三種策略輪詢系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)及性能分析

路秀迎 丁洪偉 楊志軍 保利勇 何敏

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能; 服務(wù)策略; 輪詢系統(tǒng); 信道控制; 查詢周期; 服務(wù)質(zhì)量; 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN919.72?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0023?05

Abstract： On the basis of resource allocation and scheduling sharing theory， the polling system controls the uncontested network access of each business， and uses the whole bandwidth resources for fast data transmission. The polling system can be divided into the types of safety， threshold and limitation according to different service strategies. In order to study the characteristics of the system performance， the three types of polling systems are designed and implemented with FPGA and Verilog HDL， the state machine is set to control the channel， and the QuartusⅡ platform is used for function simulation. The time sequence simulation result of the system is consistent with the requirement of the expected function. The parameter statistic value of the system shows that the system has different service quality characteristics， and has great importance for the selection of scheduling strategy in WSN.

Keywords： point coordination function; service strategy; polling system; channel control; polling cycle; QoS; system design

0 ?引 ?言

輪詢系統(tǒng)具有公平性、靈活性、高效性、實(shí)用性、高服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）等特性，被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的以數(shù)據(jù)為中心的多跳自組織任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)動態(tài)重組形成若干簇區(qū)域結(jié)構(gòu)，自動轉(zhuǎn)發(fā)檢測數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)按照一定的數(shù)據(jù)算法進(jìn)行有效的配置和管理[2]。WSN作為一種可重構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施，具有通用、靈活、可維護(hù)自組織、可學(xué)習(xí)等特性[3]，逐漸從研究型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于害蟲檢測[4]、艦船定位[5]等領(lǐng)域。

基于分簇的WSN網(wǎng)絡(luò)有效降低了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的管理難度，提高了系統(tǒng)的抗毀性能，有效避免了常見多址協(xié)議中不同節(jié)點(diǎn)同時使用信道引起的能量損失，應(yīng)用中要根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS特性，綜合考慮簇區(qū)間距離、最優(yōu)化路徑、網(wǎng)絡(luò)周期、容錯性等因素部署多業(yè)務(wù)應(yīng)用[6]，簇內(nèi)通信采用何種輪詢策略（分完全、門限、限定三種服務(wù)策略）成為性能優(yōu)化的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[7?8]采用排隊論與概率母函數(shù)方法對完全與門限服務(wù)策略下的系統(tǒng)參數(shù)展開理論分析;文獻(xiàn)[9]提出轉(zhuǎn)換時間對服務(wù)策略性能的影響;文獻(xiàn)[10]中系統(tǒng)按照完全服務(wù)策略記錄地鐵通信脈沖時間，實(shí)時特性好，缺點(diǎn)在于高并發(fā)場合下系統(tǒng)持續(xù)服務(wù)單個節(jié)點(diǎn)會導(dǎo)致其他站點(diǎn)“饑餓”;文獻(xiàn)[11]提及的自適應(yīng)雙門限完全服務(wù)策略既克服了車流量高飽和時綠燈長時間停留某一相位的問題，又避免了低飽和狀態(tài)時信號燈頻繁切換問題;文獻(xiàn)[12]中作者對有休眠限定（[K=1]）輪詢系統(tǒng)的平均查詢周期展開數(shù)學(xué)分析，以減小能量損耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

綜上所述，研究不同服務(wù)策略對WSN系統(tǒng)性能的影響具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。FPGA可以利用硬件描述語言再次進(jìn)行設(shè)計，沒有固化的集成電路芯片，靈活性強(qiáng)，可配置性好[13]。本文充分利用其內(nèi)置FIFO軟核數(shù)據(jù)緩存功能，借助QuartusⅡ開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計、仿真，結(jié)合統(tǒng)計值對三種服務(wù)策略下的系統(tǒng)性能展開對比分析。

1 ?輪詢系統(tǒng)原理

WSN分簇技術(shù)把動態(tài)自組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射成相對穩(wěn)定的簇區(qū)域結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)通信基于輪詢機(jī)制，控制簡單。輪詢系統(tǒng)的構(gòu)成包括1個服務(wù)器和[N]個終端，如圖1所示，服務(wù)器按照預(yù)設(shè)規(guī)則對系統(tǒng)終端按同一方向進(jìn)行查詢，對滿足條件的終端提供信道使用權(quán)服務(wù)，服務(wù)完最后一個再返回第一個終端。圖中虛線為服務(wù)器輪詢方向。

