丁洪偉, 李超,2, 劉龍軍,3, 柳虔林,4, 保利勇, 楊志軍

(1.云南大學 信息學院, 云南 昆明 650500; 2.武裝警察部隊云南省總隊 楚雄州支隊, 云南 楚雄 675000;3.武裝警察部隊河南省總隊 周口市支隊, 河南 周口 466000; 4.云南省軍區(qū), 云南 昆明 650051)

0 引言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為未來信息化戰(zhàn)爭發(fā)展的重要標志之一，能夠克服傳統(tǒng)的眾多作戰(zhàn)平臺各自為戰(zhàn)的缺陷，充分發(fā)揮各作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)斗效能，有效提高整體戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)效果[1]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在現(xiàn)代及未來的信息化戰(zhàn)爭中，多平臺聯(lián)合作戰(zhàn)將是常態(tài)，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈將會在各國軍事水平的發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外對于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的研究從未間斷，隨著研究的深入，抗干擾技術(shù)、接入控制協(xié)議、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、平臺鏈路綜合、軟件無線電技術(shù)等已成為近年來及下一步對于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈研究的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

接入控制協(xié)議決定著信道的分配使用方式，對于網(wǎng)絡(luò)性能有著重要影響，也一直是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈研究的熱點問題之一。彭沙沙等[3]提出一種基于多信道優(yōu)先級統(tǒng)計(MCPS)的多路訪問控制(MAC)協(xié)議[3]，該協(xié)議通過對信道占用情況的統(tǒng)計和對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)設(shè)定服務(wù)閾值的方法，對信道資源進行調(diào)度分配。但是MCPS協(xié)議需要多個信道同時工作，對服務(wù)閾值的設(shè)定必須精準，從而不但對信道的要求較高，對所設(shè)置閾值的精準度也要求較高，而且隨著業(yè)務(wù)量的增加，丟包率呈上升的趨勢?；趦?yōu)先級概率統(tǒng)計的多址接入模式(SPMA)對信道的同步性和精準度要求不高，對于突發(fā)性和實效性業(yè)務(wù)在性能方面有一定的改進[4]。但是SPMA協(xié)議以異步跳頻機制和載波偵聽多路訪問(CSMA)為基礎(chǔ)，會出現(xiàn)報文碰撞情況，對于提高系統(tǒng)吞吐量不利，同時還會造成信道資源浪費和信號能量損耗，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠理想。

基于輪詢機制的接入控制協(xié)議能夠有效避免訪問碰撞發(fā)生，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢，同時能夠在一定程度上保證系統(tǒng)時延、吞吐量和服務(wù)效率等性能指標，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，如Link-11戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈[5]。基于直接映射和差分趨勢兩種調(diào)整方式的動態(tài)門限機制，能夠通過信道的狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整服務(wù)門限，有效提高系統(tǒng)的吞吐量[6]。而基于簇首協(xié)調(diào)的路由協(xié)議，簇首能夠為成功接入的用戶分配時隙，沒有接入的用戶就不分配時隙，從而可以有效地提高系統(tǒng)傳輸效率[7]。通過貝葉斯估計算法來調(diào)整服務(wù)選擇指數(shù)自適應(yīng)輪詢MAC協(xié)議[8]，可使高優(yōu)先級的報文節(jié)點獲得更大的服務(wù)優(yōu)先權(quán)，提高無線信道的利用率。

隨著制造工藝的提高，集成電路的集成度和復(fù)雜度也越來越高，使得芯片的制造成本和時間也隨之提高，而傳統(tǒng)的集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定，就難以改變其功能?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)具有成本低、靈活性高、運算速度快、可移植性強和現(xiàn)場可編程等優(yōu)良特性[9]，只需寫入不同的程序就可以產(chǎn)生對應(yīng)功能的電路以適應(yīng)不同的需求，采用并行處理數(shù)據(jù)以有效提高處理數(shù)據(jù)的效率。開發(fā)軟件Quartus Ⅱ編譯速度快、周期短，可以明顯提高編譯效率。由于FPGA具有較多的優(yōu)良特性，通過FPGA精確設(shè)計協(xié)議的各功能模塊以實現(xiàn)協(xié)議的整體功能，在實踐中具有重要的現(xiàn)實意義[10]。

