战术数据链Link16仿真系统解决方案

          Link16数据链是美国海空军及北约部队使用的一种新型战术数据链系统，于1994年开始在美军舰艇及飞机平台投入使用。Link16数据链的设计使用理念基于Link4A、Link11数据链，但相比原有数据链，在技术与操作上有极大的更新迭代，增强了数据链系统的安全性与抗干扰性能，被称为是一种“无法被干扰的数据链”。因此，发展针对Link16 数据链系统的电子对抗技术具有重要的军事意义。然而，通过实战方式进行系统测试将耗费大量的人力、物力、财力，如何可靠地、真实地模拟实际作战场景是数据链系统建设的重点。为解决实战测试系统性能的不可能性问题，研发一套Link16数据链实时仿真系统，具有其重要价值。

1. 功能描述

          战术数据链系统采用特定的数据包格式发送报文信息，具备强大的加密和安全措施，采用跳频技术来对抗电子干扰，系统具有多个节点，采用分布式的网络架构，任何节点都可以在网络中发送和接收信息，不需要中央控制节点。每个节点都具备通信功能，可通过链路实时共享信息。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计总体框图

2. 端机设计方案

LINK16端机设计框图如图2所示，端机性能指标如下：

（1） 信号中心频点范围：960-1250MHz

（2） 支持TDMA组网功能

（3） 能够实现跳频：跳频带宽100MHz，跳频频点间隔：3MHz，相邻跳频最小间隔30MHz，跳频速率：76923Hop/s

（4） 数字信息传输速率28kbps～238kbps分档可选

 图2 LINK16端机设计框图

2.1 链路传输方案设计

（1）LINK16帧结构

图3 LINK16帧结构

          LINK16数据链的基本的帧结构可以通过图3表示，每个时隙由抖动时间段，信息传输时间段和保护时间段组成，其中抖动时间段的长度不定，它保证了信息传输可以不与时隙对齐，抖动时间段最长时间可以达到2.2575ms，时间长度的变化规律由特定的密钥控制，密钥一天更改一次，这增加了信息截获的难度，干扰机也更难对信号进行针对性的干扰，从一定意义上具有“跳时”的效果。信息传输段分为同步时段和数据帧时段，同步时段包括两个阶段，其中粗同步阶段包括16个DP脉冲，主要作用是对信号进行捕获，精同步阶段包括4个DP脉冲，主要作用是确定信号解调的最佳采样点位置，数据帧阶段分为报头和数据，其中报头包括16个DP脉冲，数据包括的脉冲数根据具体的LINK16数据封装而定。

（2）端机物理层调制技术

          端机波形的生成过程如图4所示，信号产生经过多重物理层调制技术，包括信道编码、扩频、调制等，主机根据战场信息进行信源编码生成比特信息，信息经过CRC编码，RS编码，交织，软扩频后进行调制。最终进行跳频处理后通过信道

图4 端机波形的生成过程

          得到的LINK16链路性能如图5，当接收信噪比低于-10dB时，由于采用的各种信道编码的纠错能力具有一定限度，因此LINK16的误比特性能相比于普通的MSK调制没有提升，甚至有所下降；但是随着信噪比的提高，LINK16链路的性能快速增强，误码率远低于仅进行MSK调制时的误码率，在误码率为10-3时，增益大约为10dB。

图5 LINK16的链路性能

2.2 TDMA组网控制

          LINK16 采用分布式的网络架构，采用TDMA组网协议，其中各节点功能作用相同，无主站、从站区分，形成分布式网状拓扑结构。整个网络就像一个巨大的环状信息池，网内所有单元都将自己的信息“投放”到信息池中供网络用户共享，也可以到信息池中根据需要“获取”适合自己的信息。

          TDMA协议将时间分割为周期性的时帧，每一时再分割为若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，给每个用户分配一个或多个时隙。用户在指定时隙内发送数据，如果用户在指定时隙中没有数据传输，则相应时隙被浪费。Link-16将时间依照时元、时帧和时隙三种时间单元进行划分和使用，如图5所示。将1天的24h划分成112.5时元，每时元时间12.8min;每时元又划分成64时帧，每时帧12s;每时帧再划分成1536个时隙，每时隙7.8125ms。

图5 LINK16的时间划分

          Link-16的基本网络结构形式是单网。所有Link-16单元工作在同一个网络中，统一划分时隙，每个单元跳频图案相同。为LINK16在报头信息提供了时隙类型以及消息发送源的ID标识。
          为确保各用户发射时隙的一致性，避免发送信息产生碰撞，全网需要统一时间基准，Link16指定一个节点作为网络时间参考(NTR);将NTR时间定义为Link16的系统时间。以该系统时间为基准，校准全网时间，计算、确定网内各节点时隙的起始和终止，确保TDMA网络时间同步和节点时隙对准。在Link16数据链中，任意节点均可被指定为NTR。已装备使用的Link16数据链系统采用固定分配TDMA协议，在任务执行前通过网络规划预先完成各网络节点的时隙分配，在作战过程中不再变化。当节点无信息发送或退出时，则该节点所对应的时隙空闲。

3. 实物搭建图

图6 Link16战术指挥链仿真系统实物搭建图

本方案中，LINK16终端推荐使用SDR-LW系列一体机设备。为了保证系统的正常运转，需正确连接天线、显示器、鼠标和键盘。

4. 推荐硬件型号

SDR-LW系列是珞光电子推出的高性能SDR（软件无线电）独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。通过Intel X86处理器与FPGA协同工作，增加了软件无线电设备的灵活性。一体机的设计框架使其可以在室内或室外快速地搭建Link16战术指挥链仿真系统。

5. 典型应用场景

本方案完整实现了基于USRP的Link16数据链系统，由于系统实现方案比较简洁，因此可移植性较高。系统可应用于各电子战对抗实验。