基于現場可編程門陣列戰術數據鏈中自適應輪詢接入控制協議的設計與實現

丁洪偉, 李超,2, 劉龍軍,3, 柳虔林,4, 保利勇, 楊志軍

(1.云南大學 信息學院, 云南 昆明 650500; 2.武裝警察部隊云南省總隊 楚雄州支隊, 云南 楚雄 675000;3.武裝警察部隊河南省總隊 周口市支隊, 河南 周口 466000; 4.云南省軍區, 云南 昆明 650051)

0 引言

戰術數據鏈作為未來信息化戰爭發展的重要標志之一，能夠克服傳統的眾多作戰平臺各自為戰的缺陷，充分發揮各作戰單元的戰斗效能，有效提高整體戰略戰術效果[1]。隨著信息技術的快速發展，在現代及未來的信息化戰爭中，多平臺聯合作戰將是常態，戰術數據鏈將會在各國軍事水平的發展中發揮至關重要的作用。國內外對于戰術數據鏈的研究從未間斷，隨著研究的深入，抗干擾技術、接入控制協議、調制解調技術、平臺鏈路綜合、軟件無線電技術等已成為近年來及下一步對于戰術數據鏈研究的關鍵技術[2]。

接入控制協議決定著信道的分配使用方式，對于網絡性能有著重要影響，也一直是戰術數據鏈研究的熱點問題之一。彭沙沙等[3]提出一種基于多信道優先級統計(MCPS)的多路訪問控制(MAC)協議[3]，該協議通過對信道占用情況的統計和對不同優先級業務設定服務閾值的方法，對信道資源進行調度分配。但是MCPS協議需要多個信道同時工作，對服務閾值的設定必須精準，從而不但對信道的要求較高，對所設置閾值的精準度也要求較高，而且隨著業務量的增加，丟包率呈上升的趨勢?；趦炏燃壐怕式y計的多址接入模式(SPMA)對信道的同步性和精準度要求不高，對于突發性和實效性業務在性能方面有一定的改進[4]。但是SPMA協議以異步跳頻機制和載波偵聽多路訪問(CSMA)為基礎，會出現報文碰撞情況，對于提高系統吞吐量不利，同時還會造成信道資源浪費和信號能量損耗，系統的穩定性不夠理想。

基于輪詢機制的接入控制協議能夠有效避免訪問碰撞發生，在系統穩定性方面具有很大優勢，同時能夠在一定程度上保證系統時延、吞吐量和服務效率等性能指標，在戰術數據鏈系統中有著廣泛應用，如Link-11戰術數據鏈[5]?；谥苯佑成浜筒罘众厔輧煞N調整方式的動態門限機制，能夠通過信道的狀態自適應調整服務門限，有效提高系統的吞吐量[6]。而基于簇首協調的路由協議，簇首能夠為成功接入的用戶分配時隙，沒有接入的用戶就不分配時隙，從而可以有效地提高系統傳輸效率[7]。通過貝葉斯估計算法來調整服務選擇指數自適應輪詢MAC協議[8]，可使高優先級的報文節點獲得更大的服務優先權，提高無線信道的利用率。

隨著制造工藝的提高，集成電路的集成度和復雜度也越來越高，使得芯片的制造成本和時間也隨之提高，而傳統的集成電路內部結構一經確定，就難以改變其功能?，F場可編程門陣列(FPGA)具有成本低、靈活性高、運算速度快、可移植性強和現場可編程等優良特性[9]，只需寫入不同的程序就可以產生對應功能的電路以適應不同的需求，采用并行處理數據以有效提高處理數據的效率。開發軟件Quartus Ⅱ編譯速度快、周期短，可以明顯提高編譯效率。由于FPGA具有較多的優良特性，通過FPGA精確設計協議的各功能模塊以實現協議的整體功能，在實踐中具有重要的現實意義[10]。

本文針對戰術數據鏈在實際應用中的作戰單元隨時可能被摧毀而導致的拓撲結構動態變化的問題，考慮到傳統輪詢協議無法滿足動態控制的需要，提出一種自適應輪詢接入控制協議(APACP)。該協議能夠根據拓撲結構自動濾除沒有報文需要發送的作戰單元，自適應調整輪詢順序；通過概率母函數和馬爾科夫理論建立數學模型、得出解析解，并用數學軟件MATLAB和FPGA軟件對模型進行仿真。仿真結果表明，APACP能夠有效縮短系統的平均排隊隊長和輪詢周期，提高系統的服務效率。

