Mikä on Link 16? Taajuusalue, tiedonsiirtonopeus, TDMA ja päätteet

Link 16 on NATOn päätaktinen datalinkki: salattu, häirintää kestävä radioverkko 960–1215 MHz:n kaistalla, jonka avulla lentokoneet, alukset, ilmapuolustusyksiköt ja johtokeskukset jakavat sijainnit, maalit, käskyt ja puheen lähes reaaliajassa. Standardin määrittelevät MIL-STD-6016 ja STANAG 5516; linkki kuljettaa kiinteämuotoisia J-sarjan viestejä (TADIL J) ja toimii JTIDS- ja MIDS-päätteillä ajalla jaetun monikäytön (TDMA) periaatteella.

Tämä opas käsittelee asioita, joita insinöörit ja ohjelmistopäälliköt oikeasti hakevat: taajuussuunnitelman, aikavälien rakenteen, todelliset tiedonsiirtonopeudet ja syyn siihen, miksi julkaistut luvut eroavat toisistaan, verkon osallistumisryhmät, päätteet ja kantaman. Yhdyskäytävien ja koodekkien integrointia käsittelemme tarkemmin Link 16 -ohjelmistointegraatio-oppaassa.

Mikä Link 16 on?

Link 16 on kaksi asiaa yhtä aikaa. Se on viestistandardi — kiinteämuotoisten binääristen J-sarjan viestien luettelo sijainneille, valvontamaaleille, asekäytön koordinoinnille, lentokoneiden johtamiselle ja tilailmoituksille; "TADIL J" (Tactical Digital Information Link J) on yhdysvaltalainen vanhempi nimi tälle viestijoukolle. Ja se on samalla radioverkko — TDMA-aaltomuoto, joka salaa jokaisen lähetyksen, hyppii 51:llä taajuudella ja antaa jokaiselle osallistujalle omat aikavälinsä. Yhdysvallat määrittelee molemmat MIL-STD-6016:ssa, NATO STANAG 5516:ssa; STANAG 5516 -katsauksemme esittelee nämä asiakirjat.

JTIDS, ensimmäinen Link 16 -päätteiden ohjelma, on 1970-luvun puolivälistä; Yhdysvaltain ilmavoimat ja laivasto ottivat järjestelmiä käyttöön 1990-luvun alussa. Nykyään Link 16:a käyttävät Yhdysvallat, NATO-maat ja kumppanit kuten Australia, Japani ja Etelä-Korea. Tyypillisiä osallistujia:

• Lentokoneet — hävittäjät (F-15, F-16, F/A-18, F-35, Eurofighter Typhoon, Rafale, Gripen), meritiedustelukoneet, tankkerit sekä kaukovalvonta- ja johtokoneet kuten E-3, E-7 ja E-2.
• Alukset — lentotukialukset, hävittäjä-alukset ja fregatit liittoutuneiden laivastoissa.
• Ilma- ja ohjuspuolustus — maajärjestelmät kuten Patriot, NASAMS, SAMP/T ja THAAD.
• Johto- ja hallintakeskukset (C2), jotka rakentavat ja ylläpitävät tilannekuvaa.
• Verkkokytketyt aseet — ammukset kuten JSOW C-1 ja SDB II, jotka vastaanottavat päivityksiä lennossa.

Miten Link 16 -datalinkki toimii

Jokainen verkon yksikkö — JTIDS/MIDS Unit eli JU — käyttää päätettä, joka pitää yllä tarkkaa verkon aikaa. Aika on jaettu 7.8125 ms:n aikaväleihin, ja verkon suunnittelu — Network Data Load (NDL), joka julkaistaan operaation OPTASK LINKissä — kertoo jokaiselle päätteelle, mitkä väleistä ovat sen lähetysvälejä. Jokainen JU lähettää omissa väleissään, ja jokainen suoran näköyhteyden sisällä oleva JU kuulee sen suoraan — pääasemaa, joka välittää liikennettä, ei ole. Liikenne ryhmitellään verkon osallistumisryhmiksi (NPG) — loogisiksi kanaviksi kuten PPLI, valvonta, johto tai puhe — joten hävittäjä, kaukovalvontakone ja alus jakavat saman verkon, mutta kukin käsittelee vain oman roolinsa tarvitseman tiedon.

