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      基于FPGA的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈帶優(yōu)先級(jí)的輪詢接入控制系統(tǒng)研究

      2021-09-24 05:32堯躍華梁竹關(guān)楊志軍丁洪偉柳虔林
      現(xiàn)代電子技術(shù) 2021年17期
      關(guān)鍵詞:輪詢數(shù)據(jù)鏈隊(duì)列

      堯躍華,梁竹關(guān),李 博,楊志軍,丁洪偉,柳虔林

      (1.云南大學(xué) 信息學(xué)院,云南 昆明 650091;2.云南省教育廳 教學(xué)儀器裝備中心,云南 昆明 650223;3.云南省軍區(qū),云南 昆明 650051)

      0 引 言

      戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N信息傳輸和處理系統(tǒng)[1?2],可以鏈接無(wú)線傳感器、火控雷達(dá)、通信器等終端設(shè)備,進(jìn)行信息共享和協(xié)同作戰(zhàn)[3],采用輪詢控制協(xié)議控制信息處理和傳輸[4],可提升部隊(duì)作戰(zhàn)效率,輪詢控制協(xié)議的數(shù)學(xué)模型作為一類經(jīng)典通信模型,被廣泛應(yīng)用于通信[5?6]和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[7?8]。模型被分為三類,分別是完全服務(wù)[9]、門限服務(wù)[10]和限定K(K=1)服務(wù)[11]輪詢控制策略模型,三類基本模型優(yōu)化和改進(jìn)形成各種新的輪詢模型。

      本文提出戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈離散時(shí)間區(qū)分優(yōu)先級(jí)的輪詢接入控制協(xié)議(DPACP),能有效區(qū)分主控站和從屬站,對(duì)兩類站點(diǎn)的報(bào)文進(jìn)行區(qū)別處理和轉(zhuǎn)發(fā),使數(shù)據(jù)鏈能更好地滿足戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)不同部隊(duì)對(duì)作戰(zhàn)信息的需求。采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯電路(FPGA)作為實(shí)現(xiàn)平臺(tái),應(yīng)用QuartusⅡ作為設(shè)計(jì)平臺(tái),驗(yàn)證本輪詢模型用在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的可行性,并統(tǒng)計(jì)平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均排隊(duì)等待時(shí)間。

      1 DPACP模型

      模型由一個(gè)主控站和多個(gè)從屬站構(gòu)成,主控站在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中位于較為重要的位置,兼具收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能,主控站本身收集的報(bào)文區(qū)分為高優(yōu)先級(jí),從屬站需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文區(qū)分為低優(yōu)先級(jí)。相較于門限和限定服務(wù),完全服務(wù)雖公平性較差,但平均等待時(shí)延卻是最短的[12],故主控站和從屬站都采用完全服務(wù)。在邏輯中心控制下,只要主控站有需要處理和發(fā)送的報(bào)文,系統(tǒng)就轉(zhuǎn)向服務(wù)主控站的報(bào)文,服務(wù)完主控站的報(bào)文,系統(tǒng)才轉(zhuǎn)向服務(wù)一個(gè)從屬站的報(bào)文,服務(wù)完這個(gè)從屬站的報(bào)文,系統(tǒng)又轉(zhuǎn)向服務(wù)主控站的報(bào)文,服務(wù)完主控站的報(bào)文,系統(tǒng)又轉(zhuǎn)向服務(wù)下一個(gè)從屬站的報(bào)文,如圖1所示。

      圖1 協(xié)議模型

      1.1 假設(shè)條件

      采用離散時(shí)間,設(shè)系統(tǒng)由1個(gè)主控站和N個(gè)從屬站構(gòu)成,主控站中排隊(duì)等待處理和發(fā)送的報(bào)文用中心隊(duì)列h表示,第i(i=1,2,…,N)個(gè)從屬站中那些排隊(duì)等待處理和發(fā)送的報(bào)文用普通隊(duì)列i(i=1,2,…,N)表示,λ為普通隊(duì)列報(bào)文的到達(dá)率,β為普通隊(duì)列一個(gè)報(bào)文的服務(wù)時(shí)間,λh為中心隊(duì)列報(bào)文的到達(dá)率,βh為中心隊(duì)列一個(gè)報(bào)文的服務(wù)時(shí)間,r為不同隊(duì)列之間查詢轉(zhuǎn)換時(shí)間,建立的DPACP數(shù)學(xué)模型假設(shè)工作條件[13]如下:

