云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)

李玉亭

(1.云南大學(xué) 法學(xué)院，昆明 650500；2.青海警官職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，西寧 810000)

0 引言

隨著各種高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與興盛，傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)迅速成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，包括嵌入式信息開發(fā)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子信息技術(shù)以及通信無(wú)線處理技術(shù)等，都促進(jìn)了傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)在監(jiān)測(cè)通信區(qū)域中布設(shè)大量傳感器無(wú)線節(jié)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的通信網(wǎng)絡(luò)，主要目的在于協(xié)作的處理、采集與感知覆蓋網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體信息，并將數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心發(fā)送[1]。傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的三大要素為監(jiān)測(cè)中心、監(jiān)控對(duì)象以及傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其通信需要綜合多種技術(shù)，包括應(yīng)用層、無(wú)線通信、嵌入式通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理融合、定位、同步時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及拓?fù)浼夹g(shù)等，能夠使人們?cè)诟鞣N環(huán)境、各種地點(diǎn)以及各種時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)獲取可靠、詳實(shí)的信息[2]。

傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)自組織節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行協(xié)同工作，相較于傳感器傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)而言，其優(yōu)勢(shì)較為顯著，包括較高的精度、較強(qiáng)的靈活性、較高的可靠性以及較好的經(jīng)濟(jì)性。其中較高的精度是指節(jié)點(diǎn)能夠?qū)ΡO(jiān)控區(qū)域?qū)嵤┛臻g密集采樣以獲取較高的感知信息精度；較強(qiáng)的靈活性是指能夠隨機(jī)、臨時(shí)布置，并且網(wǎng)絡(luò)具備自組織特性，能夠應(yīng)用于偏、險(xiǎn)、急的場(chǎng)合，使用、設(shè)置和布局上較為靈活；較高的可靠性是指當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效或故障情況時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)能夠迅速承擔(dān)其功能，整體可靠性較強(qiáng)；較好的經(jīng)濟(jì)性是指省略傳輸線纜大大降低了通信成本[3]。然而傳感器無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由于采樣頻率非常高、采集的數(shù)據(jù)又種類十分復(fù)雜，因此網(wǎng)絡(luò)中會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量分布式大數(shù)據(jù)。為了解決這些分布式大數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

由圖1可以看出，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括節(jié)點(diǎn)處理模塊、無(wú)線通信模塊以及USB模塊。USB模塊包含了儀器驅(qū)動(dòng)模塊、用戶界面雖示模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。儀器驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)儀器的配置和驅(qū)動(dòng)，讓儀器可以正常工作。用戶界面顯示模塊完成人機(jī)交互，用戶在界面上配置相關(guān)參數(shù)分析帶寬、中也頻點(diǎn)、參考功率、調(diào)制信號(hào)類型、信堪號(hào)和數(shù)據(jù)存盤路徑等。FPGA端程序主要完成數(shù)捉髙速傳輸、基于延時(shí)改進(jìn)的FFB的數(shù)字信道化、時(shí)間同步、頻率同步以及星座圖解映射。數(shù)據(jù)高速傳輸模塊包括IQ數(shù)據(jù)由矢量信號(hào)分析儀通過(guò)背板總線以P2P的方式傳給FPGA，經(jīng)過(guò)FPGA處理后，再由FPGA以及DMA的方式傳給主機(jī)。數(shù)字信道化模塊完成接收信號(hào)的按頻率分離，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的并行接收解調(diào)。

2 分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)硬件

2.1 設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)處理模塊

云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的硬件包括節(jié)點(diǎn)處理模塊、無(wú)線通信模塊、USB模塊[5]。

節(jié)點(diǎn)處理模塊由FPGA芯片和抗干擾器組成。其中FPGA 芯片選用EP5C3 型號(hào)，主要通過(guò)該芯片進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理[6]。該芯片的參數(shù)具體如表1所示。

表1 芯片參數(shù)