Yksi päätteistä on verkon aikareferenssi (NTR): sen kello määrittelee verkon ajan, verkko ei koskaan korjaa sitä, ja kutakin verkkoa kohden sellainen on täsmälleen yksi. Verkkoon liittyvä pääte saavuttaa karkean synkronoinnin vastaanottamalla Initial Entry -viestin (NPG 1) ja tarkan synkronoinnin vaihtamalla Round-Trip Timing -viestejä (RTT, NPG 2 ja 3). Radiohorisontin takaiset yksiköt tavoitetaan välityksellä — uudelleenlähetyksellä erikseen osoitetuissa väleissä — tai kuljettamalla J-sarjan viestejä muissa välineissä JREAPilla, joka käsitellään alempana.

Link 16:n taajuusalue

Link 16 toimii 960–1215 MHz:n kaistalla — UHF:n "Lx"-kaistalla, jonka ITU on varannut ilmaradionavigoinnille. Päätteet hyppivät 51:llä keskitaajuudella 969:stä 1206 MHz:iin 3 MHz:n välein. Hyppyjoukko on jaettu kolmeen osakaistaan niin, ettei yksikään Link 16:n kantoaalto osu lähelle 1030 tai 1090 MHz:ä — IFF/SSR:n kysely- ja vastaustaajuuksia:

Kaista on yhteiskäytössä DME:n, TACANin, IFF/SSR:n, ADS-B:n, törmäyksenestojärjestelmien ja yläpäässä GNSS-signaalien kuten GPS L5:n kanssa — ja Link 16 on siellä toissijainen käyttäjä, joka toimii häiritsemättä muita kansallisten taajuusluvitusopimusten nojalla. Siksi linkillä on lähetysrajoja, joita useimmilla sotilasradioilla ei ole (ks. rajoitukset).

Taajuushyppely ja impulsirakenne

Jokainen impulssi kantaa 5-bittisen symbolin, koodattuna yhtenä 32:sta 32-sirppuisen sekvenssin syklisestä siirrosta (cyclic code shift keying, CCSK), sekoitettuna näennäissatunnaisella sirpkuviolla ja MSK-moduloituna 5 Msirppiä/s. Impulssi kestää 6.4 µs ja sitä seuraa 6.6 µs hiljaisuutta — yksi impulssi 13 µs:n välein — ja kantoaalto hyppää uudelle taajuudelle jokaisen impulsin mukana, 76,923 kertaa sekunnissa, lähetyksen suojauksen avaimen ja verkkonumeron määräämässä järjestyksessä. Viestien data on suojattu Reed-Solomon-koodilla RS(31,15), otsikko koodilla RS(16,7), ja symbolit lomittuvat. Kaksiimpulssimuodoissa kukin symboli lähetetään kahdesti kahdella eri taajuudella (26 µs per symboli) — kapasiteettia vaihdetaan häirinnänkestoon.

Salaus ja häirintänsuoja

Linkkiä suojaavat kaksi kryptografista muuttujaa. Viestien suojaus (MSEC) salaa sisällön; lähetyksen suojaus (TSEC) kätkee aaltomuodon — se avainnottaa yhdessä verkkonumeron kanssa hyppelykuvion, sirppisekoituksen ja kunkin välin alun satunnaisen jitteriviiveen, joten häirrin ei voi ennakoida, missä ja milloin seuraava impulssi tulee. Spektrin hajotus, lomittunut koodaus ja kaksoisimpulssien moninaisuus lisäävät marginaalia. Vanhoja algoritmeja korvataan nyt kryptomodernisoinnissa (ks. päätteet alempana).

Link 16:n TDMA: aikavälit, kehykset ja epookit

Link 16:n ajoitus sisältää kolme sisäkkäistä yksikköä:

• Aikaväli — 7.8125 ms, eli 1/128 s: yksi lähetysmahdollisuus, 128 sekunnissa.
• Kehys — 12 sekuntia, 1,536 aikaväliä.
• Epookki — 12.8 minuuttia, 64 kehystä, 98,304 aikaväliä; aikataulu toistuu sitten (112.5 epookkia vuorokaudessa).

Välit lomittuvat kolmeen joukkoon — A-0, B-0, C-0, A-1, B-1, C-1 ja niin edelleen — joten kussakin joukossa on 512 väliä per kehys ja 32,768 per epookki. Osoitus kirjoitetaan joukkona, alkoindeksinä ja toistumisnumeron R:nä, eli 2^R väliä per epookki (R = 0–15). Esimerkiksi tason 10 lohko on 1,024 väliä per epookki: yksi väli 0.75 s:n välein. Suunnittelijat tekevät tämän aritmetiikan NPG kerrallaan — Link 16:n verkkosuunnitteluoppaamme käy sen läpi vaihe vaiheelta.

