基于Link-16 的NTR 分布式接替机制技术
研究
齐征，刘家康，项慧慧，王崇**
作者简介：齐征，（1985-），男，学生，主要研究方向：无线自组织网络OPNET 网络仿真
通信联系人：刘家康，（1964-），男，教授，主要研究方向：无线通信技术及通信网络技术. E-mail:
liujk@bit.edu.cn
5 （北京理工大学信息与电子学院，北京 100081）
摘要：针对Link-16 存在的集中控制式管理的局限，本文提出了新的接替机制——网络时间
基准（NTR）分布式接替机制，并给出了具体的技术流程。最后，利用网络仿真工具OPNET
对该NTR 接替机制进行建模仿真，仿真结果表明该接替机制能明显地提高网络的抗毁性能。
关键词：Link-16；抗毁性；分布式接替机制；OPNET 建模仿真
 25 0 引言
Link-16 战术数据链是目前军事网络中应用最广泛的数据链类型，它实现了参战单元之
间的实时交换战术信息，同时也符合现代战争的信息化联合作战和精确作战的特点。
Link-16 作为一种军事网络，网络抗毁性一直是备受关注的热点问题。本文根据Link-16
系统的相关标准文档，提出了网络时间基准（Network Time Reference）的分布式接替机制，
30 通过OPNET 进行建模仿真，验证了该机制的可行性和对网络抗毁性的提高[1]。
1 NTR 分布式接替机制的研究
Link-16 采用同步时分多址（TDMA）的接入方式。网络运行过程中，NTR 为网络中的
每个JU 提供统一的时间基准，每个节点在自己的时隙中发送战术消息。NTR 一旦失效，网
络中其他节点会查询自身维护的网络邻节点列表[2]，以找出最符合条件的节点作为新NTR，
35 从而继续为网络提供时间基准，使网络能持续正常运行，从而提高网络的抗毁性。
该分布式接替机制取消了已有集中控制式接替机制[2]中的网络指控节点，取而代之的是
网络节点通过标准报文的定期交互查询NTR 状态，通过一系列的操作实现功能角色的接替。
因为采用了标准报文，所以，网络额外开销几乎为零。
 1.1 NTR 分布式接替机制的可行性分析
40 Link-16 系统具备两个重要特点：一、节点的无差别性，即所有成员设备的功能与性能
相同；二、网络的分布式或无中心特性，即系统不是以某个设备作为网络的中心控制设备，
且NTR 不是不可或缺的。NTR 失效后，其他节点也可以接替NTR，继续维持网络的同步[1]。
此两个特点使得NTR 的接替可以实现。
1.2 NTR 分布式接替机制的技术流程
45 1.2.1 网络设计、初始化与通信规划
此三部分是数据链网络运行之前必须正确设定的三个阶段，主要负责完成：作战计划的
想定、节点功能角色的分配、网络时隙资源的按需分配等[1]。其中，节点功能角色的分配包
括了：网络时间基准（NTR），备用NTR，主要用户（PRU），次要用户（SU），网络管
理员[3]。
50 该接替机制中网络管理员的职责，由网络初始化控制节点担任。在网络运行初始化阶段，
网络管理员根据作战单元的任务不同需求，为作战单元指定不同的角色以完成各自的任务
[4]。根据作战单元所参与的NPG 对业务量的不同需求，分配一定的时隙资源[3]。
1.2.2 网络运行主程序流程
网络运行的主流程如图1-1 所示。
55 网络运行初始化后，即刻进入时间推进状态，以保证网络时间的准确同步。在网络运行
期间，各节点向网络中广播接替机制使用的不同格式的消息。网络中的节点都是被动获取邻
节点的消息，并及时地维护、更新自身所含的网络邻节点列表的信息。
仿真中，通过设定NTR 失效时间值（确定性失效）和依概率随机产生失效时间值（随
机性失效）的方式，使NTR 节点失效，模拟关键节点的被毁情况。同时，各节点对网络邻
60 节点均设有定时器，且定期查询邻节点的状态信息，从而将列表中邻节点的信息进行及时更
新。
由图可见，每个节点定期地接收NTR 的广播信息，并在定时器门限值超出时，确定NTR
节点的失效，及时更新NTR 信息，并在列表中查询并选出最符合作为NTR 的节点，被选的
节点除了转换自身角色外，还要向外广播NTR 接替包以进行接替实现的通知或确认，以使
65 其他节点与之进行同步，之后，网络恢复正常通信，以达到提高网络抗毁性的目的。
 图1-1 网络运行主流程
1.2.3 网络邻节点列表维护及更新
70 随着网络的运行，各节点通过消息的交互动态地建立网络邻节点的信息列表，同时进行
信息的及时更新。该列表为后续的新NTR 选取做好了铺垫，其内容包括：列表所属节点、
邻节点的航迹号、邻节点的时间质量值（由角色确定的优先级）、与NTR 的距离。
