戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的物理層研究

徐達(dá)峰 楊建波 劉 鵬

（中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春130022）

0 引言

戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）作為美軍新一代數(shù)據(jù)鏈建設(shè)中的重要組成部分，可以使得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)更好地在各個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)之間進(jìn)行快速高效地傳輸。TTNT數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，物理層的構(gòu)建對(duì)于信息的傳輸將起到十分重要的作用，下面從工作頻段、時(shí)域劃分、時(shí)隙結(jié)構(gòu)、收發(fā)機(jī)的消息處理機(jī)制、發(fā)送脈沖形式五方面來(lái)進(jìn)行分析。

圖1 TTNT數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 工作頻段

TTNT數(shù)據(jù)鏈采用了與Link16相近的工作頻段，具體如表1所示。

表1 TTMT數(shù)據(jù)鏈的工作頻段

2 時(shí)域劃分

在TTNT數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，各作戰(zhàn)平臺(tái)同處在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中，在同一頻率下進(jìn)行消息的發(fā)送與接收，時(shí)域的具體規(guī)劃如圖2所示。一天24小時(shí)被分成112.5個(gè)時(shí)元，即每個(gè)時(shí)元的周期為12.8m。每個(gè)時(shí)元被分成64幀，即每幀12s。每一幀被分為1536個(gè)時(shí)隙，即每個(gè)時(shí)隙為7.8125ms，并且這1536個(gè)時(shí)隙最后被分成A、B、C三組，每組包含512個(gè)時(shí)隙。在一幀中時(shí)隙被記作0—511，以循環(huán)方式交替出現(xiàn)，即從A-0、B-0、C-0 到 A-511、B-511、C-511，下一幀的 A-0 接在上一幀的 C-511后面。對(duì)于每個(gè)時(shí)元而言，98304個(gè)時(shí)隙也被分成A、B、C三組，每組包含32768個(gè)時(shí)隙。而在一個(gè)時(shí)元中時(shí)隙被記作0—32767，同樣以循環(huán)方式交替出現(xiàn)， 即從 A-0、B-0、C-0 到 A-32767、B-32767、C-32767，下一幀的A-0接在上一幀的C-32767后面。

時(shí)隙通常以時(shí)隙分區(qū)的方式分配給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)作戰(zhàn)成員，時(shí)隙分區(qū)由時(shí)隙組（即 A、B、C 組）、起始數(shù)字（即 0-32767）、重復(fù)率（0-15）三個(gè)參量確定。其中的重復(fù)率是指某個(gè)時(shí)隙分區(qū)包含的時(shí)隙數(shù)目的對(duì)數(shù)。而每個(gè)時(shí)元被分成了64幀，因此最多可以設(shè)置64個(gè)時(shí)隙分區(qū)。在所有的時(shí)隙分區(qū)中，重復(fù)率為6、7、8的被使用的最為頻繁。重復(fù)率、時(shí)隙對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖2 TTNT數(shù)據(jù)鏈時(shí)域劃分

表2 重復(fù)率、時(shí)隙對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 時(shí)隙結(jié)構(gòu)

時(shí)隙是TTNT數(shù)據(jù)鏈最小的時(shí)間單元，其持續(xù)周期是7.8125ms，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。一個(gè)時(shí)隙主要包括抖動(dòng)、粗同步、精同步、報(bào)頭/報(bào)文、傳播保護(hù)時(shí)間等部分。

3.1 粗同步

粗同步頭由16個(gè)雙脈沖字符組成，接收機(jī)在本地生成的32個(gè)脈沖，其頻率、PN碼順序與發(fā)送消息的粗同步一致，一旦認(rèn)定等待的信號(hào)來(lái)到，就會(huì)使得接收機(jī)與發(fā)射機(jī)進(jìn)入同步流程，為后序的解調(diào)、TOA測(cè)量做好準(zhǔn)備。

3.2 精同步

精同步頭由4個(gè)雙脈沖字符組成，用來(lái)減小粗同步頭產(chǎn)生的信號(hào)的TOA的不確定性，使得發(fā)射機(jī)與接收機(jī)達(dá)到同步狀態(tài)。

