Czym jest Link 16? Zakres częstotliwości, przepustowość, TDMA i terminale

Link 16 to podstawowe taktyczne łącze danych NATO: szyfrowana, odporna na zakłócenia sieć radiowa w paśmie 960–1215 MHz, która pozwala samolotom, okrętom, pododdziałom obrony powietrznej i centrom dowodzenia wymieniać pozycje, ślady, rozkazy i łączność głosową w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Standard definiują MIL-STD-6016 i STANAG 5516; łącze przenosi komunikaty serii J o stałym formacie (TADIL J) i działa na terminalach JTIDS i MIDS z wielodostępem z podziałem czasu (TDMA).

Ten przewodnik obejmuje to, czego faktycznie szukają inżynierowie i kierownicy programów: plan częstotliwości, strukturę szczelin czasowych, rzeczywiste szybkości transmisji i przyczyny rozbieżności w publikowanych liczbach, grupy uczestnictwa w sieci, terminale oraz zasięg. Więcej o integracji bramek i kodeków — w naszym przewodniku po integracji oprogramowania Link 16.

Czym jest Link 16?

Link 16 to dwie rzeczy naraz. To standard komunikatów — katalog binarnych komunikatów serii J o stałym formacie dla pozycji, śladów obserwacji, koordynacji użycia broni, sterowania samolotami i raportowania stanu; „TADIL J” (Tactical Digital Information Link J) to starsza amerykańska nazwa tego zestawu komunikatów. I to jednocześnie sieć radiowa — sygnał TDMA, który szyfruje każdą transmisję, przeskakuje po 51 częstotliwościach i przydziela każdemu uczestnikowi własne szczeliny czasowe. W USA obie strony określa MIL-STD-6016, w NATO — STANAG 5516; nasz przegląd STANAG 5516 opisuje te dokumenty.

JTIDS, pierwszy program terminali Link 16, sięga połowy lat 70.; siły powietrzne i marynarka wojenna USA wdrożyły systemy na początku lat 90. Dziś Link 16 użytkują Stany Zjednoczone, państwa NATO oraz partnerzy, jak Australia, Japonia i Korea Południowa. Typowi uczestnicy:

• Samoloty — myśliwce (F-15, F-16, F/A-18, F-35, Eurofighter Typhoon, Rafale, Gripen), samoloty patrolowe, tankowce i platformy wczesnego ostrzegania i sterowania, takie jak E-3, E-7 i E-2.
• Okręty — lotniskowce, niszczyciele i fregaty flot sojuszniczych.
• Obrona powietrzna i przeciwrakietowa — systemy naziemne, takie jak Patriot, NASAMS, SAMP/T i THAAD.
• Centra dowodzenia i sterowania, które budują i prowadzą obraz sytuacji.
• Broń zintegrowana z siecią — amunicja, jak JSOW C-1 i SDB II, która odbiera aktualizacje w locie.

Jak działa łącze danych Link 16

Każda jednostka w sieci — JTIDS/MIDS Unit, w skrócie JU — ma terminal, który utrzymuje dokładny czas sieci. Czas podzielono na szczeliny po 7.8125 ms, a projekt sieci — Network Data Load (NDL) publikowany w OPTASK LINK operacji — określa każdemu terminalowi, które szczeliny są jego szczelinami nadawania. Każdy JU nadaje we własnych szczelinach i każdy JU w zasięgu bezpośredniej widoczności odbiera go bezpośrednio — nie ma stacji nadrzędnej przekazującej ruch. Ruch jest grupowany w grupy uczestnictwa w sieci (NPG) — logiczne kanały, takie jak PPLI, obserwacja, sterowanie czy głos — więc myśliwiec, samolot AEW&C i okręt współdzielają jedną sieć, a każdy przetwarza tylko to, czego wymaga jego rola.

