基于FPGA的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)

李 超,李 波,丁洪偉,楊志軍,柳虔林

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院,昆明 650500; 2.中國人民武裝警察部隊云南省總隊 楚雄支隊,云南 楚雄 675000; 3.云南省教育廳,昆明 650223; 4.云南省軍區(qū),昆明 650051)

0 概述

在以信息交互為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中,利用信息優(yōu)勢能夠快速決策,加快指揮速度,增強系統(tǒng)之間的協(xié)同能力,大幅提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,而實現(xiàn)信息交互的核心就是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈能夠?qū)?zhàn)場中作戰(zhàn)單元的位置和狀態(tài)信息在系統(tǒng)中進行傳輸[1],同時也能夠感知戰(zhàn)場態(tài)勢和傳遞作戰(zhàn)命令[2]。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈具有傳輸實時性、可靠性和安全性強的特點,同時其信息格式一致并且自動化程度較高[3]。對于分散在戰(zhàn)場中不同位置的作戰(zhàn)單元,戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈能夠?qū)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分散部署的作戰(zhàn)單元進行服務(wù),特別在復(fù)雜環(huán)境下,戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈能夠提供較好的服務(wù)質(zhì)量,因此,其被廣泛運應(yīng)于戰(zhàn)場環(huán)境[4]。

在戰(zhàn)場環(huán)境下,對于不同功能的站點,發(fā)送信息的速率和優(yōu)先級是不同的:對于有較高發(fā)送優(yōu)先權(quán)的站點,需要保證優(yōu)先發(fā)送;對于發(fā)送量較大的站點,需要較長的發(fā)送時間,以確保數(shù)據(jù)能夠及時發(fā)送[5]。MAC協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息傳輸?shù)囊豁椫匾夹g(shù),其控制信道的分配可避免信號沖突,防止站點之間信號同時傳輸而造成數(shù)據(jù)丟失。優(yōu)秀的MAC協(xié)議能夠大幅降低系統(tǒng)丟包率,兼顧站點傳輸?shù)墓叫?減小傳輸時延,提高系統(tǒng)的吞吐量[6]?，F(xiàn)有MAC協(xié)議根據(jù)訪問策略的不同,可以分為基于競爭機制的MAC協(xié)議、基于非競爭機制的MAC協(xié)議和混合類的MAC協(xié)議[7-8]。MAC協(xié)議是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,MAC層采用何種接入技術(shù)對系統(tǒng)的傳輸時延、吞吐量和傳輸質(zhì)量等重要指標都有較大影響。

針對戰(zhàn)場環(huán)境對發(fā)送優(yōu)先級和發(fā)送速率的應(yīng)用需求,本文利用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programming Gate Array,FPGA),設(shè)計并實現(xiàn)一種具有優(yōu)先級的連續(xù)服務(wù)型接入控制協(xié)議(Priority Continuous service Access Control Protocol,PCACP)。該協(xié)議保證優(yōu)先站點以較高的優(yōu)先權(quán)快速發(fā)送信息分組,同時引入連續(xù)服務(wù)機制,進一步縮短信息分組等待服務(wù)的時間。在此基礎(chǔ)上,采用概率母函數(shù)和嵌入式馬爾科夫鏈相結(jié)合的方式對模型進行定量分析,得到對應(yīng)指標的精確解,并通過Matlab對系統(tǒng)進行建模仿真和比較,驗證協(xié)議的正確性和優(yōu)越性。

