基于現(xiàn)場可編程門陣列戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中優(yōu)先級輪詢接入控制協(xié)議的研究

劉龍軍， 丁洪偉， 柳虔林,3， 保利勇， 劉正綱

(1.云南大學 信息學院, 云南 昆明 650091; 2.武警河南總隊 周口支隊, 河南 周口 466000;3.云南省軍區(qū), 云南 昆明 650051)

基于現(xiàn)場可編程門陣列戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中優(yōu)先級輪詢接入控制協(xié)議的研究

劉龍軍1,2， 丁洪偉1， 柳虔林1,3， 保利勇1， 劉正綱1

(1.云南大學 信息學院, 云南 昆明 650091; 2.武警河南總隊 周口支隊, 河南 周口 466000;3.云南省軍區(qū), 云南 昆明 650051)

基于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用背景，針對傳統(tǒng)輪詢協(xié)議存在的功能單一和不能滿足實際應(yīng)用中優(yōu)先傳輸控制的問題，提出了一種具有優(yōu)先級的輪詢接入控制協(xié)議(PPACP)。該協(xié)議可以根據(jù)系統(tǒng)中站點的優(yōu)先級別，設(shè)定優(yōu)先級別最高的站點為網(wǎng)控站，其余站點為從屬站。仿真結(jié)果表明，PPACP能夠改善傳統(tǒng)輪詢協(xié)議存在不足，較好地適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中對于最為緊急的作戰(zhàn)報文的優(yōu)先傳輸要求。利用現(xiàn)場可編程門陣列對PPACP進行設(shè)計，通過仿真測試，驗證了該設(shè)計的正確性。

兵器科學與技術(shù)； 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈； 優(yōu)先級； 輪詢； 優(yōu)先級輪詢接入控制協(xié)議； 現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，世界已經(jīng)進入信息時代，信息網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)無處不在。在軍事領(lǐng)域，武器裝備的信息化、部隊的數(shù)字化、指揮控制的自動化，標志著世界軍事和未來戰(zhàn)爭都在向信息化推進。這些表明軍事領(lǐng)域的信息技術(shù)研究工作勢在必行。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，在美國稱之為TADIL,在北約稱之為Link，是一種按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，以無線信道為主對作戰(zhàn)信息進行實時、準確、自動、保密傳輸?shù)男畔鬏斚到y(tǒng)[1]。通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，可將戰(zhàn)場上的指揮中心、各級指揮所、各參戰(zhàn)部隊和武器平臺鏈接在一起，構(gòu)成陸、海、空、天一體化的數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)信息資源共享，為作戰(zhàn)指揮人員和戰(zhàn)斗人員提供作戰(zhàn)數(shù)據(jù)以及完整的戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖[2]。

基于輪詢機制的接入?yún)f(xié)議順應(yīng)了部隊編制中戰(zhàn)術(shù)單元之間級隸屬關(guān)系，同時，其時延特性又滿足了戰(zhàn)術(shù)通信的實時性要求, 因此，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中有著廣泛的應(yīng)用[3]。如美軍Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等都采用了輪詢接入控制協(xié)議。傳統(tǒng)的輪詢控制策略有3種，即完全服務(wù)輪詢控制策略、門限服務(wù)輪詢控制策略[4]和限定(每次服務(wù)的報文分組數(shù)k=1)服務(wù)輪詢控制策略[5]。作戰(zhàn)時，不是所有作戰(zhàn)命令的緊急性都相同，而是有一些作戰(zhàn)命令是迫切需要傳達的。這些迫切需要傳達的作戰(zhàn)命令的優(yōu)先級高于普通作戰(zhàn)命令的優(yōu)先級，那么優(yōu)先級高的作戰(zhàn)命令在數(shù)據(jù)鏈傳輸中就應(yīng)該最具優(yōu)先權(quán)。要實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中這一優(yōu)先傳輸控制功能，顯然，傳統(tǒng)的輪詢接入控制協(xié)議是無法做到的。為此，本文在充分考慮戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在作戰(zhàn)環(huán)境下應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對當前的輪詢接入控制協(xié)議的不足，提出了具有優(yōu)先級的輪詢接入控制協(xié)議(PPACP)。PPACP能夠很好地滿足戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中對于緊急作戰(zhàn)命令的優(yōu)先傳輸要求，實現(xiàn)傳輸?shù)膬?yōu)先級控制功能。