Välin sisällä standardimuoto etenee näin: näennäissatunnainen jitteriviive, synkronointi- ja ajanhienosäätöimpulssit, viestin otsikko ja data sekä lopuksi etenemisen suojaväli, jotta signaali ehtii kaukaisiin vastaanottimiin ennen seuraavaa väliä. Väli kantaa 72 impulssia (RTT pelkällä otsikolla), 258 (Standard Double Pulse, Packed-2 Single Pulse) tai 444 (Packed-2 Double Pulse, Packed-4 Single Pulse); tiheämmät muodot lyhentävät jitteriä tilaa saadakseen ja luopuvat häirintänsuojamarginaalista.

Kuinka suuri Link 16:n tiedonsiirtonopeus on?

Etsi Link 16:n nopeutta, ja löydät luvut 26.88 kbps, 115.2 kbps, 238 kbps ja "yli 1 Mbps" — joskus samalta sivulta. Suurin osa pitää paikkansa; ne vain laskevat eri asioita. Kaikki seuraa kolmesta asiasta: verkossa on 128 väliä sekunnissa; pakkausmuoto mahtuu 3, 6 tai 12 sanaa väliin; ja jokainen J-sarjan sana on 75 bittiä (70 dataa + 5 pariteettia), jotka Reed-Solomon-koodaus laajentaa 155 bitiksi radiotiellä.

• J-sarjan data on sitä, mitä sovellus voi käyttää kiinteämuotoisiin viesteihin: 70 bittiä × sanoja per väli × 128 väliä sekunnissa.
• Pariteetin kanssa lasketaan täydet 75-bittiset sanat; tämä on "koodattu" tai "suojattu" nopeus, jonka päätteiden tekniset tiedot mainitsevat, esim. 115 kbps muodolle Packed-4.
• Reed-Solomon-koodaamaton vapaa teksti, jota käytetään pääasiassa digitaaliseen puheeseen, täyttää jokaisen lohkon kaikki 155 bittiä — 1,860 bittiä per Packed-4-väli, mistä johtuu 238 kbps joissakin teknisissä tiedoissa — virheenkorjauksen kustannuksella.
• Enhanced Throughput (ET) MIDS-JTRS:ssä korvaa klassisen koodaustavan ja nostaa suojatun nopeuden 115 kbps:stä yli 1 Mbps:iin (valmistajien tiedot kertovat jopa 1,102 kbps) kestävyyden ja kantaman kustannuksella.

Kaksi varovaista huomiota painaa enemmän kuin otsikon luku. Nämä ovat yhden verkon kokonaismääriä, jotka kaikki osallistujat jakavat: yksikkö lähettää vain verkon suunnittelun sille antamissa väleissä, klassisen ylärajan ollessa 1,536 J-sanaa sekunnissa (12 sanaa × 128 väliä). Operatiiviset verkot harvoin ajavat täysillä Packed-4:ssä, koska tiivis pakkaus maksaa häirintänsuojamarginaalin ja rauhanajan taajuusluvitukset rajoittavat impulssitiheyttä; kapasiteetti kasvaa pinoamalla verkkoja eri verkkonumeroille, ei yhden verkon nopeuttamisella. Radioteknisesti lainattavaa kanavaleveyttä ei ole — kunkin verkon impulssit leviävät koko 969–1206 MHz:n hyppyjoukkoon. Puhe käyttää kahta kanavaa nopeudella 2.4 kbps (LPC-10) tai 16 kbps (CVSD).

Verkon osallistumisryhmät ja verkon roolit

NPG on sovittu luettelo viesteistä tunnisteen ja alatunnisteen mukaan, jotka palvelevat yhtä tehtävää; sen viestit lähtevät kyseiselle NPG:lle osoitetuissa väleissä, ja yksiköt tilaavat roolilleen tarpeelliset NPG:t. Numerointi on vakio; välimäärä per NPG päätetään joka operaatiolle. Yleisimmin käytetyt NPG:t:

NPG:iden rinnalla ovat roolit. NTR:n lisäksi verkko nimeää Initial Entry JU:t myöhemmin liittyville, verkon sijaintireferenssin sekä ensisijaiset ja toissijaiset navigointiohjaimet suhteelliseen navigointiin sekä välitysyksiköt; se erottaa myös C2-yksiköt, jotka ylläpitävät tilannekuvaa (maalinumerot, raportointivastuu, tunnistus), ei-C2-yksiköistä kuten hävittäjistä, jotka lähinnä kuluttavat sitä. Kaikki tämä lukitaan OPTASK LINKiin ja NDL:ään ennen kuin ensimmäinen pääte liittyy verkkoon.

