基于現場可編程門陣列戰術數據鏈中優先級輪詢接入控制協議的研究

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, 云南 昆明 650051)

基于現場可編程門陣列戰術數據鏈中優先級輪詢接入控制協議的研究

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, 云南 昆明 650051)

基于戰術數據鏈在現代信息化戰爭中的應用背景，針對傳統輪詢協議存在的功能單一和不能滿足實際應用中優先傳輸控制的問題，提出了一種具有優先級的輪詢接入控制協議(PPACP)。該協議可以根據系統中站點的優先級別，設定優先級別最高的站點為網控站，其余站點為從屬站。仿真結果表明，PPACP能夠改善傳統輪詢協議存在不足，較好地適應戰術數據鏈中對于最為緊急的作戰報文的優先傳輸要求。利用現場可編程門陣列對PPACP進行設計，通過仿真測試，驗證了該設計的正確性。

兵器科學與技術； 戰術數據鏈； 優先級； 輪詢； 優先級輪詢接入控制協議； 現場可編程門陣列

0 引言

隨著電子信息技術的高速發展，世界已經進入信息時代，信息網絡和信息技術無處不在。在軍事領域，武器裝備的信息化、部隊的數字化、指揮控制的自動化，標志著世界軍事和未來戰爭都在向信息化推進。這些表明軍事領域的信息技術研究工作勢在必行。戰術數據鏈，在美國稱之為TADIL,在北約稱之為Link，是一種按照統一的數據格式和通信協議，以無線信道為主對作戰信息進行實時、準確、自動、保密傳輸的信息傳輸系統[1]。通過戰術數據鏈，可將戰場上的指揮中心、各級指揮所、各參戰部隊和武器平臺鏈接在一起，構成陸、海、空、天一體化的數字信息網絡，從而實現信息資源共享，為作戰指揮人員和戰斗人員提供作戰數據以及完整的戰場戰術態勢圖[2]。

基于輪詢機制的接入協議順應了部隊編制中戰術單元之間級隸屬關系，同時，其時延特性又滿足了戰術通信的實時性要求, 因此，在戰術數據鏈中有著廣泛的應用[3]。如美軍Link11數據鏈系統等都采用了輪詢接入控制協議。傳統的輪詢控制策略有3種，即完全服務輪詢控制策略、門限服務輪詢控制策略[4]和限定(每次服務的報文分組數k=1)服務輪詢控制策略[5]。作戰時，不是所有作戰命令的緊急性都相同，而是有一些作戰命令是迫切需要傳達的。這些迫切需要傳達的作戰命令的優先級高于普通作戰命令的優先級，那么優先級高的作戰命令在數據鏈傳輸中就應該最具優先權。要實現戰術數據鏈中這一優先傳輸控制功能，顯然，傳統的輪詢接入控制協議是無法做到的。為此，本文在充分考慮戰術數據鏈在作戰環境下應用的基礎上，針對當前的輪詢接入控制協議的不足，提出了具有優先級的輪詢接入控制協議(PPACP)。PPACP能夠很好地滿足戰術數據鏈中對于緊急作戰命令的優先傳輸要求，實現傳輸的優先級控制功能。

現場可編程門陣列(FPGA)自問世以來，一直在通信領域發揮著重要作用。對于協議的設計，相比于專用集成電路(ASIC)和通用數字信號處理(DSP)，FPGA更具優勢。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、現場可編程、開發周期短、開發成本低等眾多優點[6]。本文所提的PPACP不僅具有優先級控制功能，就協議本身而言，還要具有處理快、時延低、效率高等優良性能。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計的應用面。因此，利用FPGA對PPACP進行設計是非常有意義的。

1 具有優先級的輪詢接入控制協議

1.1 PPACP模型

本文根據戰術數據鏈中所要傳輸的作戰命令具有優先權的實際要求，提出了具有優先級的輪詢接入控制協議。數據鏈中最高級作戰命令具有最高優先權，把發送具有最高優先權的站點設定為網控站，對網控站采用完全服務，其余N個站點為從屬站，對從屬站采用限定(k=1)服務，PPACP模型如圖1所示。PPACP服務規則如下：

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

2)若網控站有報文要發送，則當網控站發送完其當前所有的報文時，轉到查詢第i號從屬站。

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

4)網控站服務結束之后，轉到查詢第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模型基礎上，采用嵌入式Markov鏈和概率母函數的方法建立PPACP數學模型[7]。對該模型進行分析，得到PPACP相關特性參數。假設數據鏈工作在離散時間上，每個網控站占用的信道是單一的，系統工作條件如下：

(1)

在tn時刻，πi(x1,x2,…,xN,xp)的概率母函數定義為

(2)

同理可得πip(y1,y2,…,yN,yp)的概率母函數為

(3)

根據PPACP模型所采用的輪詢機制和以上定義的概率母函數，可求得戰術數據鏈系統中采用PPACP的性能參數。

1)平均輪詢周期。系統的輪詢周期為按照PPACP規則對系統中N+1個站點全部服務一遍所用時間的統計平均值，它由服務時間和查詢轉換時間組成。利用概率母函數的關系可得

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

(7)

(8)

3)系統吞吐量。系統吞吐量是指單位時間內系統所能傳輸服務的報文分組數，其表達式為

T=Nρ+ρp.