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)自問世以來，一直在通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。對于協(xié)議的設(shè)計，相比于專用集成電路(ASIC)和通用數(shù)字信號處理(DSP)，F(xiàn)PGA更具優(yōu)勢。FPGA的邏輯單元是百萬級的，具有靈活性高、運算速度快、可移植性強、可擴展性好、現(xiàn)場可編程、開發(fā)周期短、開發(fā)成本低等眾多優(yōu)點[6]。本文所提的PPACP不僅具有優(yōu)先級控制功能，就協(xié)議本身而言，還要具有處理快、時延低、效率高等優(yōu)良性能。在研究時，可充分利用FPGA邏輯單元多、運算速度快、靈活性高等優(yōu)勢，以提高處理效率和降低時延。同時FPGA具有的可移植性強和可擴展性好的特點會大大擴展此設(shè)計的應(yīng)用面。因此，利用FPGA對PPACP進行設(shè)計是非常有意義的。

1 具有優(yōu)先級的輪詢接入控制協(xié)議

1.1 PPACP模型

本文根據(jù)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中所要傳輸?shù)淖鲬?zhàn)命令具有優(yōu)先權(quán)的實際要求，提出了具有優(yōu)先級的輪詢接入控制協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈中最高級作戰(zhàn)命令具有最高優(yōu)先權(quán)，把發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)的站點設(shè)定為網(wǎng)控站，對網(wǎng)控站采用完全服務(wù)，其余N個站點為從屬站，對從屬站采用限定(k=1)服務(wù)，PPACP模型如圖1所示。PPACP服務(wù)規(guī)則如下：

1)在每一個輪詢周期開始時，網(wǎng)控站首先檢查自己有無需要發(fā)送的報文。若有，則按照先到先服務(wù)(FCFS)發(fā)送報文；若沒有，則轉(zhuǎn)到查詢第i號從屬站。

2)若網(wǎng)控站有報文要發(fā)送，則當網(wǎng)控站發(fā)送完其當前所有的報文時，轉(zhuǎn)到查詢第i號從屬站。

3)若第i號從屬站有報文需要發(fā)送，則按FCFS的順序發(fā)送一個報文分組，之后再轉(zhuǎn)到查詢網(wǎng)控站。

4)網(wǎng)控站服務(wù)結(jié)束之后，轉(zhuǎn)到查詢第i+1號從屬站。

圖1 PPACP模型Fig.1 Model of PPACP

1.2 PPACP性能分析

在建立如圖1所示的PPACP模型基礎(chǔ)上，采用嵌入式Markov鏈和概率母函數(shù)的方法建立PPACP數(shù)學模型[7]。對該模型進行分析，得到PPACP相關(guān)特性參數(shù)。假設(shè)數(shù)據(jù)鏈工作在離散時間上，每個網(wǎng)控站占用的信道是單一的，系統(tǒng)工作條件如下：

(1)

在tn時刻，πi(x1,x2,…,xN,xp)的概率母函數(shù)定義為

(2)

同理可得πip(y1,y2,…,yN,yp)的概率母函數(shù)為

(3)

根據(jù)PPACP模型所采用的輪詢機制和以上定義的概率母函數(shù)，可求得戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中采用PPACP的性能參數(shù)。

1)平均輪詢周期。系統(tǒng)的輪詢周期為按照PPACP規(guī)則對系統(tǒng)中N+1個站點全部服務(wù)一遍所用時間的統(tǒng)計平均值，它由服務(wù)時間和查詢轉(zhuǎn)換時間組成。利用概率母函數(shù)的關(guān)系可得

(4)

Gi0=Gi(1,1,…,zi,…,1)|zi=0,i=1,2,…,N.

(5)

簡化(4)式和(5)式得到系統(tǒng)的平均輪詢周期為

(6)

2)平均排隊隊長。輪詢到i號從屬站時，i號從屬站內(nèi)存儲的報文分組數(shù)(即報文分組的平均排隊隊長)為gi(i)；輪詢到網(wǎng)控站時，網(wǎng)控站內(nèi)存儲的信息分組數(shù)為gip(p). 對概率母函數(shù)求偏導數(shù)和極限可得

(7)

(8)

3)系統(tǒng)吞吐量。系統(tǒng)吞吐量是指單位時間內(nèi)系統(tǒng)所能傳輸服務(wù)的報文分組數(shù)，其表達式為

T=Nρ+ρp.