1 APACP服務規則及其相關性能分析

1.1 APACP模型

在實際作戰應用中，戰術數據鏈系統中的作戰單元隨時面臨被打擊摧毀的危險。在當前服務查詢過程中，被摧毀的作戰單元無法被查詢到。當被摧毀的作戰單元被修復或者由其他作戰單元頂替后，又重新加入服務查詢隊列中。據此，可以將戰術數據鏈系統中的站點進行分類。在一個輪詢周期內，有報文分組等待發送的作戰單元歸為一類單元，稱為在線作戰單元；沒有報文分組等待服務的作戰單元歸為二類單元，稱為隱線作戰單元；被摧毀的作戰單元歸為三類單元，稱為離線作戰單元。在APACP服務規則中，只對有報文分組的作戰單元進行服務，沒有報文分組或者被摧毀的作戰單元不服務；在統計過程中，沒有報文分組的作戰單元能統計到，但不進行服務；被摧毀的作戰單元不能統計到，因此將作戰單元分為三類是合理的。在APACP系統中，每一個作戰單元都有對應的識別ID和狀態標識符，當作戰單元有報文需要發送時狀態為1，沒有報文發送時狀態為0，如s1=1表示1號作戰單元為在線作戰單元，若統計不到某一作戰單元，則將此單元視為離線單元。當隱線單元有數據分組到達時，狀態由0變為1；當服務完成后且沒有數據分組到達時，狀態由1變為0. 作戰單元被修復或者由其他單元頂替時，能夠被統計到ID，并根據是否有信息分組到達來顯示對應的狀態。

在傳統輪詢接入控制協議(TPACP)中，每一個輪詢周期內，服務器按照邏輯關系查詢所有的作戰單元。在APACP中，在每一個輪詢周期開始時，對系統中的在線作戰單元進行統計，能夠得到當前作戰單元的拓撲結構和狀態。系統拓撲結構如圖1所示。

當統計不到作戰單元或者作戰單元的狀態為0時，系統不對這一單元服務。統計完成后，按照邏輯關系依次對在線作戰單元進行服務，隱線單元和離線單元直接跳過不進行服務，服務完所有在線作戰單元后進入下一輪詢周期。

如此，便可以節省查詢隱線作戰單元的輪詢轉換時間、克服空輪詢的問題，而且能夠滿足因離線作戰單元的存在而導致的輪詢拓撲結構動態變化的實際需求。采用門限服務策略[11-12]進行系統建模，APACP服務規則如下：

1) 每一個輪詢周期開始時，首先對系統中的在線作戰單元進行統計；

2) 本次輪詢周期內，服務器只對統計到的在線作戰單元進行服務；

3) 對被查詢到的在線作戰單元采取門限服務，服務結束后，服務器轉到下一個在線作戰單元。

APACP模型的執行流程圖如圖2所示。

1.2 APACP性能分析

假設系統工作在離散時間上，所有作戰單元共享同一條總線，且滿足如下條件：

4) 各作戰單元的存儲器容量足夠大，報文分組不會丟失；

5) 各作戰單元存儲器內的報文分組按照先到先服務(FCFS)的順序接受服務。

(1)

πi(x1,x2,…,xi,…,xN)的概率母函數定義為

(2)

式中：zi表示第i號作戰單元使得函數Gi收斂的值。

在tn+1時刻開始對第i+1號作戰單元進行查詢時，滿足以下關系：

(3)

(4)

式中：j為作戰單元號，j=1,2,…,N，j≠i;ηj(vi)為在vi(n)時間內進入第j號作戰單元的報文分組數，vi(n)為服務器對第i號作戰單元進行服務的時間；μj(ui)為在ui(n)時間內進入第j號作戰單元的報文分組數，ui(n)為服務器從第i號作戰單元轉到第i+1號作戰單元的轉換時間。

定義在tn時刻第i號作戰單元開始接受服務時，存儲在第j號作戰單元中的平均報文分組數為

(5)

通過求偏導數和極限，得到門限服務系統的平均排隊隊長g0為

(6)

輪詢周期定義為服務器按照門限服務規則依次對所有作戰單元完成一次服務所花費時間的平均值。根據平均輪詢周期和平均隊長的對應關系，可以得到門限服務系統的平均輪詢周期θ0為

(7)

(8)

根據APACP服務規則，設置仿真條件為N=4、β=1、γ=2，在MATLAB R2014a軟件中進行仿真，得到系統中報文分組平均排隊隊長和平均輪詢周期隨報文分組到達率的變化曲線，如圖3、圖4所示。

