陳 曦，張世祥，田萬勇，唐 軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所通信事業(yè)部，陜西西安 710071)

近年來，在阿富汗、伊拉克等地區(qū)進(jìn)行的高機(jī)動軍事行動，使得美軍和英軍越來越依靠互聯(lián)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N可以在不同軍兵種、不同的指揮控制平臺和武器平臺間，為交互監(jiān)視控制信息進(jìn)行通信、導(dǎo)航和識別的系統(tǒng)。其具備一套完整的通信設(shè)施，包括所使用的設(shè)備、協(xié)議和消息標(biāo)準(zhǔn)等，是數(shù)據(jù)通信技術(shù)在軍事方面的典型應(yīng)用，它的出現(xiàn)大幅增強(qiáng)了從信息獲取、處理、傳輸?shù)阶鲬?zhàn)平臺的信息鉸鏈能力。其中，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的重要組成部分，對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)、監(jiān)視部隊當(dāng)前位置與戰(zhàn)場狀況、控制并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常操作。戰(zhàn)術(shù)指揮官可以通過數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)不斷修改作戰(zhàn)參數(shù)以適應(yīng)作戰(zhàn)變化，從而使其指揮與控制網(wǎng)保持最佳性能和狀態(tài)［1］。而在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，接入方式?jīng)Q定了網(wǎng)內(nèi)成員如何共享無線網(wǎng)絡(luò)資源。目前現(xiàn)有的外軍數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，大多采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)作為接入控制算法。TDMA的突發(fā)通信模式具有良好的抗截獲和抗干擾能力，但同時也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定，動態(tài)接入實現(xiàn)困難等缺點。現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性決定了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈時隙分配算法的多樣性，而接入控制算法的優(yōu)劣很大程度上影響了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的報文投遞率、傳輸時延、吞吐量等性能指標(biāo)。目前針對TDMA，有固定時隙分配、動態(tài)時隙分配等多種不同的實現(xiàn)機(jī)制，但還不存在一種分配協(xié)議可滿足所有的作戰(zhàn)需求。

1 數(shù)據(jù)鏈背景研究

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的研發(fā)與裝備始于20世紀(jì)50年代，其首先裝備于地面防空系統(tǒng)、海軍艦艇，而后逐步擴(kuò)展到空中作戰(zhàn)平臺。美軍50年代中期起用的SAGE半自動地面防空警備系統(tǒng)，率先在雷達(dá)指揮控制站點之間建立了點對點的數(shù)據(jù)鏈通信信道，使防空預(yù)警反應(yīng)時間從10 min縮短到約15 s。隨后，北約研制了點對點的Link－1數(shù)據(jù)鏈，其使得遍布?xì)W洲的84座大型地面雷達(dá)站之間實現(xiàn)了信息的共享，形成整體預(yù)警能力;隨后，美軍在60年代開始研制HF(High Frequency)、UHF(Ultra High Frequency)頻段的 TADILA/Link－11數(shù)據(jù)鏈。Link－11采用輪訓(xùn)協(xié)議組網(wǎng)，主要供海軍艦艇之間、艦船與飛機(jī)之間、艦隊與岸上指揮機(jī)構(gòu)之間的信息交互;隨后，美軍研發(fā)了Link－4A數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，其采用FSK(Frequency Shift Keying)調(diào)制方式，使用指令－響應(yīng)協(xié)議以及TDM(Time Division Multiplex)時分復(fù)用技術(shù)，主要用于海軍對艦載飛機(jī)的指揮引導(dǎo);為實現(xiàn)三軍統(tǒng)一，并減少開支，美軍于1974年成立了 JTIDS(Joint Tactical Information Distribution System)聯(lián)合辦公室，開始研制具有抗干擾能力的TADILJ/Link－16數(shù)據(jù)鏈。Link－16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N雙向、高速、保密的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，其工作在960～1 215 MHz頻段，采用TDMA(Time Division Multiple Address)方式組網(wǎng)，具有跳擴(kuò)頻相結(jié)合的抗干擾方式。在Link－16的基礎(chǔ)上，通過對消息標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議的進(jìn)一步改進(jìn)，北約研發(fā)了Link－22數(shù)據(jù)鏈，也稱為北約組織改進(jìn)型11號鏈。Link－22號鏈在HF和UHF頻段上工作，主要用于海軍艦艇的數(shù)據(jù)傳輸［2］。

另一方面，前蘇聯(lián)于20世紀(jì)60年代初，裝備了工作于V/U頻段的АЛМ－4，其用于地面指揮所對戰(zhàn)斗機(jī)的指揮引導(dǎo)。60年代末，蘇聯(lián)又開發(fā)研制了СПК－68與СПК－75數(shù)據(jù)鏈，其工作在2 560～2 760 MHz頻段［3］。

