Ce este Link 16? Bandă de frecvențe, debit, TDMA și terminale

Link 16 este principala legătură tactică de date a NATO: o rețea radio criptată și rezistentă la bruiaj în banda 960–1215 MHz care permite aeronavelor, navelor, unităților de apărare antiaeriană și centrelor de comandă să partajeze poziții, piste, ordine și voce în timp aproape real. Este definită de MIL-STD-6016 și STANAG 5516, transportă mesaje cu format fix din seria J (TADIL J) și rulează pe terminale JTIDS și MIDS cu acces multiplu cu divizare în timp (TDMA).

Acest ghid acoperă ceea ce caută efectiv inginerii și managerii de programe: planul de frecvențe, structura intervalelor de timp, ratele de date reale și de ce cifrele publicate diferă, grupurile de participare la rețea, terminalele și raza de acțiune. Pentru profunzimea integrării gateway-urilor și codecurilor, vezi ghidul nostru de integrare software Link 16.

Ce este Link 16?

Link 16 este două lucruri deodată. Este un standard de mesaje — catalogul de mesaje binare cu format fix din seria J pentru poziții, piste de supraveghere, coordonarea armamentului, conducerea aeronavelor și stare; „TADIL J” (Tactical Digital Information Link J) este denumirea americană mai veche a acestui set de mesaje. Și este în același timp o rețea radio — o formă de undă TDMA care criptează fiecare transmisie, sare pe 51 de frecvențe și oferă fiecărui participant propriile intervale de timp. SUA specifică ambele în MIL-STD-6016, NATO în STANAG 5516; explicația noastră STANAG 5516 acoperă documentele.

JTIDS, primul program de terminale Link 16, datează de la mijlocul anilor 1970; Forțele Aeriene și Marina SUA au desfășurat sisteme la începutul anilor 1990. Astăzi Link 16 este operat de Statele Unite, statele NATO și parteneri precum Australia, Japonia și Coreea de Sud. Participanți tipici:

• Aeronave — avioane de vânătoare (F-15, F-16, F/A-18, F-35, Eurofighter Typhoon, Rafale, Gripen), avioane de patrulare maritimă, avioane-cisternă și platforme AEW&C precum E-3, E-7 și E-2.
• Nave — portavioane, distrugătoare și fregate în marinele aliate.
• Apărare antiaeriană și antirachetă — sisteme terestre precum Patriot, NASAMS, SAMP/T și THAAD.
• Centre de comandă și control care construiesc și gestionează imaginea operațională.
• Arme integrate în rețea — muniții precum JSOW C-1 și SDB II care primesc actualizări în zbor.

Cum funcționează legătura de date Link 16

Fiecare unitate din rețea — o JTIDS/MIDS Unit, sau JU — are un terminal care menține ora exactă a rețelei. Timpul este împărțit în intervale de 7.8125 ms, iar proiectul rețelei — Network Data Load (NDL), publicat în OPTASK LINK-ul operației — îi spune fiecărui terminal ce intervale sunt intervalele sale de emisie. Fiecare JU emite în propriile intervale, iar fiecare JU în vizibilitate directă o primește direct — nu există o stație master care retransmite traficul. Traficul este grupat în grupuri de participare la rețea (NPG) — canale logice precum PPLI, supraveghere, control sau voce — astfel încât un avion de vânătoare, o aeronavă AEW&C și o navă partajează aceeași rețea, fiecare procesând doar ce îi cere rolul.

Un terminal este referința de timp a rețelei (NTR): ceasul său definește ora rețelei, nu este niciodată corectat de rețea, și există exact unul pe rețea. Un terminal care se alătură atinge sincronizarea grosieră primind un mesaj Initial Entry (NPG 1), apoi sincronizarea fină schimbând mesaje Round-Trip Timing (RTT, NPG 2 și 3). Unitățile dincolo de orizontul radio sunt atinse prin retransmisie — reemitere în intervale alocate separat — sau prin transportul mesajelor serie J pe alte medii cu JREAP, tratat mai jos.

Banda de frecvențe Link 16

Link 16 operează în banda 960–1215 MHz — banda UHF „Lx”, pe care ITU o alocă radionavigației aeronautice. Terminalele sar pe 51 de frecvențe centrale de la 969 la 1206 MHz, distantate la 3 MHz. Setul de salturi este împărțit în trei subbenzi astfel încât nicio purtătoare Link 16 să nu cadă lângă 1030 MHz sau 1090 MHz — frecvențele de interogare și răspuns IFF/SSR:

Banda este partajată cu DME, TACAN, IFF/SSR, ADS-B, sistemele anti-coliziune și, sus, cu semnale GNSS precum GPS L5 — iar Link 16 este acolo utilizator secundar, operând fără interferențe în temeiul acordurilor naționale de alocare a frecvențelor. De aceea legătura poartă limite de emisie pe care majoritatea radiourilor militare nu le au (vezi limitările).