Jeden z terminali jest sieciowym wzorcem czasu (NTR): jego zegar definiuje czas sieci, sieć nigdy go nie koryguje, a w każdej sieci jest dokładnie jeden taki terminal. Dołączający terminal osiąga synchronizację zgrubną, odbierając komunikat Initial Entry (NPG 1), a następnie dokładną — wymieniając komunikaty Round-Trip Timing (RTT, NPG 2 i 3). Jednostki poza horyzontem radiowym są osiągane przez retransmisję — ponowną transmisję w osobno przydzielonych szczelinach — albo przez przenoszenie komunikatów serii J innymi nośnikami za pomocą JREAP, opisanego niżej.

Zakres częstotliwości Link 16

Link 16 działa w paśmie 960–1215 MHz — pasmie UHF „Lx”, które ITU przydziela radionawigacji lotniczej. Terminale przeskakują po 51 częstotliwościach środkowych od 969 do 1206 MHz, co 3 MHz. Zestaw przeskoków jest podzielony na trzy podpasma tak, aby żadna nośna Link 16 nie znalazła się blisko 1030 MHz ani 1090 MHz — częstotliwości odpytywania i odpowiedzi IFF/SSR:

Pasmo jest współdzielone z DME, TACAN, IFF/SSR, ADS-B, systemami antykolizyjnymi i, u góry, sygnałami GNSS, jak GPS L5 — a Link 16 jest tam użytkownikiem wtórnym, działającym bez zakłócania innych na mocy krajowych porozumień o przydziale częstotliwości. Dlatego łącze ma limity nadawania, których nie ma większość radiostacji wojskowych (zob. ograniczenia).

Przeskoki częstotliwości i struktura impulsów

Każdy impuls przenosi symbol 5-bitowy zakodowany jako jeden z 32 przesunięć cyklicznych 32-chipowej sekwencji (cykliczne kluczowanie przesunięciem kodu, CCSK), scrablowany pseudolosowym wzorem chipów i modulowany MSK z szybkością 5 Mchip/s. Impuls trwa 6.4 µs, po nim następuje 6.6 µs ciszy — jeden impuls co 13 µs — a nośna przeskakuje na nową częstotliwość przy każdym impulsie, 76,923 razy na sekundę, w kolejności zadanej kluczem bezpieczeństwa transmisji i numerem sieci. Dane komunikatów chroni kodowanie Reeda-Solomona RS(31,15), nagłówek — RS(16,7), a symbole są przeplatane. W formatach dwuimpulsowych każdy symbol jest wysyłany dwukrotnie na dwóch różnych częstotliwościach (26 µs na symbol) — pojemnością płaci się za odporność na zakłócenia.

Szyfrowanie i ochrona przed zagłuszaniem

Łącze chronią dwie zmienne kryptograficzne. Bezpieczeństwo komunikatów (MSEC) szyfruje treść; bezpieczeństwo transmisji (TSEC) ukrywa sygnał — razem z numerem sieci tworzy klucz wzorca przeskoków, szumu scrablującego chipy i losowego opóźnienia jitter na początku każdej szczeliny, więc zakłócacz nie może przewidzieć, gdzie i kiedy pojawi się następny impuls. Rozpraszanie widma, kodowanie z przeplotem i różnorodność dwuimpulsowa dodają zapas. Starsze algorytmy są obecnie wymieniane w ramach modernizacji kryptografii (zob. terminale niżej).

TDMA w Link 16: szczeliny czasowe, ramki i epoki

Miernictwo czasu w Link 16 zagnieżdża trzy jednostki:

• Szczelina czasowa — 7.8125 ms, tj. 1/128 s: jedna możliwość nadawania, 128 na sekundę.
• Ramka — 12 sekund, 1,536 szczelin czasowych.
• Epoka — 12.8 minuty, 64 ramki, 98,304 szczeliny czasowe; potem harmonogram się powtarza (112.5 epoki na dobę).

