Що таке Link 16: діапазон частот, пропускна здатність, TDMA та термінали

Link 16 — основний тактичний канал передачі даних НАТО: зашифрована, завадозахищена радіомережа в діапазоні 960–1215 МГц, яка дозволяє літакам, кораблям, підрозділам ППО і командним центрам обмінюватися позиціями, треками, наказами та голосовою інформацією майже в реальному часі. Стандарт визначено в MIL-STD-6016 і STANAG 5516; канал переносить повідомлення серії J фіксованого формату (TADIL J) і працює на терміналах JTIDS і MIDS із множинним доступом з часовим поділом (TDMA).

Цей посібник охоплює те, що справді шукають інженери та керівники програм: частотний план, структуру часових слотів, реальні швидкості передачі даних і причини розбіжностей у публікованих цифрах, групи участі в мережі, термінали та дальність. Про інтеграцію шлюзів і кодеків детальніше — у нашому посібнику з інтеграції ПЗ Link 16.

Що таке Link 16?

Link 16 — це дві речі водночас. Це стандарт повідомлень — каталог двійкових повідомлень серії J фіксованого формату для позицій, треків спостереження, координації застосування зброї, керування літаками та звітування про стан; «TADIL J» (Tactical Digital Information Link J) — старіша американська назва цього набору повідомлень. І водночас це радіомережа — сигнатура TDMA, яка шифрує кожну передачу, стрибає між 51 частотою і надає кожному учаснику власні часові слоти. США визначає обидві складові в MIL-STD-6016, НАТО — у STANAG 5516; наш огляд STANAG 5516 описує ці документи.

JTIDS, перша програма терміналів Link 16, сягає середини 1970-х; ВПС і ВМС США розгорнули системи на початку 1990-х. Нині Link 16 експлуатують США, країни-члени НАТО та партнери, як-от Австралія, Японія і Південна Корея. Типові учасники:

• Літаки — винищувачі (F-15, F-16, F/A-18, F-35, Eurofighter Typhoon, Rafale, Gripen), літаки морської патрульної авіації, заправники та платформи ДРЛО і керування, як-от E-3, E-7 і E-2.
• Кораблі — авіаносці, есмінці та фрегати флотів союзників.
• Протиповітряна та протиракетна оборона — наземні системи, як-от Patriot, NASAMS, SAMP/T і THAAD.
• Центри командування та керування, які формують і ведуть оперативну картину.
• Мережево-інтегрована зброя — боєприпаси, як-от JSOW C-1 і SDB II, що отримують оновлення в польоті.

Як працює канал передачі даних Link 16

Кожен учасник мережі — JTIDS/MIDS Unit, скорочено JU — має термінал, який тримає точний мережевий час. Час поділено на слоти по 7.8125 мс, і проєкт мережі — Network Data Load (NDL), що публікується в OPTASK LINK операції, — визначає кожному терміналу, які слоти є його передавальними. Кожен JU мовить у власних слотах, і будь-який JU у межах прямої видимості приймає його безпосередньо — головної станції, що ретранслює трафік, немає. Трафік групується в групи участі в мережі (NPG) — логічні канали, як-от PPLI, спостереження, керування чи голосовий звʼязок, — тож винищувач, літак ДРЛО і корабель працюють в одній мережі, але кожен опрацьовує лише те, що потрібно його ролі.

Один із терміналів є мережевим еталоном часу (NTR): його годинник задає мережевий час, мережа його ніколи не коригує, і в кожній мережі такий термінал рівно один. Термінал, що приєднується, досягає грубої синхронізації, приймаючи повідомлення Initial Entry (NPG 1), а тоді точної — обміном повідомленнями Round-Trip Timing (RTT, NPG 2 і 3). До учасників за радіогоризонтом доходить через ретрансляцію — повторну передачу в окремо призначених слотах — або через перенесення повідомлень серії J іншими середовищами за допомогою JREAP, розглянутого нижче.

Діапазон частот Link 16

Link 16 працює в діапазоні 960–1215 МГц — УХЧ-діапазоні «Lx», який МСЕ відводить під аерорадіонавігацію. Термінали стрибають 51-ю центральними частотами від 969 до 1206 МГц з кроком 3 МГц. Набір частот розбито на три піддіапазони так, щоб жодна несуча Link 16 не опинялася біля 1030 МГц чи 1090 МГц — частот запиту і відповіді IFF/SSR:

Діапазон використовується спільно з DME, TACAN, IFF/SSR, ADS-B, системами запобігання зіткненням і, у верхній частині, сигналами GNSS, як-от GPS L5, — і Link 16 є тут вторинним користувачем, який працює за принципом ненанесення завад на підставі національних угод про виділення частот. Саме тому канал має обмеження на передачу, яких немає в більшості військових радіостанцій (див. обмеження).