Saltul de frecvență și structura impulsurilor

Fiecare impuls poartă un simbol de 5 biți, codat ca una dintre cele 32 deplasări ciclice ale unei secvențe de 32 cipuri (cyclic code shift keying, CCSK), amestecat cu un model de cipuri pseudoaleatoriu și modulat MSK la 5 Mcip/s. Un impuls durează 6.4 µs urmat de 6.6 µs de liniște — un impuls la fiecare 13 µs — iar purtătoarea sare pe o frecvență nouă la fiecare impuls, de 76,923 de ori pe secundă, într-o ordine dată de cheia de securitate a transmisiei și numărul rețelei. Datele mesajelor sunt protejate cu codarea Reed-Solomon RS(31,15), antetul cu RS(16,7), iar simbolurile sunt împletite. În formatele cu impuls dublu fiecare simbol este trimis de două ori pe două frecvențe diferite (26 µs pe simbol) — capacitate schimbată pe rezistența la bruiaj.

Criptare și antibruiaj

Două variabile criptografice protejează legătura. Securitatea mesajelor (MSEC) criptează conținutul; securitatea transmisiei (TSEC) ascunde forma de undă — împreună cu numărul rețelei, cheiază modelul de salturi, amestecarea cipurilor și întârzierea jitter aleatorie de la începutul fiecărui interval, astfel încât un bruiaj nu poate prezice unde și când va fi următorul impuls. Împrăștierea spectrului, codarea împletită și diversitatea cu impuls dublu adaugă marjă. Algoritmii vechi sunt acum înlocuiți prin modernizarea criptografiei (vezi terminalele mai jos).

TDMA în Link 16: intervale de timp, cadre și epoci

Temporizarea Link 16 îmbină trei unități una în alta:

• Interval de timp — 7.8125 ms, adică 1/128 s: o ocazie de emisie, 128 pe secundă.
• Cadru — 12 secunde, 1,536 de intervale de timp.
• Epocă — 12.8 minute, 64 de cadre, 98,304 intervale; apoi programul se repetă (112.5 epoci pe zi).

Intervalele sunt împletite în trei seturi — A-0, B-0, C-0, A-1, B-1, C-1 și așa mai departe — astfel încât fiecare set are 512 intervale pe cadru și 32,768 pe epocă. O alocare se scrie ca set, indice de start și numărul ratei de recurență R, adică 2^R intervale pe epocă (R = 0–15). Un bloc cu rata 10 are, de exemplu, 1,024 de intervale pe epocă: un interval la fiecare 0.75 s. Planificatorii fac această aritmetică NPG cu NPG — ghidul nostru de proiectare a rețelelor Link 16 o parcurge pas cu pas.

În interiorul unui interval, formatul standard rulează astfel: întârziere jitter pseudoaleatorie, impulsuri de sincronizare și rafinare a timpului, antetul și datele mesajului, apoi o gardă de propagare ca semnalul să ajungă la receptoarele îndepărtate înainte de intervalul următor. Un interval poartă 72 de impulsuri (RTT doar cu antet), 258 (Standard Double Pulse, Packed-2 Single Pulse) sau 444 (Packed-2 Double Pulse, Packed-4 Single Pulse); formatele mai dense micșorează jitterul pentru a face loc, cedând marjă antibruiaj.

Câtă lățime de bandă are Link 16?

Cauți rata de date a Link 16 și găsești 26.88 kbps, 115.2 kbps, 238 kbps și „peste 1 Mbps” — uneori pe aceeași pagină. Majoritatea sunt corecte; ele numără doar lucruri diferite. Totul decurge din trei fapte: o rețea are 128 de intervale pe secundă; un format de împachetare pune 3, 6 sau 12 cuvinte într-un interval; și fiecare cuvânt serie J are 75 de biți (70 de date + 5 de paritate), pe care codarea Reed-Solomon îi extinde la 155 de biți în eter.

