基于FPGA的戰術數據鏈帶優先級的輪詢接入控制系統研究

堯躍華，梁竹關，李 博，楊志軍，丁洪偉，柳虔林

（1.云南大學 信息學院，云南 昆明 650091；2.云南省教育廳 教學儀器裝備中心，云南 昆明 650223；3.云南省軍區，云南 昆明 650051）

0 引 言

戰術數據鏈是一種信息傳輸和處理系統[1?2]，可以鏈接無線傳感器、火控雷達、通信器等終端設備，進行信息共享和協同作戰[3]，采用輪詢控制協議控制信息處理和傳輸[4]，可提升部隊作戰效率，輪詢控制協議的數學模型作為一類經典通信模型，被廣泛應用于通信[5?6]和計算機網絡[7?8]。模型被分為三類，分別是完全服務[9]、門限服務[10]和限定K（K=1）服務[11]輪詢控制策略模型，三類基本模型優化和改進形成各種新的輪詢模型。

本文提出戰術數據鏈離散時間區分優先級的輪詢接入控制協議（DPACP），能有效區分主控站和從屬站，對兩類站點的報文進行區別處理和轉發，使數據鏈能更好地滿足戰爭時不同部隊對作戰信息的需求。采用現場可編程邏輯電路（FPGA）作為實現平臺，應用QuartusⅡ作為設計平臺，驗證本輪詢模型用在戰術數據鏈的可行性，并統計平均排隊隊長和平均排隊等待時間。

1 DPACP模型

模型由一個主控站和多個從屬站構成，主控站在戰術數據鏈中位于較為重要的位置，兼具收集和轉發數據的功能，主控站本身收集的報文區分為高優先級，從屬站需要轉發的報文區分為低優先級。相較于門限和限定服務，完全服務雖公平性較差，但平均等待時延卻是最短的[12]，故主控站和從屬站都采用完全服務。在邏輯中心控制下，只要主控站有需要處理和發送的報文，系統就轉向服務主控站的報文，服務完主控站的報文，系統才轉向服務一個從屬站的報文，服務完這個從屬站的報文，系統又轉向服務主控站的報文，服務完主控站的報文，系統又轉向服務下一個從屬站的報文，如圖1所示。

圖1 協議模型

1.1 假設條件

采用離散時間，設系統由1個主控站和N個從屬站構成，主控站中排隊等待處理和發送的報文用中心隊列h表示，第i（i=1，2，…，N）個從屬站中那些排隊等待處理和發送的報文用普通隊列i（i=1，2，…，N）表示，λ為普通隊列報文的到達率，β為普通隊列一個報文的服務時間，λh為中心隊列報文的到達率，βh為中心隊列一個報文的服務時間，r為不同隊列之間查詢轉換時間，建立的DPACP數學模型假設工作條件[13]如下：

1）對每個普通隊列i（i=1，2，…，N），其報文到達過程、服務一個報文所用時間、任一個時隙內到達的報文以及服務過程到達的報文進行完全服務所需時間，都服從相互獨立、相同分布的概率分布。

2）普通隊列i（i=1，2，…，N）報文到達過程的母函數、均值和方差為A(z)，λ=A′(1)和。中心隊列h為Ah(z)，λh=A′h(1)和