3.3 報(bào)頭

在每一時(shí)隙開(kāi)頭，都要先發(fā)送35bit的報(bào)頭消息。報(bào)頭消息后面就是報(bào)文消息，報(bào)頭中包含的消息與所傳送的報(bào)文消息相對(duì)應(yīng)。報(bào)頭消息格式內(nèi)容見(jiàn)表3，其中的時(shí)隙類(lèi)型見(jiàn)表4。

表3 報(bào)頭消息

表4 時(shí)隙類(lèi)型

35bit的報(bào)頭數(shù)據(jù)被分成7組后，每組5bit數(shù)據(jù)段經(jīng)過(guò)（16，7）RS編碼，就得到了16個(gè)5bit的報(bào)頭數(shù)據(jù)段，最后以16個(gè)雙脈沖的形式進(jìn)行發(fā)送。

3.4 報(bào)文

一個(gè)完整的報(bào)文消息是由初始字、延長(zhǎng)字、繼續(xù)字等部分組成。一個(gè)TTNT系列消息最多包含8個(gè)字符。一個(gè)消息從其初始字開(kāi)始，之后根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需要，可以選擇后接延長(zhǎng)字或繼續(xù)字。特別是當(dāng)一個(gè)消息同+含有延長(zhǎng)字和繼續(xù)字時(shí)，延長(zhǎng)字必須在繼續(xù)字之前，并根據(jù)信息交換的需要來(lái)選擇是否發(fā)送繼續(xù)字。對(duì)這三類(lèi)字符進(jìn)行區(qū)別可以利用字頭的2bit信息來(lái)識(shí)別，也就是說(shuō)00代表初始字，10代表延長(zhǎng)字，01代表繼續(xù)字，11代表可變消息。

①始字里包含了報(bào)文消息最基本的數(shù)據(jù)信息，其消息格式見(jiàn)表5。

表5 初始字格式

②延遲字是用來(lái)傳輸與基本數(shù)據(jù)在邏輯上關(guān)系緊密的數(shù)據(jù)信息，其格式如表6。其數(shù)據(jù)字段必須根據(jù)初始字的標(biāo)識(shí)和子標(biāo)識(shí)的組合來(lái)確定，并按照順序進(jìn)行發(fā)送。

表6 延長(zhǎng)字格式

③繼續(xù)字用來(lái)傳輸附加的數(shù)據(jù)，其格式見(jiàn)表7。

表7 繼續(xù)字格

3.5 傳播保護(hù)時(shí)間

設(shè)置傳播保護(hù)時(shí)間的目的有兩個(gè)：①在下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始之前，確保所有信號(hào)作用距離內(nèi)的接收機(jī)已經(jīng)順利完成接收工作，從而避免沖突的發(fā)生；②讓所有的接收機(jī)做好下一個(gè)時(shí)隙的接收/發(fā)射準(zhǔn)備。

4 收發(fā)機(jī)的消息處理機(jī)制

TTNT數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)包括了RS（Reed-Solomon）編碼器、符號(hào)交織器、循環(huán)碼移鍵控（CCSK）調(diào)制器、高斯最小頻移鍵控（GMSK，Gaussian Minimum Keyed）碼片調(diào)制器等單元，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TTNT數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)

4.1 RS編碼

RS編碼會(huì)使用m個(gè)比特進(jìn)行排列組合來(lái)得到M個(gè)符號(hào)，即M=2m。在一個(gè)TTNT信息到達(dá)物理層時(shí)，會(huì)按5bit標(biāo)準(zhǔn)被分成多個(gè)數(shù)據(jù)組。35bit的報(bào)頭數(shù)據(jù)被分成7組后，每組5bit數(shù)據(jù)段經(jīng)過(guò)RS（16，7）編碼，就得到了16個(gè)5bit的報(bào)頭數(shù)據(jù)段分碼組；而含有報(bào)文頭的15個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS（31，15）編碼后進(jìn)入到符號(hào)交織單元。

4.2 符號(hào)交織

TTNT符號(hào)交織過(guò)程如圖4所示。發(fā)送端對(duì)消息進(jìn)行交織的目的是為了提高消息的抗干擾能力，以減少由于消息頭部符號(hào)受到干擾而導(dǎo)致通信介質(zhì)傳輸性能的下降，在接收端只需作相反的處理既可還原消息。

