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

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。