数据链理论与系统（第2版）.pdf

I 通信与导航系列规划教材 数据链理论与系统数据链理论与系统（第（第 2 版）版）Theory and System of Data Link,2nd Edition 吕 娜 主编 张岳彤 陈柯帆 张焕梅 蓝 兴 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING II 内 容 简 介 数据链是按照规定的消息格式和通信协议，利用调制解调、编解码、抗干扰、组网通信和信息融合等多种技术，以面向比特的方式实时传输格式化数字信息的地空、空空、地地战术无线数据通信系统。本书首先论述数据链的基本理论和关键技术；然后分析典型航空数据链系统Link-4A、Link-11、Link-16 和Link-22 及其作战应用；最后介绍演进中的协同与制导数据链机间数据链、武器数据链、TTNT 和 CEC，数据链的网络化发展航空网络，以及代表性技术移动 ad hoc 网络和 LPI 通信技术等。本书结合作者多年的科研和教学实践，强调理论、技术和工程实际应用的综合性，既可作为高等院校教材，也可供从事数据链通信和系统设计的工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 数据链理论与系统/吕娜主编.2 版.北京：电子工业出版社，2018.8 通信与导航系列规划教材 ISBN 978-7-121-34868-6 .数 .吕 .数据传输高等学校教材 .TN919.1 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 183216 号 责任编辑：张来盛（）印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871 092 1/16 印张：21.75 字数：570 千字 版 次：2011 年 6 月第 1 版 2018 年 8 月第 2 版 印 次：2018 年 8 月第 1 次印刷 定 价：69.80 元 凡购买电子工业出版社的图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系。联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254467；。III 通信与导航系列规划教材总序 互联网和全球卫星导航系统被称为 20 世纪人类的两个最伟大发明，这两大发明的交互作用与应用构成了这套丛书出版的时代背景。近年来，移动互联网、云计算、大数据、物联网、机器人不断丰富着这个时代背景，呈现出缤纷多彩的人类数字化生活。例如，基于位置的服务集成卫星定位、通信、地理信息、惯性导航、信息服务等技术，把恰当的信息在恰当的时刻，以恰当的粒度（信息详细程度）和恰当的媒体形态（文字、图形、语音、视频等），送到恰当的地点，送给恰当的人。这样一来，通信和导航就成为通用技术基础，更加凸显了这套丛书出版的意义。由空军工程大学信息与导航学院组织编写的 14 部专业教材，涉及导航、密码学、通信、天线与电波传播、频谱管理、通信工程设计、数据链、增强现实原理与应用等，有些教材在教学中已经广泛采用，历经数次修订完善，更趋成熟；还有一些教材汇集了学院近年来的科研成果，有较强的针对性，内容新颖。这套丛书既适合各类专业技术人员进行专题学习，也可作为高校教材或参考用书。希望丛书的出版，有助于国内相关领域学科发展，为信息技术人才培养作出贡献。中国工程院院士 IV 通信与导航系列规划教材编委会 主 编 尹玉富 吴耀光 副主编 魏 军 周义建 管 桦 高利平 编 委 吴德伟 王 辉 封同安 刘 明 徐 有 朱 蒙 曹祥玉 达新宇 吕 娜 张晓燕 杜思深 黄国策 张 婧 魏 伟 陈树新 翁木云 段艳丽 刘 霞 李 强 罗 玺 鲁 炜 李金良 李 凡 黄 涛 刘振霞 程 建 郑光威 王建峰 颜佳冰 李 晨 V 前 言 数据链是按照规定的消息格式和通信协议，以面向比特的方式实时传输格式化数字信息的战术无线数据通信系统。