Стрибки частоти та структура імпульсів

Кожен імпульс несе 5-бітовий символ, закодований як один із 32 циклічних зсувів 32-чіпової послідовності (циклічне кодозсувне маніпулювання, CCSK), скрембльований псевдовипадковим чіповим патерном і модульований MSK на швидкості 5 Мчіп/с. Імпульс триває 6.4 мкс, за ним іде пауза 6.6 мкс — один імпульс кожні 13 мкс — і несуча перестрибує на нову частоту з кожним імпульсом, 76,923 рази на секунду, в порядку, заданому ключем захисту передачі та номером мережі. Дані повідомлень захищені кодом Ріда — Соломона RS(31,15), заголовок — кодом RS(16,7), а символи перемежовуються. У двоімпульсних форматах кожен символ передається двічі на двох різних частотах (26 мкс на символ) — ємністю задля завадостійкості.

Шифрування та захист від завад

Канал захищають дві криптографічні змінні. Захист повідомлень (MSEC) шифрує зміст; захист передачі (TSEC) приховує сигнатуру — разом із номером мережі він ключує патерн стрибків, чіповий скремблювальний шум і випадкову затримку (джитер) на початку кожного слота, тож постановник завад не може передбачити, де й коли буде наступний імпульс. Розширення спектра, перемежоване кодування і двоімпульсне рознесення додають запасу стійкості. Застарілі алгоритми нині замінюються в межах модернізації криптографії (див. термінали нижче).

TDMA Link 16: часові слоти, кадри та епохи

Часування Link 16 вкладає одну одиницю в іншу, утворюючи три рівні:

• Часовий слот — 7.8125 мс, тобто 1/128 с: одна можливість передачі, 128 на секунду.
• Кадр — 12 секунд, 1,536 часових слотів.
• Епоха — 12.8 хвилини, 64 кадри, 98,304 часові слоти; далі розклад повторюється (112.5 епохи на добу).

Слоти перемежовані у три набори — A-0, B-0, C-0, A-1, B-1, C-1 і так далі — тож кожен набір містить 512 слотів на кадр і 32,768 на епоху. Призначення записується як набір, початковий індекс і номер періодичності R, тобто 2^R слотів на епоху (R = 0–15). Блок із номером періодичності 10 — це, скажімо, 1,024 слоти на епоху: один слот кожні 0.75 с. Планувальники виконують цю арифметику для кожної NPG окремо — наш посібник із проєктування мереж Link 16 розбирає це покроково.

Усередині слота стандартний формат іде так: псевдовипадкова затримка (джитер), імпульси синхронізації та уточнення часу, заголовок і дані повідомлення, а тоді захисний інтервал на поширення, щоб сигнал досягав далеких приймачів до початку наступного слота. Слот вміщує 72 імпульси (RTT лише із заголовком), 258 (Standard Double Pulse, Packed-2 Single Pulse) або 444 (Packed-2 Double Pulse, Packed-4 Single Pulse); щільніші формати скорочують джитер, щоб звільнити місце, віддаючи частину запасу завадостійкості.

Яка пропускна здатність Link 16?

Пошукайте швидкість передачі даних Link 16 — і знайдете 26.88 kbps, 115.2 kbps, 238 kbps і «понад 1 Mbps», іноді на одній сторінці. Більшість цифр правильні; вони просто рахують різні речі. Усе випливає з трьох фактів: мережа має 128 слотів на секунду; формат пакування вміщує 3, 6 чи 12 слів у слот; і кожне слово серії J — це 75 бітів (70 даних + 5 паритетних), які кодування Ріда — Соломона розширює до 155 бітів в ефірі.