(9)

根據(jù)PPACP模型，利用Matlab進行仿真。圖2為PPACP站點的平均排隊隊長仿真值與理論值隨到達率變化的曲線圖，圖3為PPACP與傳統(tǒng)的3種輪詢協(xié)議站點的平均排隊隊長隨到達率變化對比圖。

圖2 PPACP站點平均排隊隊長隨到達率變化曲線 (β=βp=1,γ=2)Fig.2 Change of average queue length of PPACP site with arrival rate (β=βp=1,γ=2)

圖3 PPACP與3種基本輪詢協(xié)議的站點平均排隊 隊長對比圖(β=βp=1,γ=2,N=4)Fig.3 Average queue length of station between PPACP and three basic polling protocols (β=βp=1, γ=2,N=4)

分析圖2中可知：仿真值和理論值相同，說明了仿真的正確性；無論N取3還是15，網(wǎng)控站的平均排隊隊長都遠小于從屬站的平均排隊隊長，說了網(wǎng)控站的傳輸優(yōu)先性；N取15時，網(wǎng)控站和從屬站的平均排隊隊長都比N取3時的大，且隨著報文分組到達率的增大，差值逐漸增大，這與理論是相符的。

分析圖3可知，在相同工作條件下，PPACP網(wǎng)控站的平均排隊隊長是遠小于3種傳統(tǒng)輪詢協(xié)議站點的平均排隊隊長的，但PPACP從屬站的該性能參數(shù)值卻是要差于3種傳統(tǒng)輪詢協(xié)議。說明PPACP是以犧牲普通站點的性能來提高高優(yōu)先級站點性能的，這是符合優(yōu)先級傳輸控制理論[8]的。

2 PPACP的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)FPGA自頂而下的模塊化設(shè)計思想，對PPACP設(shè)計時，以包含3個從屬站和1個網(wǎng)控站(即N=3)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為例，把系統(tǒng)分為報文分組產(chǎn)生模塊、站點模塊、PPACP控制模塊和接收終端模塊分別進行設(shè)計。

2.1 報文分組產(chǎn)生模塊設(shè)計

報文分組產(chǎn)生模塊生成具有到達率為λ的泊松分布的報文分組，用以表示戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中要傳輸?shù)淖鲬?zhàn)報文。設(shè)計中，到達率λ是可以設(shè)定0～1之間的任意值。為了便于統(tǒng)計和驗證，報文分組的內(nèi)容都設(shè)定為8位的10101010. 報文分組產(chǎn)生模塊的時序仿真圖如圖4所示。

圖4 報文分組產(chǎn)生模塊的時序仿真圖Fig.4 Time sequence simulation diagram of packet generation module

2.2 站點模塊設(shè)計

根據(jù)PPACP調(diào)度策略，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的站點具有存儲報文的功能，并且能在讀、寫信號的控制下，對報文按照FCFS的順序進行存入和讀出。設(shè)計時，利用4個異步FIFO對站模塊進行設(shè)計。每個異步FIFO代表一個站點，在寫信號有效時，對報文分組順序存儲，在讀信號有效時，對存儲的報文分組按照FCFS規(guī)則讀取。單個站點模塊仿真時序圖如圖5所示。

2.3 PPACP控制模塊設(shè)計

該模塊是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)按照PPACP策略調(diào)度的核心控制模塊。圖6為PPACP模塊狀態(tài)機。輪詢周期開始時，首先為網(wǎng)控站進行完全服務(wù),服務(wù)結(jié)束后轉(zhuǎn)到為1號從屬站進行限定(k=1)服務(wù)。對從屬站1服務(wù)結(jié)束后再轉(zhuǎn)到對網(wǎng)控站進行完全服務(wù)。服務(wù)結(jié)束繼而對2號從屬站進行限定(k=1)服務(wù)。3號從屬站的服務(wù)轉(zhuǎn)換情況與之相同。