• Datele serie J sunt ce poate folosi o aplicație pentru mesaje cu format fix: 70 de biți × cuvinte pe interval × 128 de intervale pe secundă.
• Cu paritate numără cuvintele complete de 75 de biți; aceasta este rata „codată” sau „protejată” citată de fișele tehnice ale terminalelor, de ex. 115 kbps pentru Packed-4.
• Textul liber fără codare Reed-Solomon, folosit în principal pentru vocea digitală, umple toți cei 155 de biți ai fiecărui bloc — 1,860 de biți pe interval Packed-4, de aici 238 kbps în unele fișe tehnice — cu prețul corecției erorilor.
• Enhanced Throughput (ET) pe MIDS-JTRS înlocuiește schema clasică de codare și ridică rata protejată de la 115 kbps la peste 1 Mbps (datele producătorilor citează până la 1,102 kbps), cu prețul robusteții și al razei.

Două avertismente cântăresc mai mult decât cifra din titlu. Acestea sunt totaluri pentru o rețea, partajate de toți participanții: o unitate emite doar în intervalele date de proiectul rețelei, sub plafonul clasic de 1,536 de cuvinte J pe secundă (12 cuvinte × 128 intervale). Și rețelele operaționale rulează rareori la maxim în Packed-4, fiindcă împachetarea densă costă marjă antibruiaj, iar alocările de frecvențe în timp de pace limitează densitatea impulsurilor; capacitatea crește suprapunând rețele pe numere diferite, nu accelerând o singură rețea. În termeni RF nu există o lățime de canal de citat — impulsurile fiecărei rețele se împrăștie pe tot setul de salturi 969–1206 MHz. Vocea folosește două canale la 2.4 kbps (LPC-10) sau 16 kbps (CVSD).

Grupuri de participare la rețea și roluri în rețea

O NPG este o listă agreată de mesaje, după etichetă și subetichetă, care deservesc o funcție; mesajele ei ies în intervalele alocate acelei NPG, iar unitățile se abonează la NPG-urile de care are nevoie rolul lor. Numerotarea este standard; numărul de intervale pe NPG se decide pentru fiecare operație. NPG-uri folosite curent:

Lângă NPG-uri stau rolurile. Pe lângă NTR, o rețea numește Initial Entry JU pentru cei care se alătură târziu, o referință de poziție a rețelei și controlori de navigație primar și secundar pentru navigația relativă, precum și unități de retransmisie; ea distinge și unitățile C2, care gestionează imaginea (numere de pistă, responsabilitatea raportării, identificarea), de unitățile non-C2 precum vânătoarele, care o consumă în principal. Totul este fixat în OPTASK LINK și NDL înainte ca primul terminal să intre în rețea.

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

Un mesaj serie J devine Link 16 abia când un terminal îl planifică într-un interval, îl codează, criptează și transmite. Trei familii contează:

Două modernizări contează când citești lista de echipamente a unei platforme. Modernizarea criptografică înlocuiește algoritmii vechi Link 16 — criptografie programabilă pe MIDS-JTRS, un retrofit Block Upgrade 2 (BU2) pe MIDS-LVT. Concurrent Multi-Netting-4 (CMN-4) permite unui terminal MIDS-JTRS să primească patru mesaje pe patru numere de rețea în același interval de timp, iar Concurrent Contention Receive decodează mai multe transmisii în competiție într-un singur interval, astfel încât un terminal de navă sau terestru monitorizează mai mult dintr-o arhitectură multirețea. Remaparea frecvențelor permite operarea „în benzi”, departe de alți utilizatori ai benzii, iar pentru platformele care nu pot găzdui o cutie MIDS există radiouri Link 16 mai compacte. Ghidul nostru de terminale MIDS tratează în detaliu alegerea hardware-ului.

Raza Link 16, retransmisia și JREAP

Link 16 este radio în vizibilitate directă. Garda de propagare din fiecare interval este dimensionată pentru 300 de mile nautice, sau 500 nm în modul rază extinsă — disponibil doar cu formatele Standard și Packed-2 Single Pulse. În practică orizontul decide primul: aeronavele la altitudine pot folosi toată raza, navele și unitățile terestre văd mult mai puțin. Trei mecanisme duc Link 16 mai departe:

• Retransmisia — un terminal aerian sau de suprafață retransmite mesajele în intervale alocate separat. Rămâne pe forma de undă nativă, dar consumă intervale suplimentare pentru fiecare mesaj retransmis.
• JREAP (MIL-STD-3011 / STANAG 5518) împachetează mesajele serie J pentru alte medii. JREAP-A folosește token passing anunțat pe legături semiduplex precum UHF DAMA SATCOM, până la 2,400 bps; JREAP-B este serial punct-la-punct; JREAP-C rulează peste IP cu UDP sau TCP și este alegerea uzuală pentru centrele C2 și gateway-uri.
• SIMPLE (STANAG 5602) leagă standurile de test TDL și laboratoarele prin IP sau linii seriale, reîmpachetând traficul interfeței gazdă astfel încât echipamentul distant îl vede ca și cum ar veni de la un terminal.