本文針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在實際應(yīng)用中的作戰(zhàn)單元隨時可能被摧毀而導(dǎo)致的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的問題，考慮到傳統(tǒng)輪詢協(xié)議無法滿足動態(tài)控制的需要，提出一種自適應(yīng)輪詢接入控制協(xié)議(APACP)。該協(xié)議能夠根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)自動濾除沒有報文需要發(fā)送的作戰(zhàn)單元，自適應(yīng)調(diào)整輪詢順序；通過概率母函數(shù)和馬爾科夫理論建立數(shù)學模型、得出解析解，并用數(shù)學軟件MATLAB和FPGA軟件對模型進行仿真。仿真結(jié)果表明，APACP能夠有效縮短系統(tǒng)的平均排隊隊長和輪詢周期，提高系統(tǒng)的服務(wù)效率。

1 APACP服務(wù)規(guī)則及其相關(guān)性能分析

1.1 APACP模型

在實際作戰(zhàn)應(yīng)用中，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的作戰(zhàn)單元隨時面臨被打擊摧毀的危險。在當前服務(wù)查詢過程中，被摧毀的作戰(zhàn)單元無法被查詢到。當被摧毀的作戰(zhàn)單元被修復(fù)或者由其他作戰(zhàn)單元頂替后，又重新加入服務(wù)查詢隊列中。據(jù)此，可以將戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的站點進行分類。在一個輪詢周期內(nèi)，有報文分組等待發(fā)送的作戰(zhàn)單元歸為一類單元，稱為在線作戰(zhàn)單元；沒有報文分組等待服務(wù)的作戰(zhàn)單元歸為二類單元，稱為隱線作戰(zhàn)單元；被摧毀的作戰(zhàn)單元歸為三類單元，稱為離線作戰(zhàn)單元。在APACP服務(wù)規(guī)則中，只對有報文分組的作戰(zhàn)單元進行服務(wù)，沒有報文分組或者被摧毀的作戰(zhàn)單元不服務(wù)；在統(tǒng)計過程中，沒有報文分組的作戰(zhàn)單元能統(tǒng)計到，但不進行服務(wù)；被摧毀的作戰(zhàn)單元不能統(tǒng)計到，因此將作戰(zhàn)單元分為三類是合理的。在APACP系統(tǒng)中，每一個作戰(zhàn)單元都有對應(yīng)的識別ID和狀態(tài)標識符，當作戰(zhàn)單元有報文需要發(fā)送時狀態(tài)為1，沒有報文發(fā)送時狀態(tài)為0，如s1=1表示1號作戰(zhàn)單元為在線作戰(zhàn)單元，若統(tǒng)計不到某一作戰(zhàn)單元，則將此單元視為離線單元。當隱線單元有數(shù)據(jù)分組到達時，狀態(tài)由0變?yōu)?；當服務(wù)完成后且沒有數(shù)據(jù)分組到達時，狀態(tài)由1變?yōu)?. 作戰(zhàn)單元被修復(fù)或者由其他單元頂替時，能夠被統(tǒng)計到ID，并根據(jù)是否有信息分組到達來顯示對應(yīng)的狀態(tài)。

在傳統(tǒng)輪詢接入控制協(xié)議(TPACP)中，每一個輪詢周期內(nèi)，服務(wù)器按照邏輯關(guān)系查詢所有的作戰(zhàn)單元。在APACP中，在每一個輪詢周期開始時，對系統(tǒng)中的在線作戰(zhàn)單元進行統(tǒng)計，能夠得到當前作戰(zhàn)單元的拓撲結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當統(tǒng)計不到作戰(zhàn)單元或者作戰(zhàn)單元的狀態(tài)為0時，系統(tǒng)不對這一單元服務(wù)。統(tǒng)計完成后，按照邏輯關(guān)系依次對在線作戰(zhàn)單元進行服務(wù)，隱線單元和離線單元直接跳過不進行服務(wù)，服務(wù)完所有在線作戰(zhàn)單元后進入下一輪詢周期。

如此，便可以節(jié)省查詢隱線作戰(zhàn)單元的輪詢轉(zhuǎn)換時間、克服空輪詢的問題，而且能夠滿足因離線作戰(zhàn)單元的存在而導(dǎo)致的輪詢拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的實際需求。采用門限服務(wù)策略[11-12]進行系統(tǒng)建模，APACP服務(wù)規(guī)則如下：

1) 每一個輪詢周期開始時，首先對系統(tǒng)中的在線作戰(zhàn)單元進行統(tǒng)計；

2) 本次輪詢周期內(nèi)，服務(wù)器只對統(tǒng)計到的在線作戰(zhàn)單元進行服務(wù)；

3) 對被查詢到的在線作戰(zhàn)單元采取門限服務(wù)，服務(wù)結(jié)束后，服務(wù)器轉(zhuǎn)到下一個在線作戰(zhàn)單元。

APACP模型的執(zhí)行流程圖如圖2所示。

1.2 APACP性能分析

假設(shè)系統(tǒng)工作在離散時間上，所有作戰(zhàn)單元共享同一條總線，且滿足如下條件：

4) 各作戰(zhàn)單元的存儲器容量足夠大，報文分組不會丟失；

5) 各作戰(zhàn)單元存儲器內(nèi)的報文分組按照先到先服務(wù)(FCFS)的順序接受服務(wù)。

(1)