(9)

根據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與傳統的3種輪詢協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，說了網控站的傳輸優先性；N取15時，網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網控站的平均排隊隊長是遠小于3種傳統輪詢協議站點的平均排隊隊長的，但PPACP從屬站的該性能參數值卻是要差于3種傳統輪詢協議。說明PPACP是以犧牲普通站點的性能來提高高優先級站點性能的，這是符合優先級傳輸控制理論[8]的。

2 PPACP的FPGA設計實現

根據FPGA自頂而下的模塊化設計思想，對PPACP設計時，以包含3個從屬站和1個網控站(即N=3)的戰術數據鏈系統為例，把系統分為報文分組產生模塊、站點模塊、PPACP控制模塊和接收終端模塊分別進行設計。

2.1 報文分組產生模塊設計

報文分組產生模塊生成具有到達率為λ的泊松分布的報文分組，用以表示戰術數據鏈系統中要傳輸的作戰報文。設計中，到達率λ是可以設定0～1之間的任意值。為了便于統計和驗證，報文分組的內容都設定為8位的10101010. 報文分組產生模塊的時序仿真圖如圖4所示。

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

2.2 站點模塊設計

根據PPACP調度策略，數據鏈系統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。設計時，利用4個異步FIFO對站模塊進行設計。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控制模塊設計

該模塊是戰術數據鏈系統按照PPACP策略調度的核心控制模塊。圖6為PPACP模塊狀態機。輪詢周期開始時，首先為網控站進行完全服務,服務結束后轉到為1號從屬站進行限定(k=1)服務。對從屬站1服務結束后再轉到對網控站進行完全服務。服務結束繼而對2號從屬站進行限定(k=1)服務。3號從屬站的服務轉換情況與之相同。

圖6 PPACP控制模塊狀態機Fig.6 State machine of PPACP control module

2.4 接收終端模塊設計

接收終端模塊實現從總線上正確讀取對應站點所發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據。圖7為接收終端模塊電路圖。在輪詢控制服務信號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頂層設計

根據PPACP原理，把報文分組產生模塊、站點模塊、PPACP控制模塊和接收終端模塊連接構成系統如圖8所示。4個報文分組產生模塊產生數據鏈系統中待傳輸的作戰報文，網控站和3個從屬站對待發送的報文進行存儲，并在PPACP控制下進行發送。4個站點發送的報文經或門電路后發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站點發送的報文。

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

3 仿真測試和統計分析

3.1 仿真測試

圖9 網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 網控站和3個從屬站服務控制仿真時序圖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和原理圖相結合的方法，在FPGA開發軟件QUARTUSⅡ8.0中進行綜合和布線。系統工作時鐘clk周期設定為1 ns，復位信號rst設為低電平有效，報文分組到達率λp=λi=λ=0.05，發送1個報文分組所需的時隙數βp=β=1，查詢轉換時間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，網控站發送的報文分組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控站相同。圖10中，s1為網控站服務控制信號，s2、s3、s4為3個從屬站服務控制信號，從中可以看出，網控站和3個從屬站是按照PPACP控制策略接受服務的。把所設計的系統下載到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6開發板上進行測試，其結果與仿真結果一致。說明所設計的系統實現了PPACP控制功能。

圖11 復位測試機圖Fig.11 Diagram of reset test machine

把所設計的系統下載到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6開發板上進行測試，用CLOCK 50作為系統工作時鐘，SW[17]為復位rst控制。用DE2上的8個7段數碼管顯示系統輸出結果，其中，前4個數碼管HEX7、HEX6、HEX5、HEX4分別顯示網控站和3個從屬站的服務控制信號，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分別顯示網控站和3個從屬站發送的報文分組，并且以“7”代表報文分組的內容。圖11為復位控制SW[17]置為低電平(即rst有效)時系統進入工作準備階段的測試機圖。圖12中第1個數碼管HEX7顯示“1”， HEX6、HEX5、HEX4都無顯示，說明此時只有網控站在接受服務，同時，HEX3顯示“7”， HEX2、HEX1、HEX0都無顯示，說明此時只有網控站正在發送報文分組。圖13為系統工作中1號從屬站接受服務的測試結果，其他2個從屬站接受服務的測試結果與1號從屬站相同。這與系統的時序仿真結果是一致的，說明所設計的系統實現了PPACP控制功能。

圖12 網控站發送報文分組Fig.12 Network control station sending packets

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

3.2 統計分析

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

平均輪詢周期

(11)

吞吐量

(12)

網控站平均排隊隊長

(13)

從屬站的平均排隊隊長

(14)

式中：tm為系統運行時間；nc為輪詢次數；ng為總線上傳輸的總的報文分組數；lp(m)為第m次訪問網控站時網控站待發送的報文分組數；l(m)為第m次訪問從屬站時該從屬站待發送的報文分組數。通過對上述參量的統計，就可以求得系統的性能參數值。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、系統吞吐量以及網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計，統計值和理論值是非常接近的，且隨著工作統計時長的增加，統計值是逐漸向理論值收斂的，這與理論實際是一致的。

表1 統計值和理論值對比

4 結論

本文根據戰術數據鏈的應用背景，分析了傳統輪詢接入控制協議存在的不足，提出了具有優先級的輪詢接入控制協議PPACP. 該協議能夠較好地滿足戰術數據鏈中對于緊急作戰命令即具有最高優先權的報文優先傳輸的實際需求。仿真結果表明，與傳統輪詢接入控制協議相比，PPACP中網控站的作戰報文得到了最優先的傳輸權限，其平均排隊隊長要遠遠小于其他站點。本文還利用FPGA對PPACP進行了設計，通過仿真測試和統計分析，驗證了該設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