分析圖3可知，在報文分組到達率較低時，APACP中報文分組的平均排隊隊長比TPACP要??；隨著報文分組到達率的增大，APACP和TPACP中報文分組的平均排隊隊長都在增大，且最終達到一致。表明當報文分組到達率達到一定值時，APACP對于系統報文分組平均排隊隊長的影響和TPACP是相同的，這一結論與輪詢控制理論相符。

由圖4可知，在同一報文分組到達率情況下，APACP的平均輪詢周期遠遠小于TPACP，隨著報文分組到達率的增大，平均輪詢周期的變化規律與平均排隊隊長一致。通過以上仿真結果的分析可知，在報文分組到達率較低時，相比于TPACP，APACP有效縮短了系統的報文分組平均排隊隊長和平均輪詢周期，提升了系統服務效率，降低了系統擁塞度，提高了系統性能。

2 APACP的FPGA設計實現

采用美國Altera公司的FPGA、開發平臺Quartus Ⅱ 8.0以及硬件描述語言Verilog HDL進行開發。由于FPGA具有良好的性能，能夠較好地完成APACP模型的設計。

根據FPGA的模塊化設計思路，將原理圖和硬件描述語言Verilog HDL相結合來進行設計，將系統分為報文采集、作戰單元、APACP控制和接收終端4個功能模塊來分別進行設計。

2.1 報文采集模塊的FPGA設計實現

報文采集模塊是各作戰單元采集作戰報文的功能模塊。分析APACP的性能可知，到達各作戰單元的報文分組數具有一定到達率且呈泊松分布。利用MATLAB中的Poissrnd函數和FPGA中的ROM核相結合的方法[15]，對報文采集模塊進行設計實現。為了便于檢驗，設置每一個報文分組的值都為10101010，該模塊的仿真時序圖如圖5所示。

2.2 作戰單元模塊的FPGA設計實現

由APACP服務規則可知，作戰單元模塊的功能是完成作戰報文的存儲，并在服務權控制信號控制下實現報文分組的讀取。圖6所示為利用4個異步先進先出(FIFO)構建的作戰單元模塊，4個FIFO分別表示4個作戰單元的存儲器。當有報文到達時，在寫信號控制下，將到達的報文按照到達順序寫入存儲器內，同時更新計數器。當控制信號有效時，從FIFO內將報文讀出并傳輸到總線上。若FIFO內為空或者報文讀完，則將讀空信號empty置為1發送到FIFO內，停止讀出數據。4路作戰報文可通過“異或”運算后，在同一條總線上進行有效傳輸[16]。

2.3 APACP控制模塊的FPGA設計實現

APACP控制模塊是整個系統工作的控制中心。圖7所示為APACP控制模塊狀態機，其中s1、s2、s3、s4分別為4個作戰單元的服務權控制信號，決定著作戰單元是否接受服務?？刂菩盘枮?時，表示該作戰單元為在線作戰單元，對這些單元按照輪詢順序進行服務；控制信號為0時，表示該作戰單元為隱線或者離線作戰單元，不對該類單元進行服務。每一個輪詢周期開始前對所有單元進行統計分類，并對在線單元依次進行服務，隱線或者離線作戰單元在本次輪詢周期內直接略過，不進行服務。

2.4 接收終端模塊的FPGA設計實現

接收終端模塊用于完成對各作戰單元所發送作戰報文的接收功能。由于總線的利用率不會達到100%，在一些時段總線是空閑的，此時總線上沒有報文分組傳輸，接收到的不是正確報文分組。設計時，先將接收到的報文通過“濾波”后存儲在FIFO內，再通過有效的“讀”控制信號，從FIFO內讀取正確的報文分組。

2.5 APACP系統的FPGA頂層設計

將報文采集模塊、作戰單元模塊、APACP控制模塊和接收終端模塊按照系統工作原理連接構成系統[16]，如圖8所示。4個作戰單元在APACP控制模塊的控制下對4個報文采集模塊采集到的作戰報文進行存儲和發送，4個接收終端對總線傳輸的報文分組進行接收。

APACP系統中設計了4個作戰單元，在FPGA頂層設計時，調用4個異步FIFO模塊構成4個作戰單元的存儲器，將設計好的整個系統寫入FPGA，以APACP規則查詢各作戰單元的過程時，1個FPGA就能模擬在APACP協議下對4個作戰單元的查詢過程。根據FPGA獨特的并行處理數據的能力，在電路設計中將4個作戰單元的狀態信息同時傳輸到控制模塊，控制模塊能夠同時監測到作戰單元的狀態信息。相比于依次查看數據包來確定作戰單元的狀態，并行處理機制縮短了對作戰單元狀態監測的時間差。系統能夠根據站點狀態準確確定自適應的輪詢順序、提高輪詢效率、縮短輪詢周期。