Szczeliny są przeplatane w trzy zbiory — A-0, B-0, C-0, A-1, B-1, C-1 i tak dalej — więc każdy zbiór liczy 512 szczelin na ramkę i 32,768 na epokę. Przydział zapisuje się jako zbiór, indeks początkowy i numer tempa powtarzania R, co oznacza 2^R szczelin na epokę (R = 0–15). Blok o tempie 10 to na przykład 1,024 szczeliny na epokę: jedna szczelina co 0.75 s. Planujący wykonują tę arytmetykę osobno dla każdej NPG — nasz przewodnik po projektowaniu sieci Link 16 przeprowadza przez to krok po kroku.

Wewnątrz szczeliny standardowy format przebiega tak: pseudolosowe opóźnienie jitter, impulsy synchronizacji i doprecyzowania czasu, nagłówek i dane komunikatu, a na końcu margines na propagację, aby sygnał dotarł do dalekich odbiorników przed następną szczeliną. Szczelina mieści 72 impulsy (RTT z samym nagłówkiem), 258 (Standard Double Pulse, Packed-2 Single Pulse) lub 444 (Packed-2 Double Pulse, Packed-4 Single Pulse); gęstsze formaty skracają jitter, by zrobić miejsce, oddając zapas odporności na zakłócenia.

Jaką przepustowość ma Link 16?

Poszukaj szybkości transmisji Link 16, a znajdziesz 26.88 kbps, 115.2 kbps, 238 kbps i „ponad 1 Mbps” — czasem na tej samej stronie. Większość tych liczb jest poprawna; po prostu liczą różne rzeczy. Wszystko wynika z trzech faktów: sieć ma 128 szczelin na sekundę; format pakowania mieści 3, 6 lub 12 słów w szczelinie; a każde słowo serii J to 75 bitów (70 danych + 5 parzystości), które kodowanie Reeda-Solomona rozszerza do 155 bitów w eterze.

• Dane serii J to to, co aplikacja może wykorzystać dla komunikatów o stałym formacie: 70 bitów × słów na szczelinę × 128 szczelin na sekundę.
• Z parzystością liczy pełne słowa 75-bitowe; to szybkość „kodowana” lub „chroniona”, którą podają karty katalogowe terminali, np. 115 kbps dla Packed-4.
• Tekst swobodny bez kodowania Reeda-Solomona, używany głównie do cyfrowej łączności głosowej, wypełnia wszystkie 155 bitów każdego bloku — 1,860 bitów na szczelinę Packed-4, stąd 238 kbps w niektórych kartach katalogowych — kosztem korekcji błędów.
• Enhanced Throughput (ET) w MIDS-JTRS zastępuje klasyczny schemat kodowania i podnosi chronioną szybkość ze 115 kbps do ponad 1 Mbps (dane producentów — do 1,102 kbps) kosztem odporności i zasięgu.

Dwa zastrzeżenia ważą więcej niż liczba z nagłówka. To wartości sumaryczne dla jednej sieci, współdzielone przez wszystkich uczestników: jednostka nadaje tylko w szczelinach przydzielonych przez projekt sieci, a klasyczny sufit to 1,536 słów J na sekundę (12 słów × 128 szczelin). Sieci operacyjne rzadko pracują na maksimum w Packed-4, bo gęste pakowanie kosztuje zapas odporności na zakłócenia, a pokojowe przydziały częstotliwości ograniczają gęstość impulsów; pojemność rośnie przez nakładanie sieci na różnych numerach sieci, a nie przez rozpędzanie jednej sieci. W sensie radiowym nie ma tu szerokości kanału do podania — impulsy każdej sieci są rozłożone na całym zestawie 969–1206 MHz. Głos używa dwóch kanałów o 2.4 kbps (LPC-10) lub 16 kbps (CVSD).