而該芯片的功耗情況則具體如表2所示。

表2 該芯片的功耗情況

由于FPGA芯片接電源與接地的引腳十分復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生噪聲和干擾，因此利用抗干擾器進(jìn)行抗干擾處理?？垢蓴_器主要通過(guò)去耦電容的布置，在鄰近的地線與引腳間接入電容，具體為0.1μF，以實(shí)現(xiàn)抗干擾的作用以及交流信號(hào)的過(guò)濾[7]。

2.2 設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊主要由射頻芯片與無(wú)線收發(fā)器組成。其中射頻芯片選用的型號(hào)為CC2420，其具體參數(shù)如表3所示[8]。

表3 射頻芯片具體參數(shù)

該芯片具備數(shù)據(jù)包的鑒權(quán)、加密、突發(fā)傳輸、緩存以及處理功能，具體構(gòu)成為串行4線設(shè)備外圍接口、串行時(shí)鐘、電路板元器件、數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器、數(shù)據(jù)接收緩沖器、射頻收發(fā)器。

2.3 設(shè)計(jì)USB模塊

USB模塊由接口芯片、寄存器、存儲(chǔ)芯片以及周邊電路構(gòu)成。其中接口芯片選擇的型號(hào)為C7CY01368，該芯片內(nèi)置固件程序、USB智能接口、8051增強(qiáng)型內(nèi)核，支持其他主控芯片的控制、同步高速傳輸以及數(shù)據(jù)批量上傳，并且自帶固件框架與調(diào)試界面[10]。該芯片支持的接口方式共兩種，包括GPIF可編程與FIFO Slave兩種方式。利用芯片內(nèi)置的固件程序?qū)拇嫫鬟M(jìn)行配置。C7CY01368芯片還能夠通過(guò)FIFO Slave方式與FPGA芯片相連接，具體連接方式如圖2所示。

圖2 兩種芯片具體連接方式

存儲(chǔ)芯片的具體型號(hào)為C6424L，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行C7CY01368芯片數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)[11]。

周邊電路主要由時(shí)鐘、配置以及電源管理單元構(gòu)成。

3 分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)軟件

3.1 設(shè)計(jì)分布式大數(shù)據(jù)多信道數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)與處理模塊

云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成為分布式大數(shù)據(jù)多信道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、多信道并行控制模塊[12]。

在云計(jì)算環(huán)境下設(shè)計(jì)分布式大數(shù)據(jù)多信道數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)與處理模塊，該模塊的構(gòu)成為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)單元與數(shù)據(jù)多路處理單元，具體由FIFO、處理數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)以及管理射頻狀態(tài)機(jī)構(gòu)成。模塊中的每一路數(shù)據(jù)通道分別對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻信道[13]。在分布式大數(shù)據(jù)多信道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊的運(yùn)行中，處理數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)以及管理射頻狀態(tài)機(jī)的具體功能分別如表4、表5所示。

表4 處理數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)的具體功能

表5 管理射頻狀態(tài)機(jī)的具體功能

3.2 設(shè)計(jì)多信道并行控制模塊

多信道并行控制模塊主要由多信道并行管理單元、信道狀態(tài)掃查單元以及生成數(shù)據(jù)流單元構(gòu)成。其中信道首先對(duì)各個(gè)分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道的狀態(tài)進(jìn)行掃查，確認(rèn)信道的狀態(tài)是滿還是空，以及信道傳輸分布式大數(shù)據(jù)的具體情況，接著利用多信道并行管理單元根據(jù)具體掃查結(jié)果，通過(guò)讀取使能控制對(duì)分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道的并行進(jìn)行管理，最后利用生成數(shù)據(jù)流單元對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行上傳[14]。