1.1 數(shù)據(jù)鏈作用

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作用是保證現(xiàn)代戰(zhàn)場上信息分發(fā)、指揮與控制、武器協(xié)同的高效性，使得各個作戰(zhàn)單元之間能夠迅速交換、共享情報信息，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢的實時監(jiān)控，提高作戰(zhàn)平臺間協(xié)同作戰(zhàn)能力。

美國空軍對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈提出的系統(tǒng)要求是:在恰當(dāng)?shù)臅r間提供恰當(dāng)?shù)男畔?，并以恰?dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行分發(fā)和顯示。最終使得作戰(zhàn)人員就能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間、以恰當(dāng)?shù)姆绞健⑼瓿汕‘?dāng)?shù)淖鲬?zhàn)行動。也就是說，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的終極目標(biāo)是利用數(shù)據(jù)鏈所提供的通信信道與信息共享優(yōu)勢，增強(qiáng)作戰(zhàn)人員決策的準(zhǔn)確度，并加快決策的速度。因此，數(shù)據(jù)鏈作為軍隊指揮、控制與情報系統(tǒng)傳輸共享信息的工具和手段，是信息化作戰(zhàn)中的一種重要通信方式，其使得各級指揮中心、指揮所、各參戰(zhàn)部隊和武器平臺通過“數(shù)據(jù)鏈”系統(tǒng)鉸鏈在一起，構(gòu)成陸、海、空、天一體化的通信網(wǎng)絡(luò)［1，3］。在該網(wǎng)絡(luò)中，各種信息按照規(guī)定的消息格式，實時、安全地進(jìn)行傳輸和交換，為軍隊指揮員做出迅速正確的決策提供了統(tǒng)一和準(zhǔn)確的作戰(zhàn)態(tài)勢情報。

1.2 數(shù)據(jù)鏈特點

不同于一般的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕畔⑹菍崟r的格式化作戰(zhàn)消息，包括各種目標(biāo)參數(shù)及各種指揮引導(dǎo)數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)鏈具有以下幾個主要特點［1，3］:

(1)實時性。對于目標(biāo)航跡信息和各種指揮引導(dǎo)信息來說，信息傳輸?shù)膶崟r性十分重要。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，各種機(jī)動目標(biāo)監(jiān)視信息的更新周期短，可實時顯示目標(biāo)運動軌跡。

(2)可靠性。在保證作戰(zhàn)信息實時傳輸?shù)那疤嵯拢瑪?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需保證信息傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)鏈主要通過無線通信信道來傳輸信息數(shù)據(jù)。而在無線信道上，信號傳輸過程中存在著各種干擾及衰落現(xiàn)象，誤碼情況難以避免，嚴(yán)重影響信號的正常接收與處理。因此，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用了高效的R－S糾錯編碼技術(shù)，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺勒`碼率。

(3)一致性。不同單位的作戰(zhàn)平臺在進(jìn)行消息交互時，可能因消息格式轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致系統(tǒng)時延上升。因此，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)制定了多種目標(biāo)信息格式，從而保證信息傳輸?shù)膶崟r性。

(4)安全性。為了不讓敵方截獲己方信息，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)加密手段，以確保信息傳輸?shù)臋C(jī)密性、完整性、可認(rèn)證性。

2 數(shù)據(jù)鏈時隙分配算法

在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，媒體訪問控制(MAC)協(xié)議決定了作戰(zhàn)平臺對無線信道資源的訪問方式，其性能的優(yōu)劣對直接影響戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作效率與穩(wěn)定性。目前，Link－16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中采用時分多址(TDMA)的接入方式。TDMA技術(shù)具有良好的保密性，其系統(tǒng)容量較大;此外，基于TDMA技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)俏ㄒ荒軌蚣戎С挚湛諔?yīng)用，又支持空地應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈。但與此同時，TDMA系統(tǒng)存在定時與同步困難、資源利用率較低等問題。在采用TDMA接入的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，如何有效地對時隙資源進(jìn)行分配，進(jìn)而獲得較好的通信性能是實現(xiàn)TDMA接入的關(guān)鍵。

當(dāng)前，TDMA時隙分配協(xié)議大致可以分為3類:固定時隙分配協(xié)議、爭用時隙分配協(xié)議和動態(tài)時隙分配協(xié)議。其中固定時隙分配與爭用時隙分配都屬于靜態(tài)協(xié)議。另一方面，動態(tài)時隙分配協(xié)議依據(jù)實現(xiàn)方式又可分為集中式和分布式;而根據(jù)時隙分配時是否需要拓?fù)湫畔?，分布式時隙分配協(xié)議還可以再分為拓?fù)湟蕾嚭屯負(fù)渫该鲀煞N類型。

