数据链理论与系统（第2版）

本书内容构筑成关于数据链的从理论、相关技术到系统应用的完整体系，虽然所介绍的是国外的数据链系统，但作者多年来教学和研究成果融入其中。这是一部很好的学习和研究数据链的教材或参考书。 

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；*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——移动自组织网和LPI通信技术等。

吕娜：空军工程大学教授，空军高层次人才，通信与信息系统“航空通信与数据链”方向硕士生导师、博士生副导师。一直从事超短波通信、航空数据链的教学和科研工作。参与空军地空通信重大项目多项，获军队科技进步二等奖和三等奖各2项，空军通信军事理论研究优秀成果三等奖2项；主持军口863创新基金项目1项、预研基金1项，航空科学基金项目2项，陕西省自然科学基金项目3项，军内科研项目3项，横向合作项目2项。发表论文30余篇，其中SCI检索1篇、EI检索5篇、ISTP检索4篇；主持编写教材6部，其中公开出版1部。

目 录
第1章 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 11
1.3.1 组成要素 11
1.3.2 网络拓扑 13
1.3.3 参考模型 17
1.3.4 通信业务 20
1.3.5 关键技术 21
1.3.6 性能指标 22
1.4 数据链系统 26
1.4.1 典型系统 26
1.4.2 系统组成 27
1.4.3 系统特点 28
1.4.4 战术应用 29
1.5 关联概念辨析 31
本章小结 32
思考与练习 33
参考文献 33
第2章 数据链的传输信道 34
2.1 电波传播 34
2.1.1 无线电波 34
2.1.2 自由空间的电波传播 37
2.1.3 实际空间的电波传播 39
2.2 天线 51
2.2.1 基本天线理论 51
2.2.2 数据链中常用天线 54
2.3 数据链通信信道 66
2.3.1 超短波信道 66
2.3.2 短波信道 70
2.3.3 卫星信道 74
本章小结 80
思考与练习 80
参考文献 82
第3章 数据链的信号波形技术 83
3.1 数字调制技术 83
3.1.1 BPSK、?/4-DQPSK和8PSK 83
3.1.2 MSK 90
3.1.3 QAM 93
3.1.4 网格编码调制（TCM）技术 96
3.2 信息编码技术 98
3.2.1 适应差值脉码调制 98
3.2.2 增量调制 99
3.2.3 线性预测编码 100
3.3 差错控制技术 102
3.3.1 差错控制方法 102
3.3.2 纠错编码的基本原理 105
3.3.3 循环码 106
3.3.4 卷积码 107
3.3.5 CRC码 108
3.3.6 RS码 109
3.3.7 Turbo码 110
3.3.8 LDPC编码 113
3.3.9 交织 116
本章小结 118
思考与练习 118
参考文献 118
第4章 数据链的抗干扰技术 120
4.1 概述 120
4.1.1 通信对抗 120
4.1.2 通信干扰 122
4.1.3 抗干扰通信 123
4.2 扩展频谱技术 123
4.2.1 抗干扰通信理论基础 124
4.2.2 直接序列扩谱（DSSS） 126
4.2.3 跳变频率扩谱（FHSS） 130
4.2.4 跳变时间扩谱（THSS） 133
4.2.5 调频扩谱（ChirpSS） 134

4.2.6 混合扩展频谱（Hybrid SS） 135
4.3 LINK-16数据链的扩频抗干扰 137
4.3.1 软扩频（CCSK编码） 138
4.3.2 跳频 140
4.3.3 跳时 141
本章小结 141
思考与练习 141
参考文献 141
第5章 数据链的多址接入技术 143
5.1 多址接入技术与MAC协议 143
5.1.1 相关概念 143
5.1.2 多址接入技术 145
5.1.3 MAC协议 146
5.1.4 无线网络MAC协议 146
5.1.5 Ad Hoc网络的MAC协议 152
5.1.6 战术数据链的MAC协议 152
5.2 轮询协议 154
5.2.1 应用场景和协议描述 154
5.2.2 协议性能参数 155
5.2.3 协议性能分析 156
5.2.4 Link?4A的MAC协议 163
5.3 固定分配TDMA协议 164
5.3.1 应用场景和协议描述 165
5.3.2 时隙分配 165
5.3.3 协议性能分析 174
5.4 CSMA协议 180
5.4.1 典型随机竞争MAC协议 180
5.4.2 随机竞争MAC协议在航空数据链中的应用 185
5.5 数据链MAC协议的发展趋势 185
5.5.1 正交域多址接入（ODMA）和USAP协议 187
5.5.2 具有QoS的按需分配动态TDMA MAC协议 193
5.5.3 基于统计优先级的多址接入（SPMA）协议 199
本章小结 203
思考与练习 203
参考文献 204
第6章 数据链的网络管理 208
6.1 网络管理基础 208
6.1.1 网络管理的必要性 208

6.1.2 网络管理体系结构 210
6.2 数据链中的网络管理 211
6.2.1 数据链网络管理系统的功能、组成及特性 211
6.2.2 数据链网络管理系统操作流程 212
6.3 LINK-11网络管理 215
6.3.1 网络控制站 215
6.3.2 网络循环时间 216
6.3.3 运行管理 217
6.4 LINK-16网络管理 219
6.4.1 网络设计 220
6.4.2 通信规划 224
6.4.3 初始化 229
6.4.4 网络控制 232
6.5 LINK-22网络管理 235
6.5.1 网络责任 235
6.5.2 超网/网络的管理 236
本章小结 238
思考与练习 238
参考文献 239
第7章 LINK-4A/ LINK-11数据链系统 240
7.1 LINK-4A数据链系统 240
7.1.1 Link-4系统综述 240
7.1.2 Link-4A系统结构 243
7.1.3 消息帧结构及消息标准 244
7.1.4 网络结构 247
7.1.5 网络管理 248
7.1.6 性能特点 249
7.2 LINK-11数据链系统 250
7.2.1 系统综述 250
7.2.2 系统结构 251
7.2.3 消息标准 255
7.2.4 信号波形 257
7.2.5 网络结构 259
7.2.6 网络工作模式 259
7.2.7 性能特点 261
7.2.8 Link-11B 263
本章小结 264
思考与练习 265
参考文献 265

第8章 LINK-16数据链系统 266
8.1 系统综述 266
8.1.1 发展历史 266
8.1.2 性能特点 267
8.1.3 作战效能 268
8.1.4 装备情况 268
8.2 LINK-16设备 268
8.2.1 2类JTIDS终端 269
8.2.2 MIDS终端 274
8.2.3 辅助保障设备 274
8.3 JTIDS波形 274
8.3.1 信息加密 275
8.3.2 传输脉冲 275
8.3.3 射频调制 276
8.3.4 时隙结构与数据封装 276
8.4 J系列消息标准 279
8.4.1 消息种类（固定格式） 280
8.4.2 消息帧结构 281
8.5 LINK-16网络 284
8.5.1 资源分配 284
8.5.2 单网结构 286
8.5.3 中继 288
8.6 系统功能 289
8.6.1 网络参与组 289
8.6.2 网络参与单元 290
8.6.3 初始入网、往返计时A和往返计时B 291
8.6.4 精确参与定位与识别A、精确参与定位与识别B、间接PPLI和联合PPLI 293
8.6.5 其他功能 294
8.7 LINK-16应用系统 295
8.7.1 Link-16舰载系统 295
8.7.2 E-2C预警机Link-16系统 298
8.7.3 F-14D战斗机Link-16系统 300
8.7.4 系统作战能力 301
8.7.5 典型作战应用 302
8.8 性能特点 304
本章小结 305
思考与练习 305
参考文献 306
第9章 LINK-22数据链系统 307
9.1 系统综述 307
9.2 系统结构 308
9.3 F/FJ消息标准 311
9.4 LINK-22网络 314
9.5 性能特点 318
本章小结 320
思考与练习 321
参考文献 321
第10章 数据链的发展 322
10.1 数据链的演进 322
10.2 协同与精确制导需求下的数据链 324
10.2.1 新型数据链的特点 324
10.2.2 美军机间数据链 324
10.2.3 武器数据链网络 327
10.2.4 战术瞄准网络技术 330
10.2.5 协同交战能力 335
10.3 航空网络 341
10.3.1 航空网络概述 342
10.3.2 航空网络特点 344
10.3.3 航空网络体系结构 345
10.3.4 技术挑战 348
10.4 移动自组织网 351
10.4.1 移动ad hoc网络 351
10.4.2 网络的特点 353
10.4.3 网络的拓扑结构 354
10.4.4 航空网络与移动ad hoc网络 355
10.5 LPI通信技术 357
10.5.1 LPI通信概述 357
10.5.2 LPI通信波形特点 360
10.5.3 LPI通信系统性能参数 360
10.5.4 信道损耗对LPI通信的影响 364
本章小结 368
思考与练习 368
参考文献 369

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”，对预警、指挥及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，需要相关通信理论与通信技术的支撑，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，在数据链基本概念和基本原理介绍的基础上，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。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；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 数据链的信息传输技术。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、差错控制技术的原理、性能，以及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，第2版将本章调整到数据链传输技术章节之后，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协议及其协议性能，简要分析CSMA协议；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描述；完善Link-11数据链轮询协议的性能分析，补充了Link-16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协议的研究方向重新分类，并按照新的分类介绍USAP协议和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数据链系统的系统组成、系统功能、网络结构、消息标准、帧结构、性能特点以及系统应用。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Link-11B数据链系统描述。
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JTIDS波形内容；添加了对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、网络结构及消息标准。第2版补充完善了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、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、协同交战能力和航空网络，以及移动自组织网络技术和隐身通信技术等。第2版增加了数据链演进的章节，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、协同交战能力等内容。
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： [email protected]
   编  者    
  2018年5月