• Дані серії J — те, що застосунок може використати для повідомлень фіксованого формату: 70 бітів × слів на слот × 128 слотів на секунду.
• З паритетом — підрахунок повних 75-бітових слів; це «кодована» або «захищена» швидкість, яку наводять технічні паспорти терміналів, наприклад 115 kbps для Packed-4.
• Вільний текст без кодування Ріда — Соломона, що використовується головно для цифрового голосового звʼязку, заповнює всі 155 бітів кожного блока — 1,860 бітів на слот Packed-4, звідси й 238 kbps у деяких техпаспортах — ціною корекції помилок.
• Enhanced Throughput (ET) на MIDS-JTRS замінює класичну схему кодування і піднімає захищену швидкість з 115 kbps до понад 1 Mbps (дані виробників — до 1,102 kbps) ціною стійкості та дальності.

Дві застереження важливіші за заголовну цифру. Це сумарні значення для однієї мережі, спільні для всіх учасників: підрозділ передає лише у відведені проєктом мережі слоти, а класична стеля — 1,536 J-слів на секунду (12 слів × 128 слотів). І операційні мережі рідко працюють на повну в Packed-4, бо щільне пакування коштує запасу завадостійкості, а мирні частотні дозволи обмежують щільність імпульсів; ємність зростає накладанням мереж на різних номерах мереж, а не розгоном однієї мережі. У радіочастотному сенсі немає ширини каналу, яку можна було б назвати, — імпульси кожної мережі розсипані по всьому набору частот 969–1206 МГц. Голосовий звʼязок використовує два канали на 2.4 kbps (LPC-10) або 16 kbps (CVSD).

Групи участі в мережі та ролі в мережі

NPG — це узгоджений перелік повідомлень за міткою та підміткою, що обслуговує одну функцію; її повідомлення виходять у слотах, призначених цій NPG, а підрозділи підписуються на NPG, потрібні їхній ролі. Нумерація стандартна; кількість слотів на NPG визначається для кожної операції окремо. Найуживаніші NPG:

Поруч із NPG існують ролі. Крім NTR, мережа призначає Initial Entry JU для тих, хто приєднується пізніше, опорний вузол позиції мережі та головний і резервний контролери навігації для відносної навігації та підрозділи ретрансляції; вона також розрізняє підрозділи C2, які ведуть оперативну картину (номери треків, відповідальність за звітування, ідентифікація), і підрозділи поза C2, як винищувачі, які здебільшого лише споживають її. Усе це зафіксовано в OPTASK LINK і NDL ще до того, як перший термінал увійде в мережу.

Термінали Link 16: JTIDS, MIDS-LVT і MIDS-JTRS

Повідомлення серії J стає Link 16 лише тоді, коли термінал планує його в слоті, кодує, шифрує та передає. Мають значення три сімейства:

Два оновлення важать, коли ви читаєте перелік обладнання платформи. Модернізація криптографії замінює застарілі алгоритми Link 16 — програмовану криптографію на MIDS-JTRS, доопрацювання Block Upgrade 2 (BU2) на MIDS-LVT. Concurrent Multi-Netting-4 (CMN-4) дозволяє терміналу MIDS-JTRS приймати чотири повідомлення на чотирьох номерах мереж у тому самому часовому слоті, а Concurrent Contention Receive декодує кілька конкурентних передач в одному слоті, тож один корабельний чи наземний термінал контролює більшу частину багатомережевої архітектури. Перепризначення частот уможливлює роботу в «смугах», чистих від інших користувачів діапазону, а для платформ, які не вміщують блок MIDS, існують радіостанції Link 16 менших форм-факторів. Наш посібник із терміналів MIDS детально розбирає апаратний вибір.

Дальність Link 16, ретрансляція та JREAP

Link 16 — це радіозвʼязок у межах прямої видимості. Захисний інтервал на поширення в кожному слоті розрахований на 300 морських миль, або 500 миль в режимі розширеної дальності — доступному лише з форматами Standard і Packed-2 Single Pulse. На практиці першим вирішує горизонт: літаки на висоті можуть використати всю дальність, кораблі та наземні підрозділи мають значно меншу. Три механізми ведуть Link 16 далі:

• Ретрансляція — бортовий чи надводний термінал передає повідомлення повторно в окремо призначених слотах. Це лишається в межах рідної сигнатури, але кожне ретрансльоване повідомлення споживає додаткові слоти.
• JREAP (MIL-STD-3011 / STANAG 5518) упаковує повідомлення серії J для інших середовищ. JREAP-A використовує оголошену передачу маркера напівдуплексними каналами, як-от UHF DAMA SATCOM, аж до 2,400 bps; JREAP-B — послідовний канал точка-точка; JREAP-C працює поверх IP через UDP або TCP і є звичайним вибором для центрів C2 і шлюзів.
• SIMPLE (STANAG 5602) зʼєднує випробувальні стенди та лабораторії TDL через IP чи послідовні лінії, перепаковуючи трафік інтерфейсу хоста так, що віддалене обладнання бачить його так, ніби він надійшов від термінала.