圖1 時隙分配協(xié)議分類

2.1 固定時隙分配協(xié)議

固定時隙分配協(xié)議在組網(wǎng)前將所需要的時隙固定分配給作戰(zhàn)平臺。此類協(xié)議適合工作在信道容量足夠大或節(jié)點數(shù)量不多的情況下，且由于各節(jié)點所分配時隙互不重疊，所以不會出現(xiàn)沖突現(xiàn)象。但該協(xié)議信道利用率低，不能根據(jù)作戰(zhàn)需求的變化實時調(diào)整時隙分配方案，資源浪費現(xiàn)象嚴(yán)重。研究表明，求解最優(yōu)的時隙分配問題是經(jīng)典的NP－Complete問題。相關(guān)研究工作一般采用啟發(fā)式的時隙分配算法來尋求次優(yōu)解。其中，比較有代表性的是有序節(jié)點染色算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時隙分配算法［4］。在文獻(xiàn)［5］中，研究人員從幀長的最低下限開始尋找合理的時隙調(diào)度方案，但其缺點為運算量較大。為此，相關(guān)研究人員通過遺傳算法［6］來實現(xiàn)時隙的最優(yōu)分配。該類算法通過連續(xù)運算使得新一代的群體不斷進(jìn)化，從而可得到較好的性能。但是，遺傳算法需要詳細(xì)的全網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅲ虼嗽诠こ虘?yīng)用中較難實現(xiàn)。

2.2 爭用時隙分配

爭用時隙分配協(xié)議將時隙以時隙組的形式分配給一組作戰(zhàn)平臺。在組內(nèi)，設(shè)備端機(jī)從時隙組中隨機(jī)選擇一定的時隙進(jìn)行消息的傳輸。由于時隙組也是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時預(yù)先規(guī)劃好的，終端設(shè)備就只能在這時隙組內(nèi)以爭用方式作小范圍調(diào)整。因此，爭用時隙分配同樣屬于靜態(tài)時隙分配方法［7］。爭用時隙的優(yōu)點是其簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段繁雜工作，并減少了網(wǎng)絡(luò)運行期間的管理負(fù)擔(dān)，其中較為經(jīng)典的有SHUMA協(xié)議［8］。在SHUMA協(xié)議中，共享一組時隙的每個終端使用相同的初始化參數(shù)，無需專門對每個平臺進(jìn)行注入設(shè)置，便于作戰(zhàn)平臺的動態(tài)加入與退出。其充分開發(fā)利用Link－16終端的態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，根據(jù)PPLI信息調(diào)整終端的發(fā)送時隙，從而減少信道中的碰撞。另一方面，爭用時隙分配的缺點是無法完全避免爭用沖突。如果在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)相同的時隙，兩個端機(jī)同時發(fā)送消息，接收者只能收到離其較近的設(shè)備發(fā)出的信息。

圖2 SHUMA協(xié)議

2.3 動態(tài)時隙分配協(xié)議

目前的Link－16等數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段會根據(jù)不同的作戰(zhàn)模式生成相應(yīng)的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)初始化時，依據(jù)不同的作戰(zhàn)需求從數(shù)據(jù)庫中選取最為合適的作戰(zhàn)方案。然而，現(xiàn)代戰(zhàn)爭千變?nèi)f化，作戰(zhàn)任務(wù)所需的兵力與作戰(zhàn)區(qū)域隨時可能產(chǎn)生變化，其所需的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也有著很大的不同。目前的固定式時隙分配協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)運行階段無法再改變時隙的分配方式。而爭用式時隙分配協(xié)議的信道利用率雖然有所提高，但碰撞率的增高使得數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的可靠性無法得到保證。

因此，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)需要可根據(jù)作戰(zhàn)計劃與平臺需求動態(tài)地對網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行合理劃分的一種時隙分配協(xié)議，即能夠適應(yīng)戰(zhàn)場態(tài)勢變化的動態(tài)時隙分配，使得終端設(shè)備不僅能夠接收初始化指令實現(xiàn)時隙的預(yù)分配，也能在執(zhí)行任務(wù)過程中不斷調(diào)整時隙的分配策略。例如，網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁粋€正在退網(wǎng)或已經(jīng)被擊毀的作戰(zhàn)平臺所擁有的時隙重新分配給其他需要更多容量的終端用戶，或者緊急入網(wǎng)的新作戰(zhàn)平臺可實時地獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的空閑時隙。通過動態(tài)的時隙分配方式，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)利用率、可靠性等性能的提升，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能。

動態(tài)時隙分配協(xié)議是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外的研究人員給出了很多不同的設(shè)計方案。而根據(jù)協(xié)議的實現(xiàn)方式，可將動態(tài)時隙分配協(xié)議分為集中式和分布式兩種［4］。

