数据链系统与技术（第2版） 课件 ch11数据链的新发展

数据链的新发展国防电子信息技术丛书数据链系统与技术(第2版)第十一章01软件无线电技术及其在数据链端机中的应用软件无线电的基本概念软件无线电（SoftwareRadio，SR）完整的概念和结构体系是在20世纪90年代初由美国科学家JosephMitola提出的，其核心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，通过软件编程完成对不同工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等无线电信号的处理，即用软件的方式实现不同的通信模式和功能。软件无线电技术及其在数据链端机中的应用软件无线电的基本概念软件无线电是一种新的无线通信体系结构，它以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑。宽带模数转换、信号处理技术、硬件工艺水平的快速发展，加上日益成熟的逻辑可编程器件和EDA开发工具，使软件无线电的概念有了转化为实际应用的可能性。软件无线电技术及其在数据链端机中的应用通过加载不同的软件模块实现动态配置系统功能，从而改变使用硬件实现通信业务功能的形式；将通信系统的设计与开发转变为软件的设计与开发，从而大大地缩短了通信系统的研发周期，并降低了成本。对系统功能的更新和升级可以通过更新系统所装载的软件实现。如果要实现新的调制方式或者业务，只需要加载新的信号波形或数据类型。由于采用了标准化、模块化的结构，使得软件无线电支持不同电台系统的互联互通，使原来相互独立运行的电台系统之间能够传递信息，不仅能够与新体制电台通信，同时也能够与现有的旧体制电台兼容。信息化战争中的数据链传统的通信系统主要研制工作在于天线、放大器、滤波器、混频器和模拟电子线路等硬件设计上，系统的设计主要围绕硬件来展开。基于硬件的无线电系统其功能模块的参数几乎是固定的，因此这种以硬件模块化为代表的设计理念不仅限制了无线电系统的应用领域和灵活性要求，而且与现代通信技术的发展潮流不符。软件无线电提出的背景软件无线电技术及其在数据链端机中的应用随着新的标准和协议的发布，无线电通信正在迅猛地向前发展，人们期待出现一种无线电系统，能够使系统的软件和硬件在未来得到继续应用，而不是频繁地更新换代。在海湾战争期间，由于各军兵种的无线通信系统自成体系，各系统之间的通联有很大的困难，在执行联合军事行动时，经常出现联合行动步调不统一、指挥控制失灵等问题，甚至在同一军种内都出现了不同程度的由于系统不兼容带来的通信问题，这无疑降低了部队执行作战任务的能力。软件无线电技术及其在数据链端机中的应用第一阶段，定义体系结构。第二阶段，开发和验证JTRS体系结构。第三阶段，JTRS系统的实施阶段。JTRS已经大量服役于美国陆军、空军和海军，JTRS计划使美国陆军、空军和海军实现了作战通信一体化。信息化战争中的数据链自1992年起美军软件无线电技术主要演进路线如表11.1所示。软件无线电技术及其在数据链端机中的应用软件通信体系结构软件通信体系结构（SCA）是由JTRS联合项目办公室（JointProgramOffice，JPO）发布的规范，是一种独立于电台实现细节的软件无线电系统框架。它说明了无线电硬件以及软件间的交互过程，提供了一种标准、开放、可互操作的无线电通信软件平台。它集中对影响系统互换性的部分加以严格的约束，以确保JTRS系统中电台通信软件和硬件的可移植性、可配置性、可扩充性和可互换性。SCA规范经过不断更新，已经成为在软件无线电领域较为成熟和实用的标准。软件无线电技术及其在数据链端机中的应用根据CDLS合同，Cubic公司将与其他数据链提供商一起展开初步的研究，为符合新的联合战术无线电系统软件通信体系结构的公共数据链制定标准。该研究由Cubic公司牵头，由美海军提供资金。JTRS-CDL能在JTRS体系结构中运行14种传统信号格式。更重要的是，这项研究将确定未来的发展方向。从这一点上讲，有望提出高级组网概念。软件无线电技术在数据链中的应用软件无线电技术及其在数据链端机中的应用02移动自组织网络技术Link-16数据链能较好地适应信息化战争的需求，但是随着现代战争规模的扩大和空天一体化的作战思想形成，各个作战单元都有加入数据链网络的迫切需求；同时由于战场态势的瞬息万变，各作战单元对进出网络的需求又必须是随机的、完全自由的。而Link-16数据链采取的是预定组网方式，未列入规划的作战单元不能入网。显然，这种类型的数据链不能根据战场态势的需要实时灵活地调整，即无法适应作战单元随机、自由地进出网络的需求。移动自组织网络技术图11.3给出了飞机的组网示意图。移动自组织网络技术数据链的动态组网传统的数据链（如Link-11数据链）采用的是有中心的网络，如以节点N为中心，则在N通信范围内的节点（S、Nz、N、N、Ns）能够参与组网，节点D在N的通信范围之外，无法参与组网。如果N遭到攻击，整个网络将无法继续工作。由于该类型数据链采用的是点对点的或点对多点的组网方式，所以这一类型的数据链还没有涉及路由技术。