πi(x1,x2,…,xi,…,xN)的概率母函數(shù)定義為

(2)

式中：zi表示第i號作戰(zhàn)單元使得函數(shù)Gi收斂的值。

在tn+1時刻開始對第i+1號作戰(zhàn)單元進行查詢時，滿足以下關(guān)系：

(3)

(4)

式中：j為作戰(zhàn)單元號，j=1,2,…,N，j≠i;ηj(vi)為在vi(n)時間內(nèi)進入第j號作戰(zhàn)單元的報文分組數(shù)，vi(n)為服務(wù)器對第i號作戰(zhàn)單元進行服務(wù)的時間；μj(ui)為在ui(n)時間內(nèi)進入第j號作戰(zhàn)單元的報文分組數(shù)，ui(n)為服務(wù)器從第i號作戰(zhàn)單元轉(zhuǎn)到第i+1號作戰(zhàn)單元的轉(zhuǎn)換時間。

定義在tn時刻第i號作戰(zhàn)單元開始接受服務(wù)時，存儲在第j號作戰(zhàn)單元中的平均報文分組數(shù)為

(5)

通過求偏導(dǎo)數(shù)和極限，得到門限服務(wù)系統(tǒng)的平均排隊隊長g0為

(6)

輪詢周期定義為服務(wù)器按照門限服務(wù)規(guī)則依次對所有作戰(zhàn)單元完成一次服務(wù)所花費時間的平均值。根據(jù)平均輪詢周期和平均隊長的對應(yīng)關(guān)系，可以得到門限服務(wù)系統(tǒng)的平均輪詢周期θ0為

(7)

(8)

根據(jù)APACP服務(wù)規(guī)則，設(shè)置仿真條件為N=4、β=1、γ=2，在MATLAB R2014a軟件中進行仿真，得到系統(tǒng)中報文分組平均排隊隊長和平均輪詢周期隨報文分組到達率的變化曲線，如圖3、圖4所示。

分析圖3可知，在報文分組到達率較低時，APACP中報文分組的平均排隊隊長比TPACP要小；隨著報文分組到達率的增大，APACP和TPACP中報文分組的平均排隊隊長都在增大，且最終達到一致。表明當報文分組到達率達到一定值時，APACP對于系統(tǒng)報文分組平均排隊隊長的影響和TPACP是相同的，這一結(jié)論與輪詢控制理論相符。

由圖4可知，在同一報文分組到達率情況下，APACP的平均輪詢周期遠遠小于TPACP，隨著報文分組到達率的增大，平均輪詢周期的變化規(guī)律與平均排隊隊長一致。通過以上仿真結(jié)果的分析可知，在報文分組到達率較低時，相比于TPACP，APACP有效縮短了系統(tǒng)的報文分組平均排隊隊長和平均輪詢周期，提升了系統(tǒng)服務(wù)效率，降低了系統(tǒng)擁塞度，提高了系統(tǒng)性能。

2 APACP的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

采用美國Altera公司的FPGA、開發(fā)平臺Quartus Ⅱ 8.0以及硬件描述語言Verilog HDL進行開發(fā)。由于FPGA具有良好的性能，能夠較好地完成APACP模型的設(shè)計。

根據(jù)FPGA的模塊化設(shè)計思路，將原理圖和硬件描述語言Verilog HDL相結(jié)合來進行設(shè)計，將系統(tǒng)分為報文采集、作戰(zhàn)單元、APACP控制和接收終端4個功能模塊來分別進行設(shè)計。

2.1 報文采集模塊的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

報文采集模塊是各作戰(zhàn)單元采集作戰(zhàn)報文的功能模塊。分析APACP的性能可知，到達各作戰(zhàn)單元的報文分組數(shù)具有一定到達率且呈泊松分布。利用MATLAB中的Poissrnd函數(shù)和FPGA中的ROM核相結(jié)合的方法[15]，對報文采集模塊進行設(shè)計實現(xiàn)。為了便于檢驗，設(shè)置每一個報文分組的值都為10101010，該模塊的仿真時序圖如圖5所示。