数据链作为数字化战场作战的“黏合剂”和“倍增器”，其对预警、指挥和协同等作战效能的提升作用，已在大量飞行试验和实战演习中逐渐得到验证和体现，并逐步向战斗力生成转化。数据链的应用和发展，需要相关通信理论和通信技术的支撑，更需要对通信理论与技术的应用研究以及通信技术与系统的集成，对技术和工程应用的综合要求较高。本书从培养应用型复合人才的角度出发，在介绍数据链基本概念和基本原理的基础上，重点围绕航空数据链的关键通信技术以及航空数据链的典型应用系统进行全面而系统的论述。全书共 10 章，可分为两部分：第一部分为数据链理论与技术，包括第 1 章第 6 章；第二部分为数据链系统，包括第 7 章第 10 章。各章主要内容以及修订情况如下：第 1 章 数据链概述。本章辨析数据链的内涵，阐述数据链的理论体系架构，介绍数据链的典型系统及其特点，建立数据链的基本概念和知识体系。与第 1 版相比，第 2 版重新梳理了数据链的知识体系，系统性地给出了数据链理论体系架构；增加了与数据通信、通信网络以及数据链系统等关联概念的对比分析；规范了典型战术数据链系统的描述。第 2 章 数据链的传输信道。本章介绍数据链通信信道的相关知识和理论。首先从电磁波传播的角度，介绍数据链的电波传播相关理论；然后从天线的角度，介绍相关天线理论和数据链使用的天线；最后，分析三种主要数据链通信信道的特点，描述通信信道模型。第 2 版补充完善了电波传播和天线的基础理论内容，如电磁感应定律、波动方程、无线电工程的分贝概念和天线参数等；梳理了波形失真与畸变对电波传播的影响，从色散效应、多径效应和多普勒效应等方面进行描述；梳理地面和机载数据链天线，重新编写了相关内容；修改超短波信道内容，增加了信道模型的介绍。第 3 章 数据链的信号波形技术。本章围绕数据链物理层波形技术，介绍数据链系统中使用的调制技术、信息编码技术和差错控制技术的原理、性能，以及它们在相应数据链通信系统中的应用。第 4 章 数据链的抗干扰技术。本章主要从频域角度介绍数据链的抗干扰技术。在简要介绍通信抗干扰技术的基础上，重点叙述数据链中主要的扩频抗干扰技术。由于抗干扰与数据链的波形技术关系密切，故第 2 版将本章调整到数据链的信号波形技术（第 3 章）之后，并修改了 Link-16 数据链抗干扰技术的部分内容。第 5 章 数据链的多址接入技术。本章围绕数据链建链层技术，介绍构建数据链网络的组网技术多址接入技术。首先介绍无线网络、移动自组织网络以及数据链的典型多址接入类型，对比各类 MAC 协议的特点；然后重点分析说明 Link-11 数据链的轮询协议和 Link-16 数据链的 TDMA 协议及其性能，简要分析 CSMA 协议；最后概括数据链 MAC 协议的发展需求，并介绍新型数据链 MAC 协议。第 2 版增加了对无线信道资源、点对点信道与广播信道、全连通网络与多跳网络等概念的描述；完善 Link-11 数据链轮询协议的性能分析，补充了 Link-16 VI 数据链 TDMA 协议的性能分析；加强了数据链组网技术的多业务、拓扑动态、多跳等变化趋势的分析，对数据链 MAC 协议的研究方向进行重新分类，并按照新的分类介绍 USAP 和DTDMA 协议，增加了多信道 SPMA 协议。第 6 章 数据链的网络管理。本章围绕数据链网络的设计和维护，介绍数据链的网络管理技术。主要对通用的网络管理技术进行概略性介绍，重点讨论网络管理在数据链系统中的应用，详细分析 Link-11、Link-22 特别是 Link-16 数据链系统的网络管理。第 2 版完善了 Link-16 数据链系统的网络管理部分，增加了 Link-22 数据链系统网络管理的内容。第 7 章 Link-4A/Link-11 数据链系统。本章介绍美军 Link-4A 和 Link-11 数据链系统的组成、功能、网络结构、消息标准、帧结构、性能特点以及应用。