圖6 PPACP控制模塊狀態(tài)機Fig.6 State machine of PPACP control module

2.4 接收終端模塊設(shè)計

接收終端模塊實現(xiàn)從總線上正確讀取對應(yīng)站點所發(fā)送的報文分組的功能。由于信道利用率不可能達到100%，故該模塊中需要濾波電路，以濾除總線上全零的非報文數(shù)據(jù)。圖7為接收終端模塊電路圖。在輪詢控制服務(wù)信號s有效時，通過始終置為高電平的讀信號r把濾波后正確的報文分組讀取出來。

圖7 接收終端模塊電路圖Fig.7 Circuit diagram of receiving terminal module

2.5 PPACP的FPGA頂層設(shè)計

根據(jù)PPACP原理，把報文分組產(chǎn)生模塊、站點模塊、PPACP控制模塊和接收終端模塊連接構(gòu)成系統(tǒng)如圖8所示。4個報文分組產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中待傳輸?shù)淖鲬?zhàn)報文，網(wǎng)控站和3個從屬站對待發(fā)送的報文進行存儲，并在PPACP控制下進行發(fā)送。4個站點發(fā)送的報文經(jīng)或門電路后發(fā)送到總線上進行傳輸。4個接收終端從總線上讀取各自對應(yīng)站點發(fā)送的報文。

圖8 PPACP的FPGA頂層設(shè)計圖Fig.8 Top-level design of PPACP based on FPGA

3 仿真測試和統(tǒng)計分析

3.1 仿真測試

圖9 網(wǎng)控站報文分組傳輸仿真時序圖Fig.9 Time sequence simulation diagram of network control station packet transmission

圖10 網(wǎng)控站和3個從屬站服務(wù)控制仿真時序圖Fig.10 Time sequence simulation diagram of network control station and 3 slave stations service control

采用硬件描述語言VERILOG HDL和原理圖相結(jié)合的方法，在FPGA開發(fā)軟件QUARTUSⅡ8.0中進行綜合和布線。系統(tǒng)工作時鐘clk周期設(shè)定為1 ns，復(fù)位信號rst設(shè)為低電平有效，報文分組到達率λp=λi=λ=0.05，發(fā)送1個報文分組所需的時隙數(shù)βp=β=1，查詢轉(zhuǎn)換時間γ=2. 對PPACP進行仿真，得到如圖9、圖10所示的時序仿真圖。圖9中，網(wǎng)控站發(fā)送的報文分組d1與其接收終端接收的報文分組r1的值是完全相同的，只是存在1個時隙的延時，這是通信傳輸中無法避免的，3個從屬站的報文分組情況與網(wǎng)控站相同。圖10中，s1為網(wǎng)控站服務(wù)控制信號，s2、s3、s4為3個從屬站服務(wù)控制信號，從中可以看出，網(wǎng)控站和3個從屬站是按照PPACP控制策略接受服務(wù)的。把所設(shè)計的系統(tǒng)下載到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6開發(fā)板上進行測試，其結(jié)果與仿真結(jié)果一致。說明所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了PPACP控制功能。

圖11 復(fù)位測試機圖Fig.11 Diagram of reset test machine

把所設(shè)計的系統(tǒng)下載到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6開發(fā)板上進行測試，用CLOCK 50作為系統(tǒng)工作時鐘，SW[17]為復(fù)位rst控制。用DE2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分別顯示網(wǎng)控站和3個從屬站的服務(wù)控制信號，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分別顯示網(wǎng)控站和3個從屬站發(fā)送的報文分組，并且以“7”代表報文分組的內(nèi)容。圖11為復(fù)位控制SW[17]置為低電平(即rst有效)時系統(tǒng)進入工作準備階段的測試機圖。圖12中第1個數(shù)碼管HEX7顯示“1”， HEX6、HEX5、HEX4都無顯示，說明此時只有網(wǎng)控站在接受服務(wù)，同時，HEX3顯示“7”， HEX2、HEX1、HEX0都無顯示，說明此時只有網(wǎng)控站正在發(fā)送報文分組。圖13為系統(tǒng)工作中1號從屬站接受服務(wù)的測試結(jié)果，其他2個從屬站接受服務(wù)的測試結(jié)果與1號從屬站相同。這與系統(tǒng)的時序仿真結(jié)果是一致的，說明所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了PPACP控制功能。

