軍事戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸技術(shù)研究*

張盼華，張偉濤

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332100）

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)已從“平臺(tái)”為中心轉(zhuǎn)向“網(wǎng)絡(luò)”為中心階段，“信息戰(zhàn)”相關(guān)技術(shù)研究是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要研究課題之一。全球信息柵格（GIG，Global Information Grid）是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)鏈（DL，Data Link）是實(shí)現(xiàn)全球信息柵格的重要支撐技術(shù)。常見 數(shù) 據(jù) 鏈 主 要 包 括：Link-4、Link-11、Link-16、Link-22 等。

軍事戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn)引起廣大科研人員興趣，相關(guān)軍事院校、科研機(jī)構(gòu)、高校等對(duì)其也開展深入研究。文獻(xiàn)［1］對(duì)國(guó)外數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展史與發(fā)展方向進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)［2］針對(duì)數(shù)據(jù)鏈存在抗干擾技術(shù)進(jìn)行了論述；文獻(xiàn)［3］對(duì)彈道數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能進(jìn)行了分析與研究；文獻(xiàn)［4-6］對(duì)數(shù)據(jù)鏈仿真技術(shù)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)［7］對(duì)基于數(shù)據(jù)鏈的預(yù)警機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)下的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力的效能評(píng)估進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［8］對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道編碼方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［9］無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道均衡算法進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)［10］對(duì)數(shù)據(jù)鏈中MSK 信號(hào)正交調(diào)制方法研究；文獻(xiàn)［11］對(duì)地空數(shù)據(jù)鏈通信差分解調(diào)算法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［12］對(duì)射頻隱身數(shù)據(jù)鏈的通信波形參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化建模；文獻(xiàn)［13］對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈參數(shù)化波形重構(gòu)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［14］對(duì)數(shù)據(jù)鏈中MSK 信號(hào)頻率相干解調(diào)方法進(jìn)行了仿真研究。

由于數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)地理位置上分散系統(tǒng)（指控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、武器系統(tǒng)）的有機(jī)連接，無(wú)線通信方式又是其所采用主要信息傳輸方式。因此，從“無(wú)線通信系統(tǒng)”角度，系統(tǒng)性論述數(shù)據(jù)鏈信息傳輸相關(guān)技術(shù)，對(duì)于相關(guān)讀者快速了解數(shù)據(jù)鏈顯得尤為重要；對(duì)于相關(guān)研究者快速開展數(shù)據(jù)鏈研究也具有一定的幫助。

1 數(shù)據(jù)鏈傳輸波段

信號(hào)是信息的載體，信息是消息中包含有意義的內(nèi)容。通信的目的是為了實(shí)現(xiàn)消息從發(fā)信端到受信者之間完成有效、可靠的傳輸。原始信息又稱為基帶信號(hào)，其頻譜表現(xiàn)為聚集在低頻端，不易于遠(yuǎn)距離的傳輸。通過調(diào)制技術(shù)，將基帶信號(hào)搬移到高頻端得到調(diào)制信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸?！盁o(wú)線傳輸”是現(xiàn)代通信中最為重要的傳輸手段之一，而“無(wú)線通信技術(shù)”是數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)闹匾A(chǔ)。

信息傳輸均以電磁波形式在信道中進(jìn)行傳播。常見電磁波的劃分，如表1 所示：

表1 電磁波波段與典型數(shù)據(jù)鏈

電磁波常見傳播方式主要分為：

1）地波傳播：電磁波沿空氣與大地、水面的分界空間層進(jìn)行傳播。其特點(diǎn)是不易受氣候影響，但受地電特性影響較大，且頻率越高能量衰減越快。

2）直射波傳播：電磁波沿發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)直線最短距離傳播。其傳輸距離一般為10 km～50 km。其特點(diǎn)易受到天線高度、架設(shè)方向依影響；其傳播能量衰減強(qiáng)的最為緩慢。

3）天波傳播：高空輻射電磁波遇到大氣層后反射回來電磁波。其特點(diǎn)依賴于電離層的特性，易受到太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度、季節(jié)、氣候變化影響較大。其中，天波傳播是短波通信的最主要傳輸方式。

4）散射傳播：電磁波投射到低空大氣層、電離層的不均勻介質(zhì)時(shí)，一部分反射回來的傳播方式。其特點(diǎn)傳輸效率低、但傳輸距離遠(yuǎn)。