Багато застосунків C2 взагалі не торкаються радіочастотної частини: вони отримують Link 16 як трафік JREAP-C від шлюза, підключеного до термінала в іншому місці, а розподілене навчання робить те саме через SISO-STD-002 поверх DIS і HLA.

Що будує команда розробників ПЗ навколо Link 16

Повідомлення серії J складаються з 75-бітових слів: початкове слово — його перші біти ідентифікують повідомлення — за яким ідуть слова розширення та необовʼязкові слова продовження; мітка та підмітка дають звичне позначення «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

Мітки групують повідомлення за функціями: J0–J1 керування мережею, J2 PPLI, J3 спостереження (J3.2 Air Track — повітряний трек, J3.3 Surface Track — надводний трек), J7–J8 керування інформацією, J9–J11 координація застосування зброї, J12 керування (J12.0 Mission Assignment — призначення місії), J13 стан платформи, J14–J17 РЕБ, попередження про загрозу, зображення та погода, J28–J30 національне використання, J31 інше. Наш повний перелік повідомлень серії J каталогізує кожну мітку, а польовий посібник із серії J розбирає пастки кодеків.

Команда розробників ПЗ рідко будує саме радіо. Вона будує все між терміналом та оператором:

1. Адаптер інтерфейсу хоста. Завантажує дані ініціалізації та обмінюється J-словами з терміналом через MIL-STD-1553 чи Ethernet для призначених NPG і слотів.
2. Кодек серії J. Побітово точне кодування та декодування за MIL-STD-6016 — значення «no statement», резервні біти, слова продовження — із тестуванням на еталонних векторах. Стандарт обмежено в розповсюдженні, тож доступ іде через державного спонсора.
3. Опрацювання каналу даних. Номери треків, відповідальність за звітування, кореляція, ідентифікація та правила видачі й отримання, які накладає стандарт.
4. Шлюз до системи C2. Перетворення треків серії J на модель спільної оперативної картини та пересилання на JREAP-C, інші канали чи CoT — робота шлюзу тактичних каналів даних.
5. Засоби тестування. Стимулятори SIMPLE і SISO-STD-002, реєстратори та аналізатори, щоб більшість перевірок відбувалася ще до того, як хтось замовлятиме реальну мережу.

Обмеження Link 16 і те, що прийде на зміну

• Пряма видимість. За межами приблизно 300 миль (500 миль із розширеною дальністю) та радіогоризонту потрібні слоти ретрансляції або JREAP.
• Ємність. 128 слотів на секунду на мережу, щонайбільше ~107.5 kbps даних серії J у класичному пакуванні — і це спільно для всіх учасників. Ретрансляція споживає слоти, щільне пакування коштує запасу завадостійкості, а зображення чи відео ледь вміщаються.
• Правила спектра. Національні угоди про виділення частот обмежують потужність передачі та щільність імпульсів двочисловим коефіцієнтом заповнення часових слотів (TSDF). TSDF 100/50 обмежує всі термінали в межах прямої видимості до 396,288 імпульсів на 12-секундний кадр (1,536 слотів × 258 імпульсів), один термінал — до половини цього; і оскільки слоти Packed-4 несуть 444 імпульси, це покриває щонайбільше ~58% слотів у такому форматі. Термінали реалізують функцію захисту від завад (Interference Protection Feature), яка слідкує за дотриманням мирних обмежень.
• Вартість і доступність. Термінали дорогі та підлягають експортному контролю, криптографія потребує національного дозволу, стандарт повідомлень обмежений, а кожна мережа потребує планування, ключів і даних ініціалізації, перш ніж почати переносити трафік.

Тож що ж прийде на зміну Link 16? Не одна річ, і не скоро: наявний парк модернізується на місці (модернізація криптографії, перепризначення частот, CMN-4, Enhanced Throughput), тоді як інші канали беруть на себе окремі завдання — Link 22 для морської роботи за межами прямої видимості, IP-мережі тактичного рівня для трафіку, який не вміщується в слоти по 7.8125 мс. Дорожню карту ми розбираємо в статті що замінить Link 16, а порівняння каналів — у Link 11 проти Link 16 проти Link 22.