1 研究現(xiàn)狀

基于輪詢機制的MAC協(xié)議,是一種基于非競爭機制的MAC協(xié)議,其可與部隊的隸屬關(guān)系相結(jié)合[9],同時由于服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)能夠保證戰(zhàn)術(shù)通信的要求,因此其在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中有著廣泛的應(yīng)用[10]。針對基于輪詢機制的MAC協(xié)議,目前研究成果較多,根據(jù)對站點服務(wù)方式的不同,可將其分為門限[11]、限定[12]和完全[13]3種服務(wù)方式。但是面對不同應(yīng)用場景,3種基本輪詢服務(wù)方式已經(jīng)不能滿足功能的需求。對于具有優(yōu)先發(fā)送需求的情況,采用兩級優(yōu)先級的方式能夠保證優(yōu)先級站點優(yōu)先發(fā)送信息分組[14],其對優(yōu)先級站點采用完全服務(wù)的方式,對無優(yōu)先級站點采用門限服務(wù)的方式,在保證優(yōu)先級站點發(fā)送速率的同時,能夠兼顧無優(yōu)先級站點的發(fā)送速率。文獻[15]提出一種基于直接映射函數(shù)(Direct Function Mapping,DFM)和差分趨勢(Difference Trend,DT)方法的MAC協(xié)議。該協(xié)議能夠根據(jù)信道忙閑比變化情況動態(tài)調(diào)整門限,在不影響高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的情況下提高信道利用率。動態(tài)門限相比固定門限具有更高的信道利用率,特別是對于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包吞吐量改善明顯。對于多優(yōu)先級的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),針對每個站點的不同優(yōu)先級設(shè)置優(yōu)先級向量,各站點根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級采集戰(zhàn)場數(shù)據(jù),服務(wù)器根據(jù)站點的優(yōu)先級依次對站點進行服務(wù)[9]。對于信息分組到達率較高的站點,可以采用多級門限的方式控制站點的發(fā)送速率[16],到達站點的信息分組較多時增加門限的級數(shù),可以保證站點內(nèi)的信息分組被及時發(fā)送。對于含有一個高優(yōu)先級站點和多個普通站點的特殊戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),文獻[17]提出含有一個網(wǎng)控站和多個從屬站的模型,對網(wǎng)控站采用完全服務(wù)的方式,對從屬站采用限定服務(wù),從而保證網(wǎng)控站能夠及時有效地發(fā)送信息分組。

上述文獻針對不同應(yīng)用場景進行研究,所提出的協(xié)議能夠有效保證系統(tǒng)的需求,但是對于如何進一步縮短各站點等待時間和提高系統(tǒng)服務(wù)效率,并沒有進行深入研究。本文以此為出發(fā)點,提出一種具有優(yōu)先級的連續(xù)服務(wù)協(xié)議。該協(xié)議服務(wù)完本站點后立即服務(wù)下一站點,從而縮短各個站點等待服務(wù)的時間。

電子設(shè)計自動化(Electronics Design Automation,EDA)技術(shù)是集成電路設(shè)計中的重要方法,其具有開發(fā)成本低和開發(fā)周期短的特性。通過使用EDA技術(shù),工程師能夠快速設(shè)計和驗證集成電路的功能,完成專業(yè)人士難以實現(xiàn)的時序級電路功能邏輯分析和電路降噪處理工作,節(jié)約大量時間成本和資金成本[18]。利用EDA技術(shù)能夠在有限的時間內(nèi)設(shè)計開發(fā)大規(guī)模和高復(fù)雜度的高性能集成電路。FPGA作為EDA的主要技術(shù)之一,具有成本低、靈活性高、移植性強、運算速度快和現(xiàn)場可編程的特點[19],被廣泛用于電子制造業(yè)。FPGA含有豐富的元器件庫和靈活的用戶自定義機制,用戶能夠根據(jù)需求調(diào)用器件,通過將編程和邏輯器件相結(jié)合,用戶能夠較好地完成相關(guān)協(xié)議的仿真工作[20-21]。FPGA對數(shù)據(jù)處理采用并行機制,同時對多路信號進行處理,提高了系統(tǒng)的處理效率,同時其采用模塊化設(shè)計,增強了系統(tǒng)的通用性和可移植性,因此,FPGA能夠較好地完成協(xié)議設(shè)計工作并進行實現(xiàn)[22-24]。