當(dāng)信道狀態(tài)掃查單元發(fā)現(xiàn)分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道中存在大量傳輸數(shù)據(jù)后，多信道并行管理單元即開始進(jìn)行管理工作，首先向分布式大數(shù)據(jù)多信道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊中的管理射頻狀態(tài)機(jī)下達(dá)指令，令其關(guān)閉使能，從而使分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道中的數(shù)據(jù)能夠被讀取，加速數(shù)據(jù)的處理與傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，使分布式大數(shù)據(jù)的傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)多信道并行。當(dāng)這些數(shù)據(jù)處理完畢后，多信道并行管理單元會(huì)重新下達(dá)指令，令其開啟使能，使信道能夠并行運(yùn)行[15]。在該過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行信道的狀態(tài)掃查，發(fā)現(xiàn)過(guò)載信道后需要立即對(duì)其進(jìn)行處理，以免影響到其他分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道的運(yùn)行，保障多個(gè)分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道能夠時(shí)刻并行運(yùn)行，避免分布式大數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的傳輸錯(cuò)誤與信道沖突。

多信道并行控制系統(tǒng)旨在不同頻率下，完成調(diào)制信號(hào)的分離和數(shù)字解調(diào)，結(jié)合星座圖以及比特流顯示結(jié)果。具體控制流程如圖3所示。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

經(jīng)過(guò)下變頻模塊，射頻信號(hào)傳輸至基帶，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于碼片速率較高，可結(jié)合高速傳輸方式將信號(hào)傳輸至FPGA模塊，在該模塊中進(jìn)行高速挖掘處理。再將數(shù)據(jù)傳給主機(jī)做進(jìn)一步數(shù)據(jù)化理和結(jié)果顯示。數(shù)字信道化模塊、時(shí)間同步模塊、頻率同步模塊和星座圖解映射模塊都是在FPGA上完成的。

綜上所述，通過(guò)硬件與軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

利用設(shè)計(jì)的云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)進(jìn)行分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：Windows7操作系統(tǒng)，配置為Intel Core i3-4170CPU3.70 GHz，內(nèi)存為4 GB，使用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法。

在搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使實(shí)驗(yàn)分布式大數(shù)據(jù)傳輸信道進(jìn)行分布式大數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行多信道并行控制。實(shí)驗(yàn)信道共設(shè)置20個(gè)，觀察信道并行控制過(guò)程中各個(gè)實(shí)驗(yàn)信道的分布式大數(shù)據(jù)信道平均傳輸速率，若速率分布的較為平均，則證明分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的信道并行控制性能較好；反之，則證明系統(tǒng)的并行控制性能較差。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)傳輸速率指單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。計(jì)算方法如下：

S=1/log2N

(1)

其中：T表示碼元傳輸速率，即每秒鐘傳輸?shù)拇a元速率，N表示一個(gè)脈沖所能表示的有效值狀態(tài)(相當(dāng)于進(jìn)制數(shù))。

傳統(tǒng)分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的信道并行控制性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如表6所示。

表6 傳統(tǒng)系統(tǒng)的信道并行控制性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的信道并行控制性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如表7所示。

根據(jù)表6與表7可知，傳統(tǒng)分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)各個(gè)實(shí)驗(yàn)信道的分布式大數(shù)據(jù)信道平均傳輸速率數(shù)據(jù)分布的上下起伏較大，而云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)各個(gè)實(shí)驗(yàn)信道的分布式大數(shù)據(jù)信道平均傳輸速率為1.8 Mbps，分布較為均勻。也就是說(shuō)云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)的信道并行控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)。

由于多信道數(shù)據(jù)分布散亂，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)造成阻礙，因而對(duì)模型方法應(yīng)用前后的字段分布進(jìn)行分析。

表7 本文系統(tǒng)的信道并行控制性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 應(yīng)用模型方法前后TTL 字段多信道數(shù)值分布

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字信道化接收機(jī)利用帶通濾波器組將接收信號(hào)按頻率分離，它可對(duì)時(shí)域重疊信號(hào)進(jìn)行全概率測(cè)量，且具有高頻率分辨率。云計(jì)算環(huán)境下分布式大數(shù)據(jù)多信道并行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信道并行控制性能的提升，并且實(shí)現(xiàn)了分布式大數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，然而該系統(tǒng)仍然存在一些微小的缺陷，日后將進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。