢網(wǎng)絡(luò)同時(shí)且獨(dú)立地并行運(yùn)行,因而可以使各網(wǎng)的輪詢周期大大縮減,端到端時(shí)延也隨之減小。

圖7 兩種輪詢網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量對(duì)比Fig.7 The comparison of average throughput between two poll networks

由圖7可以看出,在多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢組網(wǎng)方式下,網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量為16 kbit/s左右,而在多鏈路輪詢組網(wǎng)方式下,網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量為40 kbit/s左右。這主要是因?yàn)楹笳卟捎昧硕噫溌?可以使主網(wǎng)、各個(gè)子網(wǎng)以及主從網(wǎng)3種輪詢網(wǎng)絡(luò)同時(shí)且獨(dú)立地并行運(yùn)行,同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),這樣勢必會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

4 結(jié)束語

輪詢組網(wǎng)方式是一種比較成熟的組網(wǎng)協(xié)議,早期較為實(shí)用,也比較容易實(shí)現(xiàn),但是隨著戰(zhàn)爭樣式和規(guī)模的不斷發(fā)展變化,它在實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)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(jī)在信息化戰(zhàn)爭中更高的通信需求,因而必須通過對(duì)輪詢組網(wǎng)方式進(jìn)行改進(jìn)。本文通過借鑒Link-22數(shù)據(jù)鏈的多鏈路思想,提出了多鏈路輪詢組網(wǎng)方式,并且通過OPNET進(jìn)行了建模仿真,驗(yàn)證了多鏈路輪詢組網(wǎng)方式的可行性和有效性,為進(jìn)一步研究直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展提供了對(duì)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(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹娇諗?shù)據(jù)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(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檐娪脽o線抗干擾通信、航空數(shù)據(jù)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(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹娇諗?shù)據(jù)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.