在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,某一類特殊站點的信息分組到達率較高并且需要獲得較高的發(fā)送優(yōu)先權(quán),而其他站點的信息分組到達率低并且發(fā)送的優(yōu)先權(quán)不高。具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)站點的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)如圖1所示。針對這一作戰(zhàn)需求,本文提出一種具有優(yōu)先級的連續(xù)服務(wù)型接入控制協(xié)議PCACP,通過對優(yōu)先站點采用完全服務(wù)的方式,對從屬站點采用限定服務(wù)的方式進行服務(wù)。同時為進一步縮短等待服務(wù)的時間,在協(xié)議中嵌入連續(xù)服務(wù)的方式,服務(wù)完本站點后立即服務(wù)下一站點。

圖1 具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)站點的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)Fig.1 Tactical data link system with sites having priority sending right

2 PCACP系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

戰(zhàn)場環(huán)境中分布著許多戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈站點,因為這些站點的功能不同,所以所發(fā)送信息分組的速率和優(yōu)先級也不同。一部分站點需要獲得較高的優(yōu)先發(fā)送權(quán)將采集到的數(shù)據(jù)及時回傳到控制中心,并且這一類站點采集數(shù)據(jù)的速率較高,將這類具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)和較高發(fā)送速率的站點稱為優(yōu)先站點;而其他的站點采集數(shù)據(jù)的速率不高,并且發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)較低,將這類站點稱為從屬站點。同時,考慮到戰(zhàn)場數(shù)據(jù)回傳的實時性,需要盡快將采集到的數(shù)據(jù)回傳到控制中心,應(yīng)在協(xié)議中引入連續(xù)服務(wù)機制,即服務(wù)完本站點后立即服務(wù)下一站點。針對以上作戰(zhàn)要求,本文提出一種具有優(yōu)先級的連續(xù)服務(wù)型接入控制協(xié)議PCACP。該協(xié)議中含有一個優(yōu)先站點和N個從屬站點,對優(yōu)先站點采用完全服務(wù),即優(yōu)先站點發(fā)送完存儲器內(nèi)所有的信息分組時才切換到下一站點進行服務(wù)。對從屬站點采用限定服務(wù),即每次只允許從屬站點發(fā)送一個信息分組后立即切換到下一站點。PCACP的服務(wù)規(guī)則如下:

1)輪詢開始時,首先對優(yōu)先站點進行服務(wù),若優(yōu)先站點內(nèi)有需要發(fā)送的信息分組,則按照先到先服務(wù)的服務(wù)規(guī)則,采用完全服務(wù)的方式對優(yōu)先站點進行服務(wù),接收完優(yōu)先站點的最后一個信息分組后,控制中心立即切換到第1號從屬站點進行服務(wù);若優(yōu)先站點無信息分組,則經(jīng)過一個切換時間后,開始服務(wù)第1號從屬站點。

2)若第i(i=1,2,…,N)號從屬站點有需要發(fā)送的信息分組,則第i號從屬站點發(fā)送一個信息分組,而后立即切換到優(yōu)先站點進行服務(wù);若沒有需要發(fā)送的信息分組,則經(jīng)過一個切換時間后,對優(yōu)先站點進行服務(wù)。

3)對優(yōu)先站點服務(wù)完畢后,立即切換到第(i+1)號從屬站點進行服務(wù),對第(i+1)號從屬站點服務(wù)的方式同第i號從屬站點,服務(wù)完畢后切換到優(yōu)先站點。

4)依次服務(wù)完所有站點后,開始進入下一輪詢周期,按照上述服務(wù)規(guī)則對所有站點進行服務(wù)。

通過設(shè)置站點的優(yōu)先級和采用連續(xù)服務(wù)機制,能夠保證優(yōu)先站點的信息快速發(fā)送,同時縮短系統(tǒng)內(nèi)部信息分組等待發(fā)送的時間。各站點的服務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖2所示,發(fā)送信息分組的時序圖如圖3所示。

圖2 各站點服務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.2 Service state transition diagram of each site

圖3 各站點發(fā)送信息分組的時序圖Fig.3 Time sequence diagram of each station sending information group