2 數(shù)據(jù)鏈通信模型

通信實(shí)質(zhì)是信息的傳輸。高效而又可靠傳輸信息是信息傳輸?shù)幕締栴}?！翱沟米　迸c“通得上”是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)術(shù)通信面臨的兩大永恒主題。數(shù)據(jù)鏈信息傳輸中，需要解決的問題包括：信源編譯碼、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、通信安全等。數(shù)據(jù)鏈信息傳輸模型符合通信的一般模型，如圖1 所示；數(shù)據(jù)鏈承載系統(tǒng)核心模型，如圖2 所示。

圖1 數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)一般模型

圖2 數(shù)據(jù)鏈承載系統(tǒng)核心模型

2.1 編碼解碼技術(shù)

常見信息主要有文本、靜態(tài)圖像、視頻、語(yǔ)音等。信息間存在著信息冗余，因此，減小信息冗余是提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸能力的重要方法之一。

編碼是指對(duì)信源的原始符號(hào)按照特定數(shù)學(xué)運(yùn)算法則進(jìn)行的一種變換。編碼主要分為信源編碼和信道編碼。信源編碼將信源中冗余信息去除，得到一種更合適系統(tǒng)傳輸?shù)姆?hào)串。信道編碼主要提高信息傳輸?shù)娜蒎e(cuò)與糾錯(cuò)能力。常見信源編碼方法如下頁(yè)表2 所示。

數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)鏈所需傳輸?shù)暮诵膬?nèi)容。典型數(shù)據(jù)鏈終端JTIDS 系統(tǒng)所采用信源編碼技術(shù)，如表3 所示。

廣義信道泛指一切信息傳輸?shù)耐ǖ馈Ｔ谛畔鬏斶^程中，信道上不可避免存在著噪聲。常見噪聲主要包括“乘性噪聲”和“加性噪聲”。一般認(rèn)為通信系統(tǒng)中的信道為窄帶高斯信道。為了有效抑制信道中噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行信道編碼。典型數(shù)據(jù)鏈的信道編碼如表4 所示。

表2 常見信源編碼技術(shù)

表3 JTIDS 終端信源信道編碼技術(shù)

2.2 調(diào)制解調(diào)與復(fù)用/復(fù)接技術(shù)

調(diào)制目的便于信號(hào)更適合于信道傳輸，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)低頻基帶信號(hào)頻譜搬移，將有用信息加載至射頻信號(hào)的頻率、振幅、相位中攜帶傳輸。模擬調(diào)制包括：DSS、AM、SSB、VSB、FM、PM；數(shù)字調(diào)制包括：ASK、FSK、PSK、DPSK、MSK、QAM、OFDM 等。解調(diào)方法包括：模擬檢測(cè)、過零檢測(cè)、差分檢測(cè)、（非）相干檢測(cè)、動(dòng)態(tài)濾波檢測(cè)等。

由于實(shí)際通信信道中只傳輸一路信號(hào)，而信道帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬。采用多路復(fù)用技術(shù)能夠提高信道資源和頻譜利用效率，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)在同一信道中有效傳輸。常見復(fù)用復(fù)接技術(shù)包括：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、TDMA、FDMA、CDMA。

數(shù)據(jù)鏈中采用調(diào)制技術(shù)和復(fù)用復(fù)接技術(shù)能夠有效提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸能力。常見數(shù)據(jù)鏈采用調(diào)制和復(fù)接技術(shù)，如表5 所示。

表5 典型數(shù)據(jù)鏈調(diào)制與復(fù)接技術(shù)

2.3 保密與抗干擾技術(shù)

通信安全問題是通信亟待解決的問題之一，軍事通信安全尤為突出，而數(shù)據(jù)鏈又是連接三大系統(tǒng)的核心關(guān)鍵。因此，對(duì)數(shù)據(jù)鏈通信安全研究顯得尤為重要。

2.3.1 加密技術(shù)

現(xiàn)代通信理論奠基人香農(nóng)，用信息論［15］觀點(diǎn)對(duì)信息保密問題作了全面深刻論述，并提出了保密系統(tǒng)一般數(shù)學(xué)模型。

密碼是通信雙方、多方按照約定的法則和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信息特殊變換，發(fā)送端完成信息的加密編碼，接收端完成破譯解碼。常見密碼體制包括：錯(cuò)亂、代替、密本、加亂。其中，加亂是現(xiàn)代加密主要手段。上述4 種密碼體制可以相互融合使用，構(gòu)建出“對(duì)稱密鑰體制”和“非對(duì)稱密鑰體制”。針對(duì)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，又提出了“線路加密”和“端對(duì)端加密”等技術(shù)。