圖12 網(wǎng)控站發(fā)送報文分組Fig.12 Network control station sending packets

圖13 1號從屬站發(fā)送報文分組Fig.13 The first slave station sending packets

3.2 統(tǒng)計分析

根據(jù)PPACP原理，可得到系統(tǒng)的平均輪詢周期、吞吐量以及網(wǎng)控站和從屬站的平均排隊隊長的統(tǒng)計表達式為

平均輪詢周期

(11)

吞吐量

(12)

網(wǎng)控站平均排隊隊長

(13)

從屬站的平均排隊隊長

(14)

式中：tm為系統(tǒng)運行時間；nc為輪詢次數(shù)；ng為總線上傳輸?shù)目偟膱笪姆纸M數(shù)；lp(m)為第m次訪問網(wǎng)控站時網(wǎng)控站待發(fā)送的報文分組數(shù)；l(m)為第m次訪問從屬站時該從屬站待發(fā)送的報文分組數(shù)。通過對上述參量的統(tǒng)計，就可以求得系統(tǒng)的性能參數(shù)值。表1是利用(6)式、(7)式、(8)式、(9)式和(11)式、(12)式、(13)式、(14)式分別計算了在系統(tǒng)運行時長tm=100 μs，tm=200 μs，、tm=400 μs和tm=800 μs的平均輪詢周期、系統(tǒng)吞吐量以及網(wǎng)控站和從屬站的平均排隊隊長。

表1中，在相同的工作條件下，通過取不同工作時長的多次統(tǒng)計，統(tǒng)計值和理論值是非常接近的，且隨著工作統(tǒng)計時長的增加，統(tǒng)計值是逐漸向理論值收斂的，這與理論實際是一致的。

表1 統(tǒng)計值和理論值對比

4 結(jié)論

本文根據(jù)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用背景，分析了傳統(tǒng)輪詢接入控制協(xié)議存在的不足，提出了具有優(yōu)先級的輪詢接入控制協(xié)議PPACP. 該協(xié)議能夠較好地滿足戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中對于緊急作戰(zhàn)命令即具有最高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先傳輸?shù)膶嶋H需求。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)輪詢接入控制協(xié)議相比，PPACP中網(wǎng)控站的作戰(zhàn)報文得到了最優(yōu)先的傳輸權(quán)限，其平均排隊隊長要遠遠小于其他站點。本文還利用FPGA對PPACP進行了設(shè)計，通過仿真測試和統(tǒng)計分析，驗證了該設(shè)計的可行性和正確性。

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Research on Priority Polling Access Control Protocol in FPGA-based Tactical Data Link

LIU Long-jun1,2， DING Hong-wei1， LIU Qian-lin1,3， BAO Li-yong1， LIU Zheng-gang1

(1.School of Information, Yunnan University, Kunming 650091, Yunnan, China;2.Zhoukou Detachment, Henan Armed Police Corps, Zhoukou 466000, Henan, China;3.Yunnan Military Command Region, Kunming 650051,Yunnan, China)

Considering the background of the application of tactical data link in modern information war, a priority polling access control protocol (PPACP) is proposed for that the traditional polling protocol has single function and can not achieve the priority transmission control in actual application. The proposed protocol can set the top priority site as the network control station and the rest of the sites as slave stations based on the priority level of sites. The simulated results show that PPACP can improve the traditional polling protocol, which is better adapted to the requirements of the priority transmission of the most urgent operational message in the tactical data link. PPACP is designed based on field programmable gate array ( FPGA), and the correctness of the design is verified by the simulation test.

ordnance scicne and technology; tactical data link； priority； polling； priority polling access control protocol； field programmable gate array

2016-07-27

國家自然科學基金項目(61461053、61461054、61072079)；云南省自然科學基金項目(2010CD023)；云南大學科研項目(XT412004)

劉龍軍(1989—), 男, 碩士研究生。E-mail: 8938170238@qq.com

丁洪偉(1964—), 男, 教授，碩士生導師。E-mail: dhw1964@163.com

TN915.851

A

1000-1093(2017)02-0305-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.014