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)PCACP的服務(wù)規(guī)則,采用嵌入式馬爾科夫鏈[25-26]和概率母函數(shù)[27]的方法建立數(shù)學(xué)模型。本文在離散的時間系統(tǒng)上對PCACP系統(tǒng)模型進行分析,系統(tǒng)的工作條件如下:

4)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中各站點存儲器的容量足夠大,不會造成信息分組丟失,存儲器內(nèi)的信息分組按照先到先服務(wù)的順序接受服務(wù)。

假設(shè)控制中心對第i號從屬站點服務(wù)的時間為vi(n),在服務(wù)過程中到達從屬站點j(j=1,2,…,N,P)的信息分組為ηj(vi),ui(n)為控制中心的切換時間,在此過程中到達從屬站點j(j=1,2,…,N,P)的信息分組數(shù)為μj(ui)。控制中心為優(yōu)先站點中k個信息分組服務(wù)的時間為τ(k),為第l個信息分組提供服務(wù)的時間為SP,l,優(yōu)先站點采用完全服務(wù)的方式,因此,服務(wù)完在第m個時隙進入優(yōu)先站點的信息分組及在服務(wù)期間進入優(yōu)先站點的信息分組的時間為VP,m。由以上分析可得:

(1)

控制中心對進入優(yōu)先站點的信息進行完全服務(wù)所需時間的隨機變量服從一個相互獨立且相同分布的概率分布,其概率母函數(shù)為F(zP):

(2)

服務(wù)從屬站點時,系統(tǒng)的概率母函數(shù)為:

Gi+1(z1,z2,…,zN,zP)=

(3)

其中,FP(zP)=AP(BP(zPFP(zP)))。

服務(wù)優(yōu)先站點時,系統(tǒng)的概率母函數(shù)為:

[Gi(z1,z2,…,zi,…,zN,zP)-

Gi(z1,z2,…,zi,…,zN,zP)|zi=0]+

(4)

根據(jù)上文定義的輪詢機制,分別對從屬站點和優(yōu)先站點的概率母函數(shù)分析一階特性和二階特性,可以得到PCACP系統(tǒng)模型的性能參數(shù)。

1)平均輪詢周期

(5)

(6)

2)平均排隊隊長

平均排隊對長為各站點內(nèi)等待發(fā)送的平均信息分組數(shù)。根據(jù)概率母函數(shù)的一階特性和二階特性,可得到優(yōu)先站點的平均排隊隊長gP:

(7)

從屬站點的平均排隊隊長g為:

γ-ρPγ2)+2γ(1-ρ-ρP)+λγρP(1+ρP-

(8)

3)系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量是指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒎纸M的個數(shù)。PCACP系統(tǒng)的吞吐量T為:

T=Nρ+ρP

(9)

根據(jù)PCACP系統(tǒng)模型的性能參數(shù),本文利用Matlab對該模型進行仿真,得到PCACP系統(tǒng)模型性能參數(shù)隨到達率變化的曲線圖。圖4為在不同站點的到達率下,優(yōu)先站點和從屬站點的平均排隊隊長隨優(yōu)先站點到達率變化的曲線,設(shè)置β=1,γ=3,N=3。

圖4 PCACP模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線Fig.4 Average queue length variation curve of PCACP model changing with arrival rate

由于從屬站點和控制中心之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)固定且對傳輸速率要求相對不高,本文重點分析在不同的從屬站點到達率下,兩類站點的平均排隊隊長隨優(yōu)先站點到達率的變化趨勢。由圖4可見,在相同的從屬站點到達率下,隨著優(yōu)先站點到達率增大,平均排隊隊長也隨之增大,這是由于系統(tǒng)的服務(wù)能力是一定的,到達系統(tǒng)的信息分組增多,在系統(tǒng)內(nèi)等待發(fā)送的信息分組也將會增多,這與實際情況是相符的。優(yōu)先站點的平均排隊隊長要明顯短于從屬站點,這是因為系統(tǒng)中優(yōu)先站點的優(yōu)先級要高于從屬站點,且采用完全服務(wù)的方式對優(yōu)先站點進行服務(wù),保證了優(yōu)先站點采集到的數(shù)據(jù)能夠最快發(fā)送到控制中心。當優(yōu)先站點到達率的相同時,隨著從屬站點到達率的增大,優(yōu)先站點的平均排隊隊長變短,從屬站點的平均排隊隊長變長,這是由于每次對從屬站點服務(wù)時,只發(fā)送一個信息分組,隨著到達率的增大,從屬站點內(nèi)發(fā)送的信息分組將會增多,系統(tǒng)空轉(zhuǎn)的次數(shù)減少。圖4中設(shè)置β=1,γ=3,發(fā)送一個信息分組的時間短于空轉(zhuǎn)的時間,切換到優(yōu)先站點服務(wù)的時間提前,優(yōu)先站點內(nèi)等待發(fā)送的信息分組就會減少。

