楊志飛 劉春茂 王曉攀 虞 銀

(63888部隊 濟源 454650)

1 引言

Link16數(shù)據(jù)鏈是美軍現(xiàn)役的主要數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),它采用J序列格式報文,是一種時分多址(TDMA)的具有跳頻、擴頻抗干擾能力的數(shù)據(jù)通信鏈路,終端被稱為 JTIDS(聯(lián)合戰(zhàn)術信息分配系統(tǒng))[1]。網(wǎng)絡同步是數(shù)字通信網(wǎng)正常工作的前提,Link16數(shù)據(jù)鏈必須使網(wǎng)絡單元工作在同一時基上才能以TDMA方式組網(wǎng)、按時隙收發(fā)信息,離開網(wǎng)絡的單個Link16數(shù)據(jù)鏈終端毫無價值。因此,研究Link16數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡同步算法具有十分重要的意義。

本文分析了Link16數(shù)據(jù)鏈現(xiàn)有的網(wǎng)絡同步算法,針對其NTR(Net Time Reference)終端在戰(zhàn)場上被干擾后易使網(wǎng)絡癱瘓的弊端提出了改進算法,新的算法既能滿足網(wǎng)絡同步的時隙精度要求又有較好的抗干擾性,并且在數(shù)學上證明了算法的收斂性。

2 Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的同步算法

Link16數(shù)據(jù)鏈采用時分多址(TDMA)接入方式,因此首先要使網(wǎng)絡中所有終端的時隙起始位置都收斂到同一個時刻,然后通過時延保護來克服無線信道的傳輸時延,就可以實現(xiàn)TDMA系統(tǒng)的時隙同步[2]。

在實際應用中,同步過程分為粗同步和細同步兩部分。粗同步采用GPS校時的方法,各終端修改本地時間與系統(tǒng)時間一致,完成入網(wǎng),初步實現(xiàn)同步。這種方法可以精確地實現(xiàn)終端之間的時鐘同步,從而實現(xiàn)時隙的同步。但是采用GPS將導致數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對GPS授時系統(tǒng)的過分依賴,限制了其應用領域,比如GPS的天線受損時無法工作,而且一旦發(fā)生時鐘偏移,因為沒有基準,誤差的調(diào)整很難,不能動態(tài)地調(diào)整[3],所以Link16數(shù)據(jù)鏈只在各終端初始接入網(wǎng)絡時采用GPS校時。

細同步實現(xiàn)Link16數(shù)據(jù)鏈的同步維持。細同步的核心思想是:選取一臺時鐘頻率穩(wěn)定性比較好的Link16數(shù)據(jù)鏈終端用來作為整個網(wǎng)絡時間基準的網(wǎng)絡成員 NT R(Net Time Reference),它是Link16數(shù)據(jù)鏈中最近似于中心節(jié)點的終端。數(shù)據(jù)鏈正常工作時,NT R周期性地廣播包含系統(tǒng)時間的入網(wǎng)信息,方便其他終端動態(tài)的進出網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的精確時間同步是通過發(fā)送往返時間校準報文RTT(Round T rip Timing)實現(xiàn)的,其他非NTR終端周期性的向NTR終端發(fā)送詢問時間校準報文RTT-I,NT R廣播完入網(wǎng)信息以后,就轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),當它接收到要求精確時間校準終端發(fā)送的RTT-I消息后,立即在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)送一個回復時間校準報文RT T-R。RTT-I和RT T-R的發(fā)送和接收在一個時隙內(nèi)完成,本地終端通過分析發(fā)送和接收RTT消息信號的時間間隔來調(diào)整本地時隙的起始時間,實現(xiàn)精確的時隙校準。

圖1 Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡同步原理

Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的時隙長度為7.8125ms[4],其網(wǎng)絡同步的原理如下圖1所示。假設非NTR終端系統(tǒng)時間誤差使得時隙邊界延后δ ms,則時鐘誤差δ可由在NT R終端中的詢問報文到達時間TOAi、非NT R終端直接測出的應答報文到達時間TOAr、已知在本時隙內(nèi)4.275ms時準時發(fā)送應答報文這三個時間量計算出,如圖1所示。

圖中,往返計時詢問傳播時間tpi等于詢問到達時間 TOAi減去時間誤差δ,即:

往返計時應答傳播時間tpr加上4.275ms等于應答到達時間 TOAr減去誤差δ,即:

假設詢問報文與應答報文的傳播時間相同,則:

非NTR端加上時間誤差δ就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)時間,與網(wǎng)絡同步。

3 改進的Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)互同步算法

現(xiàn)有的Link 16數(shù)據(jù)鏈同步算法存在兩個缺陷。一是在Link 16數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡同步算法中假定了詢問報文與應答報文的傳播時間相同,但在實際環(huán)境中,由于戰(zhàn)場環(huán)境的變化及其復雜迅速,一般兩者并不相等,這樣就在同步的過程中產(chǎn)生了比較大的同步誤差。為改善應答報文與詢問報文傳播時間的不同對同步的影響,夏林英等[5]對戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的同步技術進行了改進,他在每個時隙多發(fā)一個回復報文,對兩次回復計算出來的時間誤差δ取均值,新的方案使同步性能有所改善,但其也給系統(tǒng)增加了額外負擔,并且沒有解決現(xiàn)有同步算法的第二個缺陷:即抗干擾性差,對NT R終端的干擾將導致整個數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡癱瘓。

圖2 改進的Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡同步原理

針對上面討論的現(xiàn)有Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)同步算法的兩個缺陷,本文提出了讓所有終端時隙互同步算法,主要思想如下:不再區(qū)分NTR終端和非NTR終端,通過網(wǎng)內(nèi)所有終端間時隙位置的相互調(diào)整,達到全網(wǎng)時隙起始時刻的收斂。

下面分兩個步驟來描述改進的Link16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡互同步算法。

在步驟2)中通過選取一組權值ak,k∈[1,N],(k≠j)來衡量各終端時隙修正值的信任度,網(wǎng)絡各終端通過相互之間的加權平均,可以使各終端的時隙修正值都能快速收斂到一個穩(wěn)定的位置,減小因個別終端的時隙位置偏差而引起整個Link16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡時隙位置的抖動。

4 網(wǎng)絡互同步算法的收斂性證明

式(7)中權值ak的選取關系到網(wǎng)絡時隙位置調(diào)整的收斂問題。每個權值ak的大小與本終端j對終端k的時隙位置的信任度有關。在終端j看來,若終端k的時間偏差值δjk相對于其他大多數(shù)相鄰終端的時間偏差值來說相差比較大,則終端j對終端k的時隙位置的信任度較低,相應的加權值ak取較小值;反之就取較大值。這樣,就可以避免因個別終端的時隙與網(wǎng)內(nèi)大多數(shù)終端的時隙位置偏差較大,而使網(wǎng)內(nèi)終端作大規(guī)模時隙位置調(diào)整,引起網(wǎng)絡不必要的時隙抖動,提高網(wǎng)絡時隙的抗干擾性能。所以,選擇一組好的加權值 ak,k∈[1,N],(k≠j),是保證網(wǎng)絡時隙收斂,提高整個網(wǎng)絡時隙穩(wěn)定度的重要前提。

第一次迭代后,根據(jù)式(11)和(12)修正兩個終端的初始時隙值:

5 結(jié)語

本文針對Link16數(shù)據(jù)鏈在網(wǎng)絡同步時,由于終端移動或傳輸介質(zhì)不穩(wěn)定導致時隙校準存在誤差和遭受同步干擾時抗毀性較差[6]兩個缺陷,提出了改進的網(wǎng)絡同步算法。新的算法既能滿足網(wǎng)絡同步的時隙精度要求又有較好的抗干擾性,并且在數(shù)學上證明了算法的收斂性。

[1]孫義明,楊麗萍.信息化戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈[M].北京:北京郵電大學出版社,2005

[2]Wei Zhu.TDMA frame synchronization of mobile stations using a radio clock signal for short range communications[C]//Proceedings of the 1994 IEEE 44th Vehicular Technology Conference,1994,3:1878～1882

[3]王可人.軍事通信系統(tǒng)[M].北京:解放軍出版社,1999:133～136

[4]帥國祥.Link16協(xié)議開發(fā)和關鍵技術研究[D].南京:東南大學,2008:11～12

[5]夏林英.戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡同步技術的改進方案[J].通信技術,2006:74～75

[6]包中華.基于同步的Link16干擾技術研究[J].艦船電子對抗,2007,30(2)