2.2 作戰(zhàn)單元模塊的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

由APACP服務(wù)規(guī)則可知，作戰(zhàn)單元模塊的功能是完成作戰(zhàn)報文的存儲，并在服務(wù)權(quán)控制信號控制下實現(xiàn)報文分組的讀取。圖6所示為利用4個異步先進先出(FIFO)構(gòu)建的作戰(zhàn)單元模塊，4個FIFO分別表示4個作戰(zhàn)單元的存儲器。當有報文到達時，在寫信號控制下，將到達的報文按照到達順序?qū)懭氪鎯ζ鲀?nèi)，同時更新計數(shù)器。當控制信號有效時，從FIFO內(nèi)將報文讀出并傳輸?shù)娇偩€上。若FIFO內(nèi)為空或者報文讀完，則將讀空信號empty置為1發(fā)送到FIFO內(nèi)，停止讀出數(shù)據(jù)。4路作戰(zhàn)報文可通過“異或”運算后，在同一條總線上進行有效傳輸[16]。

2.3 APACP控制模塊的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

APACP控制模塊是整個系統(tǒng)工作的控制中心。圖7所示為APACP控制模塊狀態(tài)機，其中s1、s2、s3、s4分別為4個作戰(zhàn)單元的服務(wù)權(quán)控制信號，決定著作戰(zhàn)單元是否接受服務(wù)?？刂菩盘枮?時，表示該作戰(zhàn)單元為在線作戰(zhàn)單元，對這些單元按照輪詢順序進行服務(wù)；控制信號為0時，表示該作戰(zhàn)單元為隱線或者離線作戰(zhàn)單元，不對該類單元進行服務(wù)。每一個輪詢周期開始前對所有單元進行統(tǒng)計分類，并對在線單元依次進行服務(wù)，隱線或者離線作戰(zhàn)單元在本次輪詢周期內(nèi)直接略過，不進行服務(wù)。

2.4 接收終端模塊的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

接收終端模塊用于完成對各作戰(zhàn)單元所發(fā)送作戰(zhàn)報文的接收功能。由于總線的利用率不會達到100%，在一些時段總線是空閑的，此時總線上沒有報文分組傳輸，接收到的不是正確報文分組。設(shè)計時，先將接收到的報文通過“濾波”后存儲在FIFO內(nèi)，再通過有效的“讀”控制信號，從FIFO內(nèi)讀取正確的報文分組。

2.5 APACP系統(tǒng)的FPGA頂層設(shè)計

將報文采集模塊、作戰(zhàn)單元模塊、APACP控制模塊和接收終端模塊按照系統(tǒng)工作原理連接構(gòu)成系統(tǒng)[16]，如圖8所示。4個作戰(zhàn)單元在APACP控制模塊的控制下對4個報文采集模塊采集到的作戰(zhàn)報文進行存儲和發(fā)送，4個接收終端對總線傳輸?shù)膱笪姆纸M進行接收。

APACP系統(tǒng)中設(shè)計了4個作戰(zhàn)單元，在FPGA頂層設(shè)計時，調(diào)用4個異步FIFO模塊構(gòu)成4個作戰(zhàn)單元的存儲器，將設(shè)計好的整個系統(tǒng)寫入FPGA，以APACP規(guī)則查詢各作戰(zhàn)單元的過程時，1個FPGA就能模擬在APACP協(xié)議下對4個作戰(zhàn)單元的查詢過程。根據(jù)FPGA獨特的并行處理數(shù)據(jù)的能力，在電路設(shè)計中將4個作戰(zhàn)單元的狀態(tài)信息同時傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊能夠同時監(jiān)測到作戰(zhàn)單元的狀態(tài)信息。相比于依次查看數(shù)據(jù)包來確定作戰(zhàn)單元的狀態(tài)，并行處理機制縮短了對作戰(zhàn)單元狀態(tài)監(jiān)測的時間差。系統(tǒng)能夠根據(jù)站點狀態(tài)準確確定自適應(yīng)的輪詢順序、提高輪詢效率、縮短輪詢周期。

3 系統(tǒng)評估

3.1 仿真測試

設(shè)置系統(tǒng)工作時鐘為50 MHz，4個作戰(zhàn)單元的報文分組到達率為λ1=λ2=λ3=λ4=0.1，發(fā)送1個報文分組的平均時間為β1=β2=β3=β4=1，轉(zhuǎn)換時間為γ1=γ2=γ3=γ4=2.在設(shè)定參數(shù)下進行仿真，得到如圖9所示的仿真結(jié)果。