2.3.2 認(rèn)證技術(shù)

“主動(dòng)攻擊”和“被動(dòng)攻擊”是現(xiàn)代軍事通信中面臨的兩類信息攻擊類型。主動(dòng)攻擊包括：越權(quán)、假冒、偽造等；被動(dòng)攻擊包括：竊聽、接收、內(nèi)容分析等。認(rèn)證技術(shù)能夠較好地解決上述攻擊問題，解決系統(tǒng)參與者的合法性、真實(shí)性問題。

認(rèn)證技術(shù)包括“身份認(rèn)證”和“信息認(rèn)證”。前者完成訪問權(quán)限的確認(rèn)和授予問題；后者保障信息來源、真實(shí)、唯一性問題。信息認(rèn)證可采用：零知識(shí)技術(shù)、非對(duì)稱密鑰算法、私鑰密鑰算法。其中，私鑰密鑰算法是當(dāng)前采用較為廣泛的認(rèn)證技術(shù)。

2.3.3 抗干擾技術(shù)

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜而又惡劣，電磁環(huán)境包含著自然干擾和人為干擾。從時(shí)域、頻域、空域提高系統(tǒng)的抗干擾能力顯得尤為重要。

1）擴(kuò)展頻譜技術(shù)

頻譜寬、波形復(fù)雜、安全隱蔽性強(qiáng)是擴(kuò)頻信號(hào)最大特點(diǎn)，擴(kuò)頻技術(shù)能夠較好地提高信號(hào)抗測(cè)向、定位、檢測(cè)、干擾、截獲的能力。常見擴(kuò)頻技術(shù)包括：直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DS-SS）、跳頻通信技術(shù)（FH）和時(shí)跳通信技術(shù)（TH）。

擴(kuò)頻技術(shù)是抗干擾代表性技術(shù)。但常常與其他技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)抗干擾目的。以擴(kuò)頻技術(shù)為核心的通信抗干擾技術(shù)仍然在不斷發(fā)展中。如：變速率與時(shí)變跳頻、差分跳頻、多進(jìn)制編碼擴(kuò)頻、混合多維擴(kuò)頻等。

2）網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)

由于數(shù)據(jù)鏈承載連接三大系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力顯得尤為重要。隨著軍事數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的用戶量不斷增加，數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究已成為當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力研究主要分為以下幾個(gè)層面。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵友芯浚壕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃允蔷W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首要考慮問題，決定著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、抗摧毀性等。常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：星形、環(huán)形、網(wǎng)形、樹形、總線形等。

網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層研究：在網(wǎng)絡(luò)存在破壞、故障情況下，保障通信網(wǎng)絡(luò)通信能力。常以吞吐量、傳輸時(shí)延、呼損率等進(jìn)行衡量。

網(wǎng)絡(luò)路由層研究：決定著網(wǎng)絡(luò)擁塞調(diào)配、路由規(guī)劃、業(yè)務(wù)分配等，是網(wǎng)絡(luò)完成通行能力的重要保證。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層研究：決定著節(jié)點(diǎn)、鏈路、網(wǎng)絡(luò)可靠性的根本保證所在。

表6 數(shù)據(jù)鏈特性比較

3 數(shù)據(jù)鏈發(fā)展趨勢(shì)

從第1 代數(shù)據(jù)鏈Link-4 到現(xiàn)在的Link-22，完成4 代數(shù)據(jù)鏈用了近半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間進(jìn)行研究。當(dāng)前，數(shù)據(jù)鏈發(fā)展主要呈現(xiàn)如下趨勢(shì)：

1）利用新技術(shù)積極改進(jìn)以Link16 為主的原有數(shù)據(jù)鏈，以便最終融入全球信息柵格，利用新技術(shù)研制、開發(fā)新一代數(shù)據(jù)鏈；

2）多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同，加強(qiáng)不同數(shù)據(jù)鏈間的互通，實(shí)現(xiàn)多鏈路協(xié)調(diào)作戰(zhàn)；

3）適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)要求，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，構(gòu)建一體化數(shù)據(jù)鏈體系結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文從“無(wú)線通信系統(tǒng)”角度，對(duì)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸技術(shù)進(jìn)行了研究。給出了數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)一般模型。系統(tǒng)論述了數(shù)據(jù)鏈涉及的相關(guān)主要通信技術(shù)，并結(jié)合典型數(shù)據(jù)鏈，給出其主要通信技術(shù)與性能指標(biāo)，最后討論了數(shù)據(jù)鏈發(fā)展的趨勢(shì)。