      1)對(duì)每個(gè)普通隊(duì)列i(i=1,2,…,N),其報(bào)文到達(dá)過(guò)程、服務(wù)一個(gè)報(bào)文所用時(shí)間、任一個(gè)時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的報(bào)文以及服務(wù)過(guò)程到達(dá)的報(bào)文進(jìn)行完全服務(wù)所需時(shí)間,都服從相互獨(dú)立、相同分布的概率分布。

      2)普通隊(duì)列i(i=1,2,…,N)報(bào)文到達(dá)過(guò)程的母函數(shù)、均值和方差為A(z),λ=A′(1)和。中心隊(duì)列h為Ah(z),λh=A′h(1)和。

      3)服務(wù)一個(gè)報(bào)文所用時(shí)間的母函數(shù)、均值和方差為B(z),β=B′(1)和,中心隊(duì)列h為Bh(z),βh=Bh(1)和。

      4)中心隊(duì)列與普通隊(duì)列、普通隊(duì)列與普通隊(duì)列之間的查詢轉(zhuǎn)換時(shí)間隨機(jī)變量的母函數(shù)、均值和方差分別為R(z),r=R″(1)和。

      5)完全服務(wù)一個(gè)普通隊(duì)列i(i=1,2,…,N)所需時(shí)間的概率母函數(shù)為F(z),中心隊(duì)列為Fh(z)。

      6)儲(chǔ)存空間足夠大,能存儲(chǔ)下所有報(bào)文。

      7)服務(wù)每一個(gè)隊(duì)列的報(bào)文,對(duì)先到達(dá)的報(bào)文先進(jìn)行服務(wù),后到達(dá)的報(bào)文后進(jìn)行服務(wù)。

      系統(tǒng)的狀態(tài)采用嵌入式馬爾可夫鏈進(jìn)行描述,該馬爾可夫鏈?zhǔn)歉鲬B(tài)遍歷的和非周期的。

      1.2 性能分析

      系統(tǒng)在滿足以下條件時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài):

      達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的概率母函數(shù)[13]為:

      由概率母函數(shù)求一階導(dǎo)和二階導(dǎo),可得平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均等待時(shí)間[13]。

      1)普通隊(duì)列和中心隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

      2)普通隊(duì)列和中心隊(duì)列的平均排隊(duì)等待時(shí)間

      1.3 數(shù)值計(jì)算和仿真分析

      設(shè)置工作條件:各普通隊(duì)列參數(shù)是對(duì)稱分布的;到達(dá)時(shí)間、查詢轉(zhuǎn)換時(shí)間和等待服務(wù)時(shí)間單位為時(shí)隙;普通隊(duì)列i和中心隊(duì)列在任一時(shí)隙到達(dá)報(bào)文數(shù)服從Poisson分布。根據(jù)設(shè)置工作條件,應(yīng)用Matlab平臺(tái),得到圖2,圖3數(shù)值計(jì)算和仿真驗(yàn)證結(jié)果。

      從圖2和圖3可以得到以下結(jié)論:中心隊(duì)列報(bào)文平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)小于普通隊(duì)列;普通隊(duì)列報(bào)文平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)比不區(qū)分優(yōu)先級(jí)完全服務(wù)輪詢模型還要稍微小一些。

      圖2 平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與到達(dá)率關(guān)系

      圖3 平均等待時(shí)間與到達(dá)率關(guān)系

      2 電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證仿真

      根據(jù)DPACP模型,以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中7個(gè)從屬站(即N=7)和1個(gè)主控站為例,為主控站和從屬站分別配置FIFO,設(shè)計(jì)基于FPGA的DPACP輪詢控制系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu),如圖4所示。

      圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

      2.1 輪詢控制模塊

      輪詢控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分,服務(wù)順序和服務(wù)策略分別存儲(chǔ)于各自相應(yīng)的存儲(chǔ)器。

      1)系統(tǒng)初始化后,首先從服務(wù)順序存儲(chǔ)器取出主控站地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)主控站的報(bào)文直到其為空;

      2)從服務(wù)順序存儲(chǔ)器取出從屬站1的地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)從屬站的報(bào)文直到其為空;

      3)從服務(wù)順序存儲(chǔ)器中取出主控站地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)主控站的報(bào)文直到其為空;

      4)從服務(wù)順序存儲(chǔ)器中取出從屬站2的地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)從屬站的報(bào)文直到其為空;