Grupy uczestnictwa w sieci i role w sieci

NPG to uzgodniona lista komunikatów według etykiety i podetykiety, obsługująca jedną funkcję; jej komunikaty wychodzą w szczelinach przydzielonych tej NPG, a jednostki subskrybują NPG potrzebne ich roli. Numeracja jest standardowa; liczbę szczelin na NPG ustala się dla każdej operacji. Najczęściej używane NPG:

Obok NPG istnieją role. Poza NTR sieć wyznacza Initial Entry JU dla jednostek dołączających później, odniesienie pozycji sieci oraz główny i zapasowy kontroler nawigacji dla nawigacji względnej oraz jednostki retransmisyjne; rozróżnia też jednostki C2, które prowadzą obraz sytuacji (numery śladów, odpowiedzialność raportowania, identyfikacja), od jednostek niebędących C2, jak myśliwce, które głównie ten obraz konsumują. Wszystko to jest ustalone w OPTASK LINK i NDL, zanim pierwszy terminal wejdzie do sieci.

Terminale Link 16: JTIDS, MIDS-LVT i MIDS-JTRS

Komunikat serii J staje się Link 16 dopiero wtedy, gdy terminal zaplanuje go w szczelinie, zakoduje, zaszyfruje i nada. Znaczenie mają trzy rodziny:

Dwie modernizacje mają znaczenie przy czytaniu wykazu wyposażenia platformy. Modernizacja kryptografii zastępuje starsze algorytmy Link 16 — kryptografię programowalną w MIDS-JTRS, modyfikację Block Upgrade 2 (BU2) w MIDS-LVT. Concurrent Multi-Netting-4 (CMN-4) pozwala terminalowi MIDS-JTRS odbierać cztery komunikaty na czterech numerach sieci w tej samej szczelinie czasowej, a Concurrent Contention Receive dekoduje kilka transmisji rywalizacyjnych w jednej szczelinie, więc jeden okrętowy lub naziemny terminal śledzi większą część architektury wielosieciowej. Remapping częstotliwości umożliwia pracę „pasmową” z dala od innych użytkowników pasma, a dla platform, które nie pomieszczą bloku MIDS, istnieją radiostacje Link 16 w mniejszych obudowach. Nasz przewodnik po terminalach MIDS szczegółowo omawia wybór sprzętu.

Zasięg Link 16, retransmisja i JREAP

Link 16 to radio o zasięgu bezpośredniej widoczności. Margines propagacyjny w każdej szczelinie jest wymiarowany na 300 mil morskich, a w trybie rozszerzonego zasięgu — 500 mil, dostępnym tylko z formatami Standard i Packed-2 Single Pulse. W praktyce najpierw rozstrzyga horyzont: samoloty na pułapie wykorzystają pełny zasięg, okręty i jednostki naziemne widzą znacznie mniej. Trzy mechanizmy prowadzą Link 16 dalej:

• Retransmisja — terminal na pokładzie lub na wodzie nadaje komunikaty ponownie w osobno przydzielonych szczelinach. Pozostaje na natywnym sygnale, ale każdy retransmitowany komunikat zużywa dodatkowe szczeliny.
• JREAP (MIL-STD-3011 / STANAG 5518) pakuje komunikaty serii J dla innych nośników. JREAP-A używa deklarowanego przekazywania żetonu na łączach półdupleksowych, jak UHF DAMA SATCOM, aż do 2,400 bps; JREAP-B to łącze szeregowe punkt-punkt; JREAP-C działa po IP z UDP lub TCP i jest typowym wyborem dla centrów C2 i bramek.
• SIMPLE (STANAG 5602) łączy stanowiska testowe TDL i laboratoria przez IP lub linie szeregowe, przepakowując ruch interfejsu hosta tak, że zdalny sprzęt widzi go tak, jakby pochodził z terminala.

Wiele aplikacji C2 w ogóle nie dotyka strony radiowej: Link 16 przychodzi do nich jako ruch JREAP-C z bramy podłączonej do terminala gdzie indziej, a szkolenia rozproszone robią to samo przez SISO-STD-002 po DIS i HLA.