圖5表示在不同到達率下PCACP模型和3種輪詢模型(門限、完全和限定(K=1))的平均排隊隊長隨不同達率的變化曲線,設(shè)置β=1,γ=3,N=3。

圖5 PCACP模型與3種經(jīng)典輪詢模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線對比Fig.5 Comparison of average queue length curves of PCACP model and three classical polling models changing with arrival rate

由圖5可見,隨著到達率的增大,PCACP模型和3種輪詢系統(tǒng)模型的平均排隊隊長都逐漸增大,這與實際情況是相符的。PCACP優(yōu)先站點的平均排隊隊長明顯短于3種輪詢系統(tǒng)的平均排隊隊長,這是因為優(yōu)先站點具有較高的優(yōu)先級,服務(wù)完一次從屬站點,就服務(wù)一次優(yōu)先站點,保證了優(yōu)先站點內(nèi)的信息分組能夠及時發(fā)送。從屬站點雖然也采用了限定(K=1)服務(wù),但是PCACP模型中從屬站點的平均排隊隊長要短于經(jīng)典輪詢模型中的限定(K=1)服務(wù),這是因為服務(wù)完優(yōu)先站點就立即切換到從屬站點進行服務(wù),省去了切換的時間,縮短了信息分組的等待時間。

圖6為PCACP模型與PPACP模型[16]的平均排隊隊長隨到達率變化的曲線,設(shè)置β=1,γ=1,N=3。

圖6 PCACP模型與PPACP模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線對比Fig.6 Comparision of average queue length curves of PCACP model and PPACP model changing with arrival rate

PCACP模型和PPACP模型都采用了完全-限定(K=1)的非對稱輪詢方式,PCACP模型在服務(wù)完本站點后立即切換到下一站點進行服務(wù),而PPACP模型服務(wù)完本站點后,經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換時間后才切換到下一站點服務(wù),PCACP模型的優(yōu)越性在于節(jié)省了切換時間,提高了系統(tǒng)的服務(wù)服務(wù)效率。分析圖6可知,在同等的條件下,PCACP模型優(yōu)先站點和從屬站點的平均排隊隊長都要小于PPACP模型,縮短了信息分組的排隊隊長,在相同的到達率下,PCACP模型具有更高的服務(wù)效率,進一步驗證了該協(xié)議的優(yōu)越性。

3 PCACP的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)FPGA的模塊化設(shè)計思想,對PCACP協(xié)議按照各個功能模塊進行設(shè)計,包含1個優(yōu)先站點和3個從屬站點(即N=3)。將基于PCACP協(xié)議的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)分為信源模塊、站點模塊、PCACP控制模塊和接收模塊進行設(shè)計。

3.1 信源模塊

在PCACP協(xié)議中,到達優(yōu)先站點的信息分組為到達率為λP的泊松數(shù)據(jù)流,到達從屬站點的信息分組為到達率為λ的泊松數(shù)據(jù)流。由于FPGA中無法產(chǎn)生滿足要求的信息分組,因此本文利用Matlab軟件產(chǎn)生滿足要求的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在.mif文件中。然后利用FPGA的中ROM核,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FPGA中,在時鐘的控制下依次讀取數(shù)據(jù)來模擬信息分組的到達。為便于模擬輪詢過程和統(tǒng)計信息分組的到達,設(shè)置信息分組的結(jié)構(gòu)為8位的10101010。信源模塊的時序圖如圖7所示,其中,P表示優(yōu)先站點產(chǎn)生的信息分組,一個時鐘周期內(nèi)的電平為10101010,表示一個單位時間內(nèi)到達一個信息分組,否則未到達信息分組,從屬站點的信息分組與之類似。