Link-16数据链采用无中心的网络结构，网络中各节点地位均等，不再需要指定中心节点，因此可以实现整个网络内节点的动态组网。移动自组织网络技术AdHoc网络技术作为一种新的网络技术，近年来在数据链网络中逐渐得到推广应用。“AdHoc”一词源于拉丁语，是“专门为某一特定目的形成或与某一特定目的有关的”意思。AdHoc网络是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。移动自组织网的关键技术移动自组织网络技术与其他通信网络相比，AdHoc网络没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络构造和管理功能；它可以随时建立和拆除，具有很强的容错性和鲁棒性，它具有无中心网络的自组织性、动态变化的网络拓扑结构、多跳组网方式等特征。移动自组织网络技术移动自组织网的MAC协议MAC协议可以分为同步协议和异步协议。同步MAC协议中，所有节点在时间上是同步的。异步MAC协议采用分布式的控制机制，其信道接入多是基于竞争模式的。MAC协议也可以分为发方驱动协议和收方驱动协议。收方驱动协议是由收方通知发方自己已经准备好接收数据。发方驱动协议是发方通知收方自己有数据需要发送。现有的大多数协议都是发方驱动的，也有少数协议是混合式的。移动自组织网络技术MAC协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议。单信道协议中，所有的信号都在同一个信道上传输。为了减少冲突，可以把信道分成控制信道和数据信道，分别传输控制信号和数据信号，避免数据信号和控制信号的冲突。移动自组织网络技术MANET（MobileAdHocNet，移动自组织网）、WMN（WirelessMeshNetworks，无线网状网）、WSN（WirelessSensorNetworks，无线传感器网）是现有AdHoc网络的三种典型应用。三者之中MANET对节点的运动特性适应性最好。移动自组织网的路由协议移动自组织网络技术ANET是一种由无线运动节点组成的AdHoc网络，网络中的任一节点均可以以任意速度向任意方向自由运动，因此网络的拓扑结构不断变化，网络的动态组网能力较强。由于移动自组网部署方便，确认快捷，因此可广泛地应用于军事、自然灾害救援等场合，故存在极大的军事、民用需求。路由协议是指自动查找网络的连接状态，根据设定好的算法找到传送数据的最佳路径，将数据成功传输到目的节点的规定和标准。目前已经开发出的MANET路由协议较多，划分的依据也不尽相同。移动自组织网络技术03TTNT数据链TTNT数据链提出的背景美军经过近几场高技术局部战争后，其武器装备具备了对地面固定目标实施精确打击的能力，但是对于地面移动目标，由于其跟踪、定位能力差，在打击地面移动目标时精度不高，容易造成误伤。因此，美军在总结历次高技术局部战争的经验教训之后，将打击地面移动目标作为其提高作战能力的关键技术领域之一，积极研究。TTNT数据链在未来网络化前沿战区，美军只有使用分布式传感器平台，才能快速而准确地确定战术目标的位置，并支持实时火控过程，这需要实时的网络形成和数据传递。灵活、动态、快速、大容量的战术数据链对于满足分布式战术瞄准的全部需求来说将是非常关键的。在涉及这种时间敏感性目标的瞄准和攻击领域，美国各军兵种和美国国防高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）有着同样迫切的需要。TTNT数据链推动该技术发展，DARPA制定了三项计划，即经济型的地面动目标作战系统（AffordableMobileSurfaceTargetEngagement，AMSTE）和用于打击机动防空系统的先进战术瞄准技术（AdvancedTacticalTargetingTechniques，AT³）以及支持这两项计划的战术目标瞄准网络技术（TTNT）。TTNT数据链传输性能。天线工作模式。入网安全认证。速率自适应、编码自适应以及功率控制。波束方向自动跟踪与调整。TTNT数据链AdHoc组网及路由功能。多路收/发器同时工作。业务流QoS保障。网络容量高。与Link-16数据链兼容。TTNT数据链CSMA类协议采用载波侦听技术检测信道上的信号能量大小，判断当前信道有无节点数据正在发送，以此将信道划分为忙、闲两种状态。只有当信道为空闲时，才启动节点数据发送过程。当节点设备采用单频点发送数据时，这种检测机制可大幅降低冲突概率。然而，TTNT数据链采用跳频多网多频点发送模式，网内节点按约定的跳频图案选择频点，实现多频点传输。TTNT数据链的信道接入机制TTNT数据链TTNT数据链的信道接入协议采用基于统计优先级的多址接入（StatisticalPriority-basedMultipleAccess，SPMA）协议。SPMA协议采用统计优先级方式实现信道接入控制，在发送某一优先级分组时，SPMA协议将信道占用统计值与待发送数据分组所对应的优先级阈值进行比较，从而判定该优先级分组是否允许发送。当全网业务量较大时，SPMA协议采用退避低优先级分组的方式，保证高优先级分组传输的实时性，从而将信道