Co buduje zespół programistyczny wokół Link 16

Komunikaty serii J budowane są ze słów 75-bitowych: słowo początkowe — którego pierwsze bity identyfikują komunikat — po którym następują słowa rozszerzenia i opcjonalne słowa kontynuacji; etykieta i podetykieta dają znane oznaczenie „J3.2”:

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

Etykiety grupują komunikaty według funkcji: J0–J1 zarządzanie siecią, J2 PPLI, J3 obserwacja (J3.2 Air Track — ślad powietrzny, J3.3 Surface Track — ślad nawodny), J7–J8 zarządzanie informacją, J9–J11 koordynacja broni, J12 sterowanie (J12.0 Mission Assignment — przydział misji), J13 status platformy, J14–J17 wojna elektroniczna, ostrzeganie przed zagrożeniem, zobrazowania i pogoda, J28–J30 użycie krajowe, J31 różne. Nasza kompletna lista komunikatów serii J kataloguje każdą etykietę, a poradnik pól serii J omawia pułapki kodeków.

Zespół programistyczny rzadko buduje samo radio. Buduje wszystko między terminalem a operatorem:

1. Adapter interfejsu hosta. Ładuje dane inicjalizacyjne i wymienia słowa J z terminalem po MIL-STD-1553 lub Ethernetie dla przydzielonych NPG i szczelin.
2. Kodek serii J. Kodowanie i dekodowanie bitowo dokładne wg MIL-STD-6016 — wartości „no statement”, bity zapasowe, słowa kontynuacji — testowane na wektorach odniesienia. Standard ma ograniczony obieg, więc dostęp odbywa się przez państwowego sponsora.
3. Przetwarzanie łącza danych. Numery śladów, odpowiedzialność raportowania, korelacja, identyfikacja oraz reguły wysyłania i odbioru narzucane przez standard.
4. Brama do systemu C2. Tłumaczenie śladów serii J na model wspólnego obrazu operacyjnego i przekazywanie do JREAP-C, innych łączy lub CoT — zadanie bramy taktycznych łączy danych.
5. Narzędzia testowe. Stymulatory SIMPLE i SISO-STD-002, rejestratory i analizatory, dzięki którym większość testów odbywa się, zanim ktokolwiek zarezerwuje żywą sieć.

Ograniczenia Link 16 i co go zastąpi

• Bezpośrednia widoczność. Poza około 300 milami (500 w trybie rozszerzonym) i horyzontem radiowym potrzebne są szczeliny retransmisyjne albo JREAP.
• Pojemność. 128 szczelin na sekundę na sieć, najwyżej ~107.5 kbps danych serii J w klasycznym pakowaniu — współdzielone przez wszystkich uczestników. Retransmisja zżera szczeliny, gęste pakowanie kosztuje odporność na zakłócenia, a zobrazowania czy wideo ledwo się mieszczą.
• Reguły widma. Krajowe porozumienia częstotliwościowe ograniczają moc nadawania i gęstość impulsów dwucyfrowym współczynnikiem wypełnienia szczelin czasowych (TSDF). TSDF 100/50 ogranicza wszystkie terminale w zasięgu bezpośredniej widoczności do 396,288 impulsów na 12-sekundową ramkę (1,536 szczelin × 258 impulsów), pojedynczy terminal — do połowy tego; a ponieważ szczeliny Packed-4 niosą 444 impulsy, obejmuje to najwyżej ~58% szczelin w tym formacie. Terminale implementują funkcję Interference Protection Feature, która wymusza limity pokojowe.
• Koszt i dostęp. Terminale są drogie i objęte kontrolą eksportu, kryptografia wymaga zgody krajowej, standard komunikatów jest zastrzeżony, a każda sieć wymaga planowania, kluczy i danych inicjalizacyjnych, zanim zacznie przenosić ruch.

Więc co zastąpi Link 16? Nie jedna rzecz i nie szybko: zainstalowana baza jest modernizowana na miejscu (modernizacja kryptografii, remapping częstotliwości, CMN-4, Enhanced Throughput), a inne łącza przejmują konkretne zadania — Link 22 do morskiej pracy poza zasięgiem widoczności, sieci taktyczne oparte na IP dla ruchu, który nie mieści się w szczelinach po 7.8125 ms. Mapę drogową omawiamy w artykule co zastąpi Link 16, a łącza porównujemy w Link 11 vs Link 16 vs Link 22.