圖4 TTNT符號(hào)交織過(guò)程

4.3 CCSK調(diào)制

TTNT的CCSK調(diào)制過(guò)程如圖5所示。一個(gè)32碼片長(zhǎng)度的序列經(jīng)過(guò)向左位移后，與所有的32碼片長(zhǎng)度的序列進(jìn)行互相關(guān)，以此來(lái)確定應(yīng)該接收的碼字。

圖5 CCSK調(diào)制過(guò)程

與MSK調(diào)制相比，GMSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)在于：①調(diào)制后的波形包絡(luò)起伏較小；②功率占用率小，可以最大化信道的吞吐量；③GMSK調(diào)制過(guò)程在調(diào)制前采用了高斯濾波器進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波，減小載波在切換頻

4.4 GMSK調(diào)制

點(diǎn)時(shí)的跳變能量，在相同傳輸速率時(shí)確保頻點(diǎn)間距更加緊湊；④誤碼率小。故相對(duì)于MSK調(diào)制而言，GMSK調(diào)制更適用于TTNT數(shù)據(jù)鏈。GMSK信號(hào)可以表達(dá)為：

式（1）中，a表示輸入數(shù)據(jù)，T表示碼元寬度。

其中 g（t）在[0，L]上可以表示為

5 發(fā)送脈沖形式

TTNT數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用射頻脈沖串這一發(fā)射方式，如圖6所示。一個(gè)時(shí)隙被分成起始段T1、傳送段T2、保護(hù)段T3。傳送段T2用來(lái)發(fā)射脈沖串信號(hào)，占時(shí)長(zhǎng)為3.354ms，可以傳送129個(gè)字符。起始段T1、保護(hù)段T3不發(fā)射脈沖串，共占時(shí)長(zhǎng)4.4585ms。TTNT數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以完全嵌入到Link16數(shù)據(jù)鏈的JTIDS系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)的共享，而JTIDS系統(tǒng)的作用距離為300nmile，為了確保信號(hào)傳輸?shù)耐暾?，因此保護(hù)段T3的占用時(shí)長(zhǎng)不能小于2ms，起始段T1只能在0～2.4585ms的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)抖動(dòng)。

圖6 TTNT信號(hào)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的示意圖

圖7 射頻傳輸方式

這129個(gè)字符中，有20個(gè)字符用于消息同步，其他109個(gè)字符用來(lái)傳送數(shù)據(jù)。每個(gè)脈沖是以碼片寬度0.2us的32位PN碼隨機(jī)序列作為調(diào)制信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行高斯最小頻移鍵控（GMSK，Gaussian Minimum Keyed）調(diào)制而形成的，故單位脈沖的時(shí)長(zhǎng)為6.4us。而一個(gè)字符占時(shí)長(zhǎng)為26us，因此在傳輸時(shí)可以采用單脈沖與雙脈沖兩種形式，如圖7所示。采用單脈沖形式時(shí)，不同發(fā)射脈沖采用不同的頻率，跳速為38461跳/秒；而采用雙脈沖形式時(shí)，不同發(fā)射脈沖同樣采用不同的頻率，此時(shí)跳速為76923跳/秒。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)美軍新型數(shù)據(jù)鏈TTNT的物理層結(jié)構(gòu)，從其工作頻段、時(shí)域劃分、時(shí)隙結(jié)構(gòu)、收發(fā)機(jī)的消息處理機(jī)制、發(fā)射脈沖形式五方面著手，對(duì)其進(jìn)行了具體分析。從TTNT數(shù)據(jù)鏈物理層的搭建可以看出，TTNT數(shù)據(jù)鏈可以與美軍的Link16數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)完美聯(lián)接，這對(duì)于各作戰(zhàn)平臺(tái)間戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的共享具有十分重要的保障作用，可以進(jìn)一步促進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)的信息化建設(shè)。通過(guò)研究美軍近幾年來(lái)新研制并投入使用的TTNT數(shù)據(jù)鏈，可以更進(jìn)一步地提高我軍自己的數(shù)據(jù)鏈建設(shè)與發(fā)展，更好地提升我軍的信息化建設(shè)與作戰(zhàn)能力。

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