Multe aplicații C2 nu ating deloc partea de radiofrecvență: primesc Link 16 ca trafic JREAP-C de la un gateway conectat la un terminal în altă parte, iar antrenamentul distribuit face același lucru cu SISO-STD-002 peste DIS și HLA.

Ce construiește o echipă software în jurul Link 16

Mesajele serie J sunt construite din cuvinte de 75 de biți: un cuvânt inițial — ale cărui prime biți identifică mesajul — urmat de cuvinte de extensie și cuvinte de continuare opționale; eticheta și subeticheta dau notația familiară „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

Etichetele grupează mesajele pe funcții: J0–J1 administrarea rețelei, J2 PPLI, J3 supraveghere (J3.2 Air Track — pistă aeriană, J3.3 Surface Track — pistă de suprafață), J7–J8 managementul informației, J9–J11 coordonarea armamentului, J12 control (J12.0 Mission Assignment — atribuirea misiunii), J13 starea platformei, J14–J17 război electronic, avertizare de amenințare, imagini și meteo, J28–J30 uz național, J31 diverse. Lista noastră completă a mesajelor serie J cataloghează fiecare etichetă, iar ghidul câmpurilor serie J acoperă capcanele codecurilor.

O echipă software rareori construiește radioul. Construiește tot ce se află între terminal și operator:

1. Adaptorul interfeței gazdă. Încarcă datele de inițializare și schimbă cuvinte J cu terminalul prin MIL-STD-1553 sau Ethernet pentru NPG-urile și intervalele alocate.
2. Codecul serie J. Codare și decodare exactă la bit după MIL-STD-6016 — valorile „no statement”, biții de rezervă, cuvintele de continuare — testată pe vectori de referință. Standardul are distribuție restricționată, accesul trece printr-un sponsor guvernamental.
3. Prelucrarea legăturii de date. Numere de pistă, responsabilitatea raportării, corelarea, identificarea și regulile de emitere și primire impuse de standard.
4. Gateway-ul către sistemul C2. Traducerea pistelor serie J în modelul unei imagini operaționale comune și transmiterea către JREAP-C, alte legături sau CoT — munca unui gateway de legături tactice de date.
5. Unelte de test. Stimulatoare SIMPLE și SISO-STD-002, înregistratoare și analizoare, astfel încât majoritatea testelor au loc înainte ca cineva să rezerve o rețea reală.

Limitele Link 16 și ce îl va înlocui

• Vizibilitate directă. Dincolo de circa 300 nm (500 nm extins) și de orizontul radio, aveți nevoie de intervale de retransmisie sau JREAP.
• Capacitate. 128 de intervale pe secundă pe rețea, cel mult ~107.5 kbps de date serie J în împachetarea clasică — partajate de toți participanții. Retransmisia consumă intervale, împachetarea densă costă marjă antibruiaj, iar imaginile sau video abia încap.
• Regulile spectrului. Acordurile naționale de alocare a frecvențelor limitează puterea de emisie și densitatea impulsurilor printr-un Time Slot Duty Factor (TSDF) cu două cifre. Un TSDF de 100/50 limitează toate terminalele în vizibilitate directă la 396,288 de impulsuri pe cadrul de 12 secunde (1,536 intervale × 258 impulsuri), un singur terminal la jumătate — și, fiindcă intervalele Packed-4 poartă 444 de impulsuri, acoperă cel mult ~58% din intervalele în acel format. Terminalele implementează o Interference Protection Feature care impune limitele din timp de pace.
• Cost și acces. Terminalele sunt scumpe și controlate la export, criptografia cere eliberare națională, standardul de mesaje este restricționat, iar fiecare rețea are nevoie de planificare, chei și date de inițializare înainte să poarte trafic.

Deci ce va înlocui Link 16? Nu un singur lucru, și nu curând: parcul instalat este modernizat pe loc (modernizarea criptografiei, remaparea frecvențelor, CMN-4, Enhanced Throughput), în timp ce alte legături iau sarcini specifice — Link 22 pentru lucrul maritim dincolo de vizibilitatea directă, rețelele tactice bazate pe IP pentru traficul care nu încape în intervale de 7.8125 ms. Acoperim foaia de parcurs în ce va înlocui Link 16 și comparăm legăturile în Link 11 vs Link 16 vs Link 22.