2.3.1 集中式動態(tài)時隙分配協(xié)議

集中式動態(tài)時隙分配協(xié)議需要一個中心控制站，其可獲取網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的狀態(tài)信息。因此，集中式動態(tài)時隙分配協(xié)議基于整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點信息進(jìn)行時隙分配，可獲得較高的信道利用率。其中，集中式輪訓(xùn)協(xié)議就是這類協(xié)議的典型代表。然而，中心控制站對全網(wǎng)信息進(jìn)行收集需與每個節(jié)點進(jìn)行交互，通信開銷較大，若中心控制站出現(xiàn)故障或作戰(zhàn)時被摧毀，整個網(wǎng)絡(luò)便會癱瘓;此外，當(dāng)作戰(zhàn)節(jié)點快速移動時，中心控制站也無法有效收集節(jié)點信息。因此，集中式動態(tài)時隙分配協(xié)議的實用性與抗毀能力較差，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用中受到了一定的限制。

針對以上問題，文獻(xiàn)［9］提出了動態(tài)輪詢協(xié)議，其引入了輪詢集和靜默集的概念以提高信道利用率。Lagks等人在文獻(xiàn)［10］中提出了一種支持QOS自適應(yīng)的輪詢協(xié)議QAP，其能夠支持4種優(yōu)先級水平，并按相應(yīng)的HPF(Highest Priority First)規(guī)則進(jìn)行服務(wù)。

2.3.2 分布式動態(tài)時隙分配協(xié)議

在分布式動態(tài)時隙分配協(xié)議中，節(jié)點根據(jù)特定的規(guī)則，逐一預(yù)留各自的傳輸時隙。而根據(jù)協(xié)議是否需要收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，分布式動態(tài)時隙分配協(xié)議可以分為兩類:基于拓?fù)渫该?Topology Transparent)特性與基于拓?fù)湟蕾?Topology Dependent)特性的分布式動態(tài)時隙分配協(xié)議。

(1)基于拓?fù)渫该魈匦缘姆植际絼討B(tài)時隙分配協(xié)議，其在為節(jié)點分配時隙時與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔o關(guān)，所以節(jié)點的移動和節(jié)點的加入、退出都不會對協(xié)議的運行造成影響，較適合分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中最為經(jīng)典的協(xié)議是Imrich Chlamtac和Andras Farago于1994年共同提出的擴(kuò)時多址接入?yún)f(xié)議［11］(TSMA，Time Spread Multiple Access)。然而，此類協(xié)議由于不參考網(wǎng)絡(luò)信息，因此引入的沖突較多，時隙利用效率較低，吞吐量小，無法較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c負(fù)載的變化。

(2)基于拓?fù)湟蕾囂匦缘姆植际絼討B(tài)時隙分配協(xié)議通過控制報文的交互來收集局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，并根?jù)所獲取的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔楣?jié)點分配時隙。因此，該類協(xié)議引入沖突較少，保證了信道資源的有效利用。其中，比較有代表性的是統(tǒng)一時隙分配協(xié)議［12］(Unifying Slot Assignment Protocol，USAP)、跳頻預(yù)留多路訪問協(xié)議［13］(Hop － Reservation Multiple Access，HRMA)以及五步預(yù)留協(xié)議［14］(Five － Phase Reservation Protocol，F(xiàn)PRP)等。在FPRP協(xié)議中，其幀結(jié)構(gòu)由兩部分組成:預(yù)約時幀與數(shù)據(jù)時幀。節(jié)點在預(yù)約時幀進(jìn)行使用權(quán)競爭，若成功，便在相對應(yīng)的數(shù)據(jù)時幀發(fā)送報文。然而，此類協(xié)議在預(yù)約時幀段一旦發(fā)生沖突，與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)時幀便會空閑，因此同樣存在時隙浪費問題。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化程度的逐步深化，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的作戰(zhàn)節(jié)點數(shù)量越來越多，作戰(zhàn)復(fù)雜性也進(jìn)一步增強(qiáng)。戰(zhàn)場中所需實時分發(fā)的信息種類不僅包含數(shù)據(jù)和話音，還包含圖像、視頻等，而不同類型的信息對通信系統(tǒng)具有不同的服務(wù)質(zhì)量要求。因此，針對當(dāng)前作戰(zhàn)需求，設(shè)計并選擇合適的時隙分配協(xié)議也變得越來越困難。為了保證所采用的時隙分配協(xié)議既能滿足作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)術(shù)操作需求，又可滿足實際通信傳輸系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，需要對時隙分配協(xié)議的評價與仿真方法進(jìn)行研究，以進(jìn)行特定協(xié)議的實驗驗證以及特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同協(xié)議的比對。因此，逐一分析時隙分配協(xié)議的性能評價指標(biāo)，進(jìn)而提出戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時隙分配協(xié)議的仿真評價體系，是下一步需進(jìn)行的工作。

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