Link 16:n päätteet: JTIDS, MIDS-LVT ja MIDS-JTRS

J-sarjan viestistä tulee Link 16 vasta, kun pääte aikatauluttaa, koodaa, salaa ja lähettää sen. Kolme perhettä ratkaisee:

Kaksi päivitystä ratkaisee, kun lukee alustan kalustoluetteloa. Kryptomodernisointi korvaa Link 16:n vanhat algoritmit — ohjelmoitavan salauksen MIDS-JTRS:ssä, Block Upgrade 2 (BU2) -päivityksen MIDS-LVT:ssä. Concurrent Multi-Netting-4 (CMN-4) antaa MIDS-JTRS-päätteelle mahdollisuuden vastaanottaa neljä viestiä neljällä verkkonumerolla samassa aikavälissä, ja Concurrent Contention Receive purkaa useita kilpailevia lähetyksiä yhdessä välissä, joten yksi laiva- tai maasijoitteinen pääte valvoo suurempaa osaa moniverkkoarkkitehtuurista. Taajuuksien uudelleenkartoitus mahdollistaa "kaistatun" toiminnan muista kaistan käyttäjistä poispäin, ja alustoille, joihin MIDS-laatikko ei mahdu, on olemassa pienempiä Link 16 -radioita. MIDS-päätteiden oppaamme käsittelee laitteistovalintaa perusteellisesti.

Link 16:n kantama, välitys ja JREAP

Link 16 on suoran näköyhteyden radio. Kunkin välin etenemisen suojaväli on mitoitettu 300 merimailiin tai 500 mailiin laajennetun kantaman tilassa — käytettävissä vain Standard- ja Packed-2 Single Pulse -muodoilla. Käytännössä horisontti ratkaisee ensin: korkealla lentävät lentokoneet käyttävät koko kantaman, alukset ja maayksiköt näkevät paljon vähemmän. Kolme mekanismia vie Link 16:ta pidemmälle:

• Välitys — ilma- tai pinta-aluksen pääte lähettää viestit uudelleen erikseen osoitetuissa väleissä. Se pysyy alkuperäisessä aaltomuodossa, mutta kuluttaa lisävälejä jokaista välitettyä viestiä kohden.
• JREAP (MIL-STD-3011 / STANAG 5518) pakkauttaa J-sarjan viestit muille välineille. JREAP-A käyttää ilmoitettua tunnuksen välitystä puolidupleksilinjoilla kuten UHF DAMA SATCOM, aina 2,400 bps:ään asti; JREAP-B on pistevälinen sarjaliitäntä; JREAP-C toimii IP:n yli UDP:llä tai TCP:llä ja on C2-keskusten ja yhdyskäytävien tavallisin valinta.
• SIMPLE (STANAG 5602) yhdistää TDL-testijärjestelmät ja laboratoriot IP:n tai sarjalinjojen yli ja pakkauttaa isäntäliitynnän liikenteen niin, että etälaite näkee sen kuin se tulisi päätteeltä.

Monet C2-sovellukset eivät koskaan kosketa radio-osaa: ne vastaanottavat Link 16:n JREAP-C-liikenteenä yhdyskäytävästä, joka on kytketty päätteeseen muualla, ja hajautettu koulutus tekee saman SISO-STD-002:lla DIS:n ja HLA:n yli.

Mitä ohjelmistotiimi rakentaa Link 16:n ympärille

J-sarjan viestit rakentuvat 75-bittisistä sanoista: alkusana — jonka ensimmäiset bitit tunnistavat viestin — jota seuraavat laajennussanat ja valinnaiset jatkosanat; tunniste ja alatunniste antavat tutun "J3.2"-merkinnän:

J-series initial word, 75 bits (bit 0 = least significant)
bits  0-1   word format      00 initial, 10 extension, 01 continuation
bits  2-6   label            J0 ... J31
bits  7-9   sub-label        .0 ... .7     (J3.2 = label 3, sub-label 2)
bits 10-12  message length   words in the message
bits 13-69  message fields   defined per message in MIL-STD-6016
bits 70-74  parity