第 2 版修改完善了 Link-11 数据链系统的消息帧结构以及信号帧结构，补充了对 Link-11B 数据链系统的描述。第 8 章 Link-16 数据链系统。本章介绍美军目前广泛装备使用的 Link-16 数据链系统，该系统可实现大量平台之间快速、实时、可靠的信息分发和共享，支持不同军兵种联合作战。主要包括系统组成、系统功能、网络结构、消息帧结构、消息标准、性能特点以及系统应用，重点介绍传输体制、组网体制以及系统功能的特殊性。第 2 版修改完善了有关 JTIDS 波形的内容，增加了对 Link-16 网络中继功能和中继模式的介绍。第 9 章 Link-22 数据链系统。本章介绍 Link-11 数据链的改进型，即 Link-22 数据链系统。简要介绍 Link-22 数据链系统的系统结构、信号特征、网络结构和消息标准。第 2 版补充完善了对 Link-22 数据链通信性能特点的对比分析。第 10 章 数据链的发展。本章介绍适应未来作战需求的新型数据链技术和数据链系统。围绕多业务、网络化、互联互通和空天地一体化的数据链基本发展趋势，介绍近年来开展的主要研究项目以及所涉及的新型数据链和相关新技术，重点介绍机间数据链、武器数据链网络、战术瞄准网络、协同作战能力和航空网络，以及移动自组织网络技术和隐身通信技术等。第 2版增加了“数据链的演进”一节，对数据链战术需求与技术演进的过程进行了总结；梳理了协同与精确制导需求下的新型数据链，增加了战术瞄准网络、协同作战能力等内容。本书第 2 版由吕娜主编，张岳彤、陈柯帆、张焕梅、蓝兴编著，参与编写和修订的还有刘创、曹芳波、周家欣、邹鑫清和朱梦圆；全书由吕娜统稿。在本书的编写和修订过程中，单位领导和同事给予了大力支持，提出了很多宝贵的建议；另外，本书参考和引用了大量新的技术文献资料。在此，向所有为本书的出版作出贡献的人们表示衷心感谢！数据链的内涵和外延随着数字化战场的深化而不断发展，由于编者水平有限，加之时间仓促，书中定有谬误和不当之处，敬请读者批评指正。编者邮箱：L 编 者 2018 年 5 月 VII 目 录 第第 1 章章 数据链概述数据链概述 1 1.1 引言1 1.2 数据链概念2 1.2.1 数据链的产生背景2 1.2.2 何谓数据链4 1.2.3 数据链的作用5 1.2.4 数据链类型6 1.3 数据链理论体系 10 1.3.1 组成要素 10 1.3.2 网络拓扑 12 1.3.3 参考模型 15 1.3.4 通信业务 18 1.3.5 关键技术 19 1.3.6 性能指标 20 1.4 数据链系统 24 1.4.1 典型系统 24 1.4.2 系统组成 24 1.4.3 系统特点 26 1.4.4 战术应用 27 1.5 关联概念辨析 28 本章小结 29 思考与练习 30 参考文献 30 第第 2 章章 数据链的传输信道数据链的传输信道 31 2.1 电波传播 31 2.1.1 无线电波 31 2.1.2 自由空间的电波传播 35 2.1.3 实际空间的电波传播 36 2.2 天线 47 2.2.1 基本天线理论 47 2.2.2 数据链中常用的天线 51 2.3 数据链通信信道 62 2.3.1 超短波信道 62 VIII 2.3.2 短波信道 65 2.3.3 卫星信道 70 本章小结 76 思考与练习 76 参考文献 77 第第 3 章章 数据链的信号波形技术数据链的信号波形技术 79 3.1 数字调制技术 79 3.1.1 BPSK、/4-DQPSK 和 8PSK 79 3.1.2 MSK 86 3.1.3 QAM 88 3.1.4 网格编码调制（TCM）技术 90 3.2 信息编码技术 92 3.2.1 差分脉码调制 92 3.2.2 增量调制 93 3.2.3 线性预测编码（LPC）94 3.3 差错控制技术 96 3.3.1 差错控制方法 96 3.3.2 纠错编码的基本原理 99 3.3.3 循环码100 3.3.4 卷积码101 3.3.5