      5)從服務(wù)順序存儲(chǔ)器中取出主控站地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)主控站的報(bào)文直到其為空;

      6)從服務(wù)順序存儲(chǔ)器取出從屬站7的地址,在服務(wù)策略控制下,服務(wù)從屬站的報(bào)文直到其為空,此時(shí)系統(tǒng)完成一輪查詢服務(wù)周期,如圖5所示。

      圖5 控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

      2.2 頂層設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

      采用Verilog語(yǔ)言,基于Altera 公司的FPGA,應(yīng)用QuartersⅡ9.1對(duì)設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,系統(tǒng)的仿真條件為:時(shí)鐘頻率為100 MHz;信號(hào)源為服從Poisson分布的偽隨機(jī)數(shù);滿足穩(wěn)態(tài)條件,使系統(tǒng)不超載。

      仿真結(jié)果如圖6所示。

      圖6 八站點(diǎn)輪詢控制時(shí)序圖

      圖6中:data0是主控站發(fā)送的報(bào)文,data1~data7是從屬站發(fā)送的報(bào)文;q0~q7是接收的報(bào)文;out是總線,其中00表示沒(méi)有數(shù)據(jù)到達(dá);rst是復(fù)位信號(hào)端;clk是時(shí)鐘信號(hào)。從仿真結(jié)果看,發(fā)送的報(bào)文和接收的報(bào)文完全一致,僅存在著一定時(shí)間的延時(shí)。在系統(tǒng)輪詢周期開(kāi)始時(shí),主控站有報(bào)文到達(dá),系統(tǒng)開(kāi)始服務(wù)主控站,服務(wù)完主控站的報(bào)文,再去服務(wù)一個(gè)有報(bào)文的從屬站,服務(wù)完該從屬站的報(bào)文后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)向服務(wù)主控站,服務(wù)完主控站的報(bào)文,系統(tǒng)又轉(zhuǎn)向服務(wù)下一個(gè)有報(bào)文的從屬站,直到服務(wù)完最后一個(gè)有報(bào)文的從屬站。這與本文設(shè)計(jì)的DPACP模型服務(wù)方式一致,說(shuō)明應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了DPACP模型的控制方式。

      2.3 統(tǒng)計(jì)分析

      根據(jù)系統(tǒng)模型,應(yīng)用式(6)~式(9)統(tǒng)計(jì)主控站和從屬站的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間。

      主控站平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì):

      從屬站平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì):

      主控站平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì):

      從屬站平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì):

      式中:nc為系統(tǒng)輪詢次數(shù);lh(i)為第i次輪詢時(shí),主控站中等待發(fā)送的報(bào)文數(shù);l(i)是第i次輪詢時(shí),從屬站中等待發(fā)送的報(bào)文數(shù)目;wh(j)為主控站第j個(gè)報(bào)文的等待時(shí)間;M h為主控站報(bào)文總數(shù);w(j)為從屬站第j個(gè)報(bào)文的等待時(shí)間;M為從屬站報(bào)文總數(shù)。根據(jù)式(6)~式(9),得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值并與理論值進(jìn)行比較,如表1所示,其中,tm為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間,g,gh,w,wh是理論值,是統(tǒng)計(jì)值。

      表1 理論值與統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

      從表1來(lái)看,優(yōu)先級(jí)高的主控站,理論值和統(tǒng)計(jì)值的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)明顯少于不是優(yōu)先級(jí)的從屬站,理論值和統(tǒng)計(jì)值的平均排隊(duì)等待時(shí)間也明顯少于不是優(yōu)先級(jí)的從屬站,且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,統(tǒng)計(jì)值越來(lái)越趨近于理論值。

      3 結(jié) 語(yǔ)

      本文分析現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中應(yīng)用傳統(tǒng)輪詢模型控制協(xié)議的不足,提出了離散時(shí)間帶優(yōu)先級(jí)的輪詢接入控制協(xié)議(DPACP),并使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明離散時(shí)間帶優(yōu)先級(jí)的輪詢接入控制協(xié)議(DPACP)相較于基本輪詢模型接入控制協(xié)議確實(shí)能有效縮短主控站和從屬站報(bào)文平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間,保證重要站點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈通信快速響應(yīng),并且縮短了站點(diǎn)傳輸時(shí)間,降低了站點(diǎn)能耗,證明了該設(shè)計(jì)的可行性。

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