圖7 優(yōu)先站點信源模塊的時序圖Fig.7 Sequence diagram of source module of priority site

3.2 站點模塊

系統(tǒng)中的站點包括優(yōu)先站點和從屬站點,根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流和控制信號完成不同的功能。在寫信號的控制下,站點模塊將到達的信息分組存儲在站點模塊的存儲器內(nèi),模擬信息分組到達后的排隊過程。在讀信號的控制下,將信息分組從站點內(nèi)讀出,模擬控制中心對站點的服務(wù)過程。這就要求存儲器能夠在讀、寫信號的控制下,對站點進行讀操作和寫操作,并且站點的存儲空間要足夠大來容納信源產(chǎn)生的信息分組。本文采用4個異步FIFO來設(shè)計站點模塊。信息分組到達時,在寫信號的控制下,按照信息分組到達的順序?qū)戇MFIFO中,控制中心對站點進行服務(wù)時,在讀信號的控制下按照先到先服務(wù)的規(guī)則發(fā)送信息分組。若站點內(nèi)的信息分組發(fā)送完畢,則讀空信號為高電平,控制中心收到高電平后,切換到下一站點服務(wù)。圖8為站點模塊原理圖。

圖8 站點模塊示意圖Fig.8 Schematic diagram of site module

3.3 控制模塊

控制模塊是PCACP系統(tǒng)的控制中心,決定著信道的分配和服務(wù)的方式。在服務(wù)開始時,首先按照PCACP服務(wù)規(guī)則對優(yōu)先站點進行服務(wù),若優(yōu)先站點內(nèi)的信息分組已經(jīng)發(fā)送完畢,則立即切換到從屬站點進行服務(wù);若從屬站點內(nèi)有信息分組需要發(fā)送,則從屬站點發(fā)送一個信息分組;若切換到從屬站點時,沒有信息分組需要發(fā)送,則經(jīng)過一個切換時間切換到優(yōu)先站點進行服務(wù)。按照上述規(guī)則,依次服務(wù)完所有站點,完成一個周期的輪詢。PCACP控制模塊結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 PCACP控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of PCACP control module

3.4 接收模塊

在控制中心的調(diào)度下,戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈站點能夠按照PCACP的輪詢規(guī)則發(fā)送信息分組。控制中心將接收到的信息分組通過總線傳輸?shù)浇邮漳K。由于不存在兩個站點同時發(fā)送信息分組,因此信息分組在總線上傳輸時不會發(fā)生碰撞。接收模塊接收到信息分組后,通過控制信號和同步信號,能夠還原各個站點發(fā)送的信息分組。PCACP接收模塊結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 PCACP接收模塊結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of PCACP receiving module

3.5 頂層設(shè)計

如圖11所示,將系統(tǒng)各個功能模塊進行組合即可構(gòu)成PCACP整個系統(tǒng),其中包括信源模塊、站點模塊、控制模塊和接收模塊。該系統(tǒng)能夠通過FPGA模擬實現(xiàn)PCACP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、輪詢控制、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收的功能。

圖11 PCACP系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.11 Overall structure of PCACP system

4 仿真測試與統(tǒng)計分析

4.1 系統(tǒng)仿真測試

對PCACP系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA進行設(shè)計,開發(fā)環(huán)境為quartus 13,同時結(jié)合硬件描述語言Verilog HDL與原理圖的方法。設(shè)置系統(tǒng)的工作時鐘為50 MHz,復(fù)位鍵設(shè)置為低電平有效,時鐘的上升沿觸發(fā),信息分組的到達率為λP=0.3,λi=0.1,系統(tǒng)發(fā)送一個信息分組的所需的時隙數(shù)為β=1,系統(tǒng)在各站點之間切換的時隙數(shù)為γ=1,仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 優(yōu)先站點仿真時序圖Fig.12 Simulation sequence diagram of priority sites