系統(tǒng)按照服務(wù)策略可分為完全、門限、限定三種機(jī)制。完全調(diào)度時服務(wù)器對獲得權(quán)限的終端服務(wù)至空，門限調(diào)度時服務(wù)器對獲得權(quán)限終端當(dāng)前所有信息分組進(jìn)行服務(wù)，服務(wù)過程中到達(dá)的信息分組則轉(zhuǎn)到下次服務(wù);限定調(diào)度時服務(wù)器對獲得權(quán)限的終端每次至多服務(wù)[k]個信息分組。

3.4 ?接收模塊

接收站點(diǎn)模塊用于從總線傳輸?shù)男畔⒎纸M中準(zhǔn)確接收讀取出對應(yīng)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，充分利用輪詢系統(tǒng)支持無競爭性實(shí)時業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，各終端依次享有服務(wù)權(quán)限。因此在接收端按照控制模塊產(chǎn)生的讀使能信號依次讀取總線信息，便可實(shí)現(xiàn)對各終端信息分組的正確接收。

4 ?結(jié)果分析

設(shè)計中使用頻率為50 MHz的時鐘信號clk及其8分頻時鐘信號clk8獨(dú)立控制各終端模塊信息分組的到達(dá)和服務(wù)過程。根據(jù)異步FIFO的wr信號實(shí)時顯示存儲器容量，s為終端查詢信號，cr為繼續(xù)服務(wù)控制信號，d信號表示服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，r信號是接收端接收到的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中顧客到達(dá)率、服務(wù)時間、相鄰客戶端轉(zhuǎn)換時間參數(shù)值為[λ=0.5，β=1，γ=1]。

不同服務(wù)策略輪詢系統(tǒng)的仿真圖如圖4～圖6所示。

三幅仿真圖中相鄰站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)間隔、各站點(diǎn)發(fā)送一個數(shù)據(jù)的持續(xù)時間都是一個時鐘，這與所設(shè)參數(shù)值大小相同。其中，各站點(diǎn)接收與發(fā)送數(shù)據(jù)波形一致，時延為320 ns，驗(yàn)證了設(shè)計中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

在仿真圖4中，各站點(diǎn)服務(wù)結(jié)束時存儲器容量顯示wr大小為0;仿真圖5中，cr為0表示本次服務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)量與開始發(fā)送緩存的總數(shù)據(jù)量相等，服務(wù)結(jié)束;由仿真圖6可以看出，獲得發(fā)送權(quán)的站點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)只有一個。仿真時序圖表明設(shè)計已實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

設(shè)置不同的仿真時間，對各參數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計分析，各系統(tǒng)統(tǒng)計值如表1～表3所示。

完全、門限、限定服務(wù)輪詢系統(tǒng)平均排隊隊長、平均查詢周期和平均吞吐量理論值分別為0.237 5，5，0.2;0.25，5，0.2;0.294 8，5，0.2?？梢钥闯鲈谡`差允許范圍內(nèi)，相應(yīng)的統(tǒng)計值大小與理論值相符。

比較三個服務(wù)策略輪詢系統(tǒng)的參數(shù)值可知：

1） 在同樣的控制參數(shù)下，完全服務(wù)輪詢系統(tǒng)平均排隊隊長最小，限定服務(wù)輪詢系統(tǒng)這兩個參數(shù)值最大，門限服務(wù)輪詢系統(tǒng)居中;

2） 在同樣的控制參數(shù)下，三者的平均輪詢周期、系統(tǒng)吞吐量大小相同;

3） 從系統(tǒng)公平性角度看，限定服務(wù)輪詢系統(tǒng)公平性最優(yōu)，但控制靈活性差;門限服務(wù)輪詢系統(tǒng)公平性居中;完全服務(wù)輪詢系統(tǒng)在業(yè)務(wù)量或者網(wǎng)絡(luò)流量大的情況下系統(tǒng)公平性最差，業(yè)務(wù)QoS得不到保障。

5 ?結(jié) ?論

本文以FPGA作為硬件載體，利用Verilog HDL語言按照三種不同的輪詢服務(wù)策略對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過仿真與統(tǒng)計驗(yàn)證了設(shè)計的正確性，統(tǒng)計參數(shù)值與理論值大致相符，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求。三種服務(wù)系統(tǒng)各有特點(diǎn)，有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)碰撞沖突問題，在多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中可充分考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級，結(jié)合不同的服務(wù)策略進(jìn)行項目設(shè)計，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)化。

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