Tunnisteet ryhmittelevät viestit tehtävän mukaan: J0–J1 verkon hallinta, J2 PPLI, J3 valvonta (J3.2 Air Track — ilmamaali, J3.3 Surface Track — pintamaali), J7–J8 tiedonhallinta, J9–J11 asekoordinointi, J12 johto (J12.0 Mission Assignment — tehtävänosoitus), J13 alustan tila, J14–J17 sähköinen sodankäynti, uhkavaroitus, kuvatiedustelu ja sää, J28–J30 kansallinen käyttö, J31 sekalaista. Täydellinen J-sarjan viestiluettelomme luetteloi jokaisen tunnisteen, ja J-sarjan kenttäoppaamme käsittelee koodekkien sudenkuopat.

Ohjelmistotiimi rakentaa harvoin itse radioa. Se rakentaa kaiken päätteen ja operaattorin väliin:

1. Isäntäliitynnän sovitin. Lataa alustustiedot ja vaihtaa J-sanoja päätteen kanssa MIL-STD-1553:n tai Ethernetin yli osoitetuilla NPG:illä ja väleillä.
2. J-sarjan koodekki. Bittitarkka koodaus ja purku MIL-STD-6016:n mukaan — "no statement" -arvot, varabitit, jatkosanat — testattuna referenssivektoreilla. Standardin jakelu on rajoitettua, joten pääsy kulkee valtion sponsorin kautta.
3. Datalinkin käsittely. Maalinumerot, raportointivastuu, korrelaatio, tunnistus sekä standardin asettamat antamis- ja vastaanottosäännöt.
4. Yhdyskäytävä C2-järjestelmään. J-sarjan maalien kääntäminen yhteisen operatiivisen tilannekuvan malliin ja välittäminen JREAP-C:hen, muille linkeille tai CoT:hen — taktisen datalinkin yhdyskäytävän työ.
5. Testityökalut. SIMPLE- ja SISO-STD-002-stimulaattorit, tallentimet ja analysaattorit, jotta suurin osa testauksesta tapahtuu ennen kuin kukaan varaa elävän verkon.

Link 16:n rajoitukset ja sen korvaaja

• Suora näköyhteys. Noin 300 mailin (500 mailia laajennetussa tilassa) ja radiohorisontin takana tarvitaan välitysvälejä tai JREAPia.
• Kapasiteetti. 128 väliä sekunnissa per verkko, enintään ~107.5 kbps J-sarjan dataa klassisella pakkauksella — kaikkien osallistujien jaettavaksi. Välitys kuluttaa välejä, tiivis pakkaus maksaa häirintänsuojamarginaalin, ja kuvat tai video mahtuvat tuskin.
• Spektrumisäännöt. Kansalliset taajuusluvitusopimukset rajoittavat lähetystehoa ja impulssitiheyttä kahden luvun aikavälin kuormitustekijällä (TSDF). TSDF 100/50 rajoittaa kaikki suoran näköyhteyden päätteet 396,288 impulssiin 12 sekunnin kehyksessä (1,536 väliä × 258 impulssia), yksittäisen päätteen puoleen siitä — ja koska Packed-4-välit kantavat 444 impulssia, se kattaa enintään ~58% väleistä kyseisessä muodossa. Päätteet toteuttavat Interference Protection Feature -ominaisuuden, joka valvoo rauhanajan rajoja.
• Kustannukset ja saatavuus. Päätteet ovat kalliita ja vientirajoitettuja, salaus vaatii kansallisen luovutuksen, viestistandardi on rajoitettu, ja jokainen verkko vaatii suunnittelua, avaimia ja alustustietoja ennen kuin se kantaa liikennettä.

Mikä sitten korvaa Link 16:n? Ei yksi asia, eikä pian: asennettu kalusto modernisoidaan paikallaan (kryptomodernisointi, taajuuksien uudelleenkartoitus, CMN-4, Enhanced Throughput), kun taas muut linkit ottavat tiettyjä tehtäviä — Link 22 näköyhteyden ulkopuoliseen meriliikenteeseen, IP-pohjaiset taktiset verkot liikenteelle, joka ei mahdu 7.8125 ms:n väleihin. Tiekartta käsitellään artikkelissa mikä korvaa Link 16:n, ja linkkejä vertaillaan artikkelissa Link 11 vs Link 16 vs Link 22.