圖13 控制信號仿真時序圖Fig.13 Simulation sequence diagram of control signal

圖12為優(yōu)先站點的仿真時序圖,其中,d1表示優(yōu)先站點發(fā)送的信息分組,r1表示接收到的優(yōu)先站點的信息分組?？梢钥闯?發(fā)送信息與接收到的信息完全一致,只是存在一定的時延,這是信息在傳輸過程中的時延。從屬站點發(fā)送的信息分組和接收到的信息分組的仿真時序圖與優(yōu)先站點類似。

圖13為控制信號的仿真時序圖,其中,s1表示優(yōu)先站點的控制信號,s2、s3、s4表示從屬站點的控制信號?？梢钥闯?控制中心首先對優(yōu)先站點進行完全服務(wù),服務(wù)完畢后立即切換到下一站點進行服務(wù)。優(yōu)先站點采用完全服務(wù)的方式,從屬站點采用限定(K=1)的方式。服務(wù)方式與預(yù)先設(shè)置的PCACP規(guī)則相符,保證了優(yōu)先站點的信息分組優(yōu)先發(fā)送,同時采用連續(xù)服務(wù)的方式,縮短了信息分組等待發(fā)送的時間。

4.2 統(tǒng)計分析

通過仿真可以得到系統(tǒng)的平均循環(huán)周期、優(yōu)先站點、從屬站點的平均排隊隊長和系統(tǒng)的吞吐量,表達式如下:

(10)

(11)

(12)

(13)

設(shè)置系統(tǒng)的仿真時長分別為100 μs、200 μs和500 μs,結(jié)合式(10)～式(13)得到不同參數(shù)的仿真統(tǒng)計值,并和理論值進行對比,對比結(jié)果如表1所示。

由表1可見,設(shè)置相同的工作條件,在不同仿真時長下得到的統(tǒng)計值與理論值是一致的,隨著仿真時長的增加,統(tǒng)計值更接近理論值,驗證了本文協(xié)議的正確性。

表1 PCACP協(xié)議性能指標理論值與統(tǒng)計值對比Table 1 Comparison of theoretical values and statistical values of PCACP protocol performance indicators

5 結(jié)束語

在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,優(yōu)先站點應(yīng)具有較高的發(fā)送優(yōu)先權(quán)和發(fā)送速率,從屬站點的優(yōu)先權(quán)和發(fā)送速率相對低,同時為縮短戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈單元等待服務(wù)的時間并提高系統(tǒng)效率,應(yīng)在系統(tǒng)中引入連續(xù)服務(wù)機制。針對這一應(yīng)用需求,本文提出一種具有優(yōu)先級的連續(xù)服務(wù)型接入控制協(xié)議PCACP,并通過FPGA進行實現(xiàn)。采用概率母函數(shù)和嵌入式馬爾科夫鏈相結(jié)合的方式對協(xié)議進行定量分析,得到相關(guān)性能的精確解,并運用Matlab進行仿真,進一步驗證其正確性和優(yōu)越性。仿真結(jié)果表明,該協(xié)議能夠在保證優(yōu)先發(fā)送的同時縮短系統(tǒng)等待時延,提高系統(tǒng)的發(fā)送效率,在同等條件下,其性能明顯優(yōu)于3種傳統(tǒng)輪詢模型和PPACP模型。PCACP能夠保證實戰(zhàn)環(huán)境下重要數(shù)據(jù)的傳輸,為戰(zhàn)場的分析決策提供有力條件,并且該協(xié)議還可應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、頻譜感知網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)。下一步將針對站點的需求,對優(yōu)先站點設(shè)置不同的優(yōu)先級和服務(wù)方式,以適應(yīng)不用需求下的作戰(zhàn)需求,在有限的信道資源下合理分配信道,優(yōu)化資源配置。