3 系統評估

3.1 仿真測試

設置系統工作時鐘為50 MHz，4個作戰單元的報文分組到達率為λ1=λ2=λ3=λ4=0.1，發送1個報文分組的平均時間為β1=β2=β3=β4=1，轉換時間為γ1=γ2=γ3=γ4=2.在設定參數下進行仿真，得到如圖9所示的仿真結果。

圖9中，4號作戰單元發送的報文分組為d4，4號接收終端接收到的報文分組為r4. 二者的值是相同的，但r4存在一定的延時，這是信息傳輸、處理等帶來的系統時延[17]。圖9中，在第1個和第3個周期內，控制信號s4變為高電平后，在下一個周期開始時s1不為高電平，表明系統是先對所有作戰單元進行統計、確定所有的在線單元，然后根據在線單元的ID確定下一輪詢過程中的查詢對象，而隱線單元和離線單元的控制信號為低電平。在輪詢周期內系統只對控制信號有效的作戰單元進行服務，無效時不服務，直至輪詢完該周期內的所有在線單元后進入下一輪詢周期。d4在s4有效時才有值，表明4號作戰單元在所屬服務時段才發送報文分組，由此可見輪詢服務控制的有效性。

用開發板上的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1、2、3、4號作戰單元的服務控制信號，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分別顯示1、2、3、4號作戰單元報文的采集，并以“7”代表報文的內容。圖10中將開發板的復位控制鍵SW[17]置為低電平(即rst有效)時系統進入工作準備階段。

圖11中第4個數碼管HEX7顯示“1”，HEX6、HEX5、HEX4都不顯示，表明此時只有4號作戰單元在接受服務；HEX3數碼管顯示“7”，HEX2、HEX1、HEX0 3個數碼管未顯示，表明只有模塊4正在采集報文。在圖11中，4號作戰單元接受服務的測試與系統時序仿真結果一致，表明所設計的系統實現了APACP控制功能。

3.2 統計分析

平均排隊隊長：

(9)

平均輪詢周期：

(10)

式中：Ngro為總線上傳輸的報文分組總數；Ncp為統計的輪詢周期總數；tm為仿真總時長。這些參數都可以通過對仿真結果進行統計得到。

利用(6)式、(7)式、(8)式和(9)式、(10)式，設置到達率λ=0.1、服務時間β=1、轉換時間γ=2和仿真時長分別為tm=100 μs、tm=300 μs、tm=500 μs、tm=1 000 μs、tm=1 500 μs、tm=2 000 μs，可得到TPACP中報文分組平均排隊隊長、平均輪詢周期的理論值以及APACP中信息分組平均排隊隊長、平均輪詢周期的理論值和統計值，如表1所示。

表1 統計值與理論值對比

從表1中可見，在同一到達率下，APACP中報文分組的平均排隊隊長和平均輪詢周期都比TPACP要小，表明了APACP的性能優越性；APACP中報文分組的平均排隊隊長和平均輪詢周期的理論值與統計值相差較小，逐漸增加仿真時長，統計值的誤差逐漸減小。這一結論與理論是相符的。

4 結論

本文針對戰術數據鏈系統中作戰單元隨時有可能被摧毀而導致網絡拓撲結構發生改變的問題，提出了APACP. 采用概率母函數和馬爾可夫鏈理論相結合的方法對門限輪詢系統進行建模分析；根據泊松分布的特性并與Little定理相結合，得出APACP模型平均排隊隊長和平均輪詢周期的解析解，最后用MATLAB和FPGA軟硬件相結合驗證APACP模型的正確性。得出主要結論如下：

1) 在一定范圍內，APACP能夠有效地縮短系統的平均排隊隊長和平均輪詢周期。

2) APACP能夠根據拓撲結構動態改變輪詢順序，有效避免空輪詢現象，降低系統擁塞度，提高傳輸效率。

3) 在到達率較小的情況下，APACP優于TPACP；隨著到達率的增大，APACP的變化趨勢與TPACP相同。

4) 本文建立的自適應輪詢接入控制協議，通過濾除無報文發送的作戰單元達到了提高系統傳輸效率的目的，對實戰環境下拓撲結構隨時改變的戰術數據鏈系統具有較好的應用價值，同時在無線局域網、人體傳感網、無線頻譜感知網、車聯網中也具有廣闊的應用前景。