圖9中，4號作戰(zhàn)單元發(fā)送的報文分組為d4，4號接收終端接收到的報文分組為r4. 二者的值是相同的，但r4存在一定的延時，這是信息傳輸、處理等帶來的系統(tǒng)時延[17]。圖9中，在第1個和第3個周期內(nèi)，控制信號s4變?yōu)楦唠娖胶?，在下一個周期開始時s1不為高電平，表明系統(tǒng)是先對所有作戰(zhàn)單元進行統(tǒng)計、確定所有的在線單元，然后根據(jù)在線單元的ID確定下一輪詢過程中的查詢對象，而隱線單元和離線單元的控制信號為低電平。在輪詢周期內(nèi)系統(tǒng)只對控制信號有效的作戰(zhàn)單元進行服務(wù)，無效時不服務(wù)，直至輪詢完該周期內(nèi)的所有在線單元后進入下一輪詢周期。d4在s4有效時才有值，表明4號作戰(zhàn)單元在所屬服務(wù)時段才發(fā)送報文分組，由此可見輪詢服務(wù)控制的有效性。

用開發(fā)板上的8個7段數(shù)碼管顯示系統(tǒng)輸出結(jié)果，其中前4個數(shù)碼管HEX7、HEX6、HEX5、HEX4分別顯示1、2、3、4號作戰(zhàn)單元的服務(wù)控制信號，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分別顯示1、2、3、4號作戰(zhàn)單元報文的采集，并以“7”代表報文的內(nèi)容。圖10中將開發(fā)板的復(fù)位控制鍵SW[17]置為低電平(即rst有效)時系統(tǒng)進入工作準備階段。

圖11中第4個數(shù)碼管HEX7顯示“1”，HEX6、HEX5、HEX4都不顯示，表明此時只有4號作戰(zhàn)單元在接受服務(wù)；HEX3數(shù)碼管顯示“7”，HEX2、HEX1、HEX0 3個數(shù)碼管未顯示，表明只有模塊4正在采集報文。在圖11中，4號作戰(zhàn)單元接受服務(wù)的測試與系統(tǒng)時序仿真結(jié)果一致，表明所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了APACP控制功能。

3.2 統(tǒng)計分析

平均排隊隊長：

(9)

平均輪詢周期：

(10)

式中：Ngro為總線上傳輸?shù)膱笪姆纸M總數(shù)；Ncp為統(tǒng)計的輪詢周期總數(shù)；tm為仿真總時長。這些參數(shù)都可以通過對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計得到。

利用(6)式、(7)式、(8)式和(9)式、(10)式，設(shè)置到達率λ=0.1、服務(wù)時間β=1、轉(zhuǎn)換時間γ=2和仿真時長分別為tm=100 μs、tm=300 μs、tm=500 μs、tm=1 000 μs、tm=1 500 μs、tm=2 000 μs，可得到TPACP中報文分組平均排隊隊長、平均輪詢周期的理論值以及APACP中信息分組平均排隊隊長、平均輪詢周期的理論值和統(tǒng)計值，如表1所示。

表1 統(tǒng)計值與理論值對比

從表1中可見，在同一到達率下，APACP中報文分組的平均排隊隊長和平均輪詢周期都比TPACP要小，表明了APACP的性能優(yōu)越性；APACP中報文分組的平均排隊隊長和平均輪詢周期的理論值與統(tǒng)計值相差較小，逐漸增加仿真時長，統(tǒng)計值的誤差逐漸減小。這一結(jié)論與理論是相符的。

4 結(jié)論

本文針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中作戰(zhàn)單元隨時有可能被摧毀而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的問題，提出了APACP. 采用概率母函數(shù)和馬爾可夫鏈理論相結(jié)合的方法對門限輪詢系統(tǒng)進行建模分析；根據(jù)泊松分布的特性并與Little定理相結(jié)合，得出APACP模型平均排隊隊長和平均輪詢周期的解析解，最后用MATLAB和FPGA軟硬件相結(jié)合驗證APACP模型的正確性。得出主要結(jié)論如下：

1) 在一定范圍內(nèi)，APACP能夠有效地縮短系統(tǒng)的平均排隊隊長和平均輪詢周期。

2) APACP能夠根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)改變輪詢順序，有效避免空輪詢現(xiàn)象，降低系統(tǒng)擁塞度，提高傳輸效率。

3) 在到達率較小的情況下，APACP優(yōu)于TPACP；隨著到達率的增大，APACP的變化趨勢與TPACP相同。

4) 本文建立的自適應(yīng)輪詢接入控制協(xié)議，通過濾除無報文發(fā)送的作戰(zhàn)單元達到了提高系統(tǒng)傳輸效率的目的，對實戰(zhàn)環(huán)境下拓撲結(jié)構(gòu)隨時改變的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用價值，同時在無線局域網(wǎng)、人體傳感網(wǎng)、無線頻譜感知網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。