网络邻节点列表的维护及更新流程如图1-2 所示。
 75 图1-2 网络邻节点列表的维护及更新
1.2.4 网络NTR 的选取流程
为了使网络能在NTR 失效后持续正常地运行，各节点必须对列表的信息进行查询，以
选取最佳节点作为网络新的NTR。
80 如图1-3 所示，网络NTR 的选取步骤：查询优先级最高的节点，如果节点数唯一，返
回该节点航迹号；不唯一，则查询NTR 距离值，此时，如果某节点的NTR 距离值最小，则
返回该节点航迹号；如果多个节点同时具有NTR 距离最小值，则将航迹号最小的节点航迹
号返回，作为新NTR 的航迹号。选取出新NTR 后，该节点须更换自身角色，并向外广播
NTR 接替包，以确定NTR 的成功接替。
 图1-3 网络NTR 的选取流程
2 OPNET 仿真平台搭建
为了对该机制进行验证，采用网络仿真工具OPNET 搭建网络环境[5]。如图3-1 所示：
90 仿真场景采用Link-16 视距通信范围300 海里，8 个节点模拟Link-16 实体端机，包含了：
NTR、备用NTR（Backup NTR）、初始入网单元（IEJU）、一般作战单元四种类型。为了
对端到端的统计量进行统计，指定了Source 和Destination 端机。此外，有仿真初始化控制
节点，负责网络时隙资源的分配。动态接收机组负责对通信范围进行限制。
网络和节点模型如图2-1 和2-2 所示。
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图2-1 OPNET 仿真拓扑图 图2-2 Link-16 节点模型
3 仿真结果及分析
仿真配置情况：1、8 个节点，视距通信；2、每个节点8 个时隙；3、仿真时间1h，NTR
 100 失效时间点是10 min；4、负载采用Poisson 分布[6]；
设置了三个仿真场景：1、正常通信；2、NTR 失效，未开启接替机制；3、NTR 失效，
开启接替机制。
仿真统计量设定：全网吞吐量、端到端投递率、源发信机吞吐量、源节点队列长度、网
络额外开销。选取的几个统计量均能反映出该接替机制对网络抗毁性的提高。
105 仿真曲线如下图所示：图3-1 和3-2 中，蓝线代表正常情况下NTR 不失效，红线代表
未开启接替机制，绿线代表开启了接替机制。图3-3 和3-4 中，由上至下代表了：正常情况，
NTR 不失效；NTR 失效，未开启接替机制；NTR 失效，开启接替机制。不同的图显示方式
不同，有助于更明确地查看仿真结果。
110 图3-1 全网吞吐量 图3-2 源节点发信机吞吐量
图3-3 端到端投递率 图3-4 源节点队列长度
图3-1 中，NTR 在10 min 失效，红线代表未开启接替机制，此时由于网络所有节点不
115 再发送消息，所以吞吐量迅速下降。而绿色曲线代表开启NTR 接替机制，由于原NTR 失效，
所以吞吐量降低一定程度，但最后趋于稳定。图3-2 中，源节点在NTR 失效后，由于不再
发送数据而导致发信机吞吐量将为零，而开启接替机制后，能迅速恢复数据的发送。图3-3
中，由于Link-16 系统本身是TDMA 接入，所以，基本不会发生数据碰撞。未开启接替机
制时，无数据发送，自然为零接收，而开启接替机制时，能恢复“1”投递。图3-4 中，因
120 为上层数据达到MAC 层先入队后发送，所以，由图可知，未开启接替机制时，队列长度在
10 min 后迅速增加，而开启接替机制时，能迅速恢复数据发送，所以队列长度能迅速恢复正
 常。
针对该接替机制对该网络带来的额外开销，由于该机制利用正常的战术数据消息实现
的，没有附加的控制消息，所以给该网络带来的资源额外开销为“0”；此外，因为接替机
125 制利用的消息有其自身的收发规则要求的消息更新率，所以，其余消息的负载率的不同，对
该接替机制完成的网络恢复时间没有影响。
4 结论
本文基于Link-16 提出了该NTR 分布式接替机制，并对该机制进行了可行性和技术上
的分析，最后，利用OPNET 仿真平台对该机制进行了技术上的验证，进一步证实了对网络
130 抗毁性的提高。
参考文献
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[4] 梅文华，蔡善法. JTIDS/Link-16 数据链[M]. 北京：国防工业出版社，2007.6.
[5] 陈敏. OPNET 网络仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[6] 赵琪，毛玉泉. Linkl6 时隙固定分配算法的时延分析[J]. 电讯技术，2010，50（5）：8-12.