經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈信道傳輸模型及特性研究

張 洋，毛忠陽，趙志勇，張 嵩，劉錫國

（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001）

0 引言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侨〉弥匾畔ⅰ⑻嵘龁卧?jié)點(diǎn)迅速作出反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、完成全信息化的核心系統(tǒng)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為要在復(fù)雜電磁環(huán)境下保證信息安全、可靠的分發(fā)共享，最直接有效的方法就是加大發(fā)射功率從而提升接收信噪比，事實(shí)證明這樣做效費(fèi)比是非常低的。伴隨著時(shí)代的更替，進(jìn)入了信息化極大發(fā)展的時(shí)代，各個(gè)研究領(lǐng)域的科研人員采用各類信道接入技術(shù)，找到了在低發(fā)射功率條件下顯著提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可靠性的方案，成本低、效果好。

在發(fā)展數(shù)據(jù)鏈的過程中，應(yīng)選擇合適的信道接入技術(shù)架構(gòu)[1-9]，以便既能解決信道控制技術(shù)與無特定中心網(wǎng)絡(luò)之間的矛盾，又同時(shí)考慮多網(wǎng)絡(luò)的信道控制技術(shù)，做到多網(wǎng)互聯(lián)互通，也可以分時(shí)工作；這種靈活的傳輸信道控制技術(shù)應(yīng)該能夠適應(yīng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)方案，使得整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最大效能。因此全面了解數(shù)據(jù)鏈信息傳輸通道尤為重要。

1 數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸通道接入技術(shù)

1.1 信道傳輸特征分析

信道是通信容易發(fā)生問題的核心環(huán)節(jié)，對(duì)于其特征的分析研究是至關(guān)重要的。從物理層角度研究發(fā)現(xiàn)，信道通常具有如下共同特性[10-12]：

1）信道作為通信傳輸?shù)暮诵?，起到承上啟下的作用，受發(fā)送和接收設(shè)備的控制和限制；

2）收發(fā)兩端面臨的大部分信道環(huán)境滿足線性疊加關(guān)系，但某些客觀環(huán)境因素可能導(dǎo)致非線性變化；

3）通信信號(hào)的衰減因子通常隨時(shí)間快速變化，這種隨機(jī)快變通常對(duì)通信是很大的障礙；

4）通信信號(hào)從發(fā)端到收端的時(shí)間延遲通常也是快速變化的，對(duì)通信帶來一定的影響；

5）即使沒有通信信號(hào)輸入，信道也是恒定存在噪聲干擾信號(hào)，通常表現(xiàn)為疊加的形式。

常規(guī)信道傳輸示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)信道傳輸示意圖

1.2 經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈傳輸信道形式

從經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展、工作和特點(diǎn)來看，其數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸通道采用無線信道。不同頻段的傳輸信道具有不同的信道特征，對(duì)電磁波的傳輸性能有不同的影響，要實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸，數(shù)據(jù)鏈應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)男诺酪詽M足信息傳輸信道的特點(diǎn)。當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信息傳輸?shù)男诺乐饕卸滩ㄐ诺?、超短波信道和微波信道。?給出了幾種典型Link數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸信道[13-15]。

通過分析表1可以看出，數(shù)據(jù)鏈信息傳輸所使用的無線信道主要包括HF頻段、UHF頻段和微波頻段。

表1 幾種典型數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸信道

1.2.1 短波信道

短波頻段的波長為100～10 m（頻率為3～30 MHz），實(shí)際上，往往也把中波的高頻段（1.5～3 MHz）歸到短波波段。Link-11數(shù)據(jù)鏈和Link-22數(shù)據(jù)鏈都采用此段以實(shí)現(xiàn)超視距傳輸。

短波頻段的信息傳輸主要有兩種電磁波傳輸方式：地波傳輸方式和天波傳輸方式。

1）地波傳輸方式。地波是通信信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊环N重要方式。地波適用于垂直極化波傳輸，大地對(duì)水平極化波吸收衰減大。地球表面的集膚效應(yīng)對(duì)地波傳播造成衰耗，并且衰耗隨電波頻率的增加而迅速增大，長波、中波由于頻率低，加上繞射能力強(qiáng)，利用這種傳播可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。地波傳播受季節(jié)、晝夜變化影響小，而且由于地球表面的電性能及地貌、地物等并不隨時(shí)間很快變化，基本不受氣候條件的影響，因此地波信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定。

2）天波傳輸方式。天波傳播是利用地球大氣層的頂端電離層、地表等介質(zhì)進(jìn)行一次或多次反射傳輸?shù)姆绞?，最大的特點(diǎn)就是傳輸距離遠(yuǎn)，是短波的主要傳播方式。

短波信道具有傳輸距離遠(yuǎn)、存在盲區(qū)、信道擁擠、信道不穩(wěn)定、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。天波傳輸是短波信號(hào)的主要傳播方式。天波經(jīng)電離層一次反射可達(dá)數(shù)千千米。如再經(jīng)地面反射，則多跳傳播可到達(dá)地球上任何地點(diǎn)。但是，天波傳播受電離層變化和多徑傳輸?shù)妮^大影響而極不穩(wěn)定，存在著嚴(yán)重的信號(hào)衰落現(xiàn)象。

1.2.2 UHF信道

Link-4A和Link-11數(shù)據(jù)鏈的對(duì)空通信采用了UHF頻段。

UHF信道以視距傳播方式為主。電離層對(duì)電波的反射頻率存在理論上限值，即天波通信中的最大可用頻率。頻率在30 MHz以上的超短波頻段（包括微波頻段）無線電波已超出電離層反射的最大可用頻率。與短波、中波和長波相比，UHF頻段頻率較高，在大地中所感應(yīng)的電流遠(yuǎn)大于短波、中波和長波感應(yīng)電流，信號(hào)能量由于被地表面大量吸收而沿地面?zhèn)鞑ヂ窂窖杆偎p，傳播距離非常有限，不宜采用地波傳播。因此，超短波頻段的電波主要采用視距傳播方式。Link-4A和Link-11數(shù)據(jù)鏈的對(duì)空通信頻段均采用了UHF頻段，視距傳播是其主要的電波傳播方式。

UHF信道通信距離與平臺(tái)高度密切相關(guān)。發(fā)送平臺(tái)在地面/海面時(shí)，接收平臺(tái)飛行高度越高，視線范圍越大，因而通信距離越遠(yuǎn)；地面天線高度越高，通信距離越遠(yuǎn)。將天線架高（高山或高大建筑物）將有效延伸視距傳播距離；相同條件下，發(fā)送平臺(tái)在空中時(shí)，與接收平臺(tái)的通信距離增加。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈本質(zhì)上是一個(gè)通信網(wǎng)，其信息傳輸通常具有網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)的組成

如圖3所示，通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可分為以下幾種，即單一鏈接中心的星型網(wǎng)、分層分級(jí)實(shí)現(xiàn)控制的樹型網(wǎng)、鏈路數(shù)目繁多的網(wǎng)狀網(wǎng)、閉合環(huán)路節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)狀網(wǎng)以及總線連接節(jié)點(diǎn)的總線型網(wǎng)等。

圖3 通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.4 經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈信道調(diào)制技術(shù)

經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)通常由各類編碼、加密、調(diào)制等部分組成，其中最核心的是其采用的調(diào)制技術(shù)。

數(shù)據(jù)鏈通信中使用的典型調(diào)制技術(shù)有FSK、QPSK、MSK等，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)鏈調(diào)制方式

2 數(shù)據(jù)鏈信息傳輸通道的建立

2.1 Link-16數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

經(jīng)過前面的分析，以Link-16數(shù)據(jù)鏈為例，其傳輸通道廣泛采用了級(jí)聯(lián)編碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制、多進(jìn)制調(diào)制等技術(shù)。

Link-16數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建立于表3中。

表3 Link-16數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2.2 基于OPNET的數(shù)據(jù)鏈傳輸信道建模

本文利用OPNET軟件對(duì)Link-16數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸仿真。在OPNET中建立模型，并在在物理層采用了OPNET的建模機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸通道進(jìn)行模擬。

數(shù)據(jù)鏈通信需要考慮各類噪聲、干擾等因素影響，運(yùn)用OPNET進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈仿真能綜合考察數(shù)據(jù)鏈信道誤碼率、丟包率、質(zhì)量等重要指標(biāo)。仿真一個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸過程要綜合考慮各種信道問題。本文通過OPNET仿真設(shè)計(jì)了52個(gè)數(shù)據(jù)鏈工作節(jié)點(diǎn)，為了簡化分析，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)性能配置相同。各數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)聯(lián)合組成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，通信采用無線信道連接的方式，并設(shè)計(jì)了各種數(shù)據(jù)鏈通信環(huán)境以檢驗(yàn)其性能指標(biāo)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用MSK調(diào)制，帶寬、碼元傳輸速率、工作頻段設(shè)置符合經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈的標(biāo)準(zhǔn)。圖5中分別表示了信道傳輸?shù)钠骄訒r(shí)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、有效數(shù)據(jù)和接入節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的情況。

如圖5所示當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到較大值時(shí)才開始出現(xiàn)丟失的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量較小時(shí)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況；從圖中可以看出平均延時(shí)、丟包數(shù)始終保持在一個(gè)較低的位置上，可以看出基于MSK調(diào)制的數(shù)據(jù)鏈信道傳輸性能是比較理想的。

圖5 信道性能參數(shù)

3 結(jié)語

本文主要針對(duì)現(xiàn)階段經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈傳輸信道、特性和模型進(jìn)行了分析研究，并指出了經(jīng)典Link數(shù)據(jù)鏈信道所涉及的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分析了各種技術(shù)所起的作用。針對(duì)各種關(guān)鍵技術(shù)選取Link-16數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸仿真。最后依據(jù)Link-16數(shù)據(jù)鏈模型理清數(shù)據(jù)鏈信息傳輸通道模型的思路，研究結(jié)論表明，數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸通道在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，對(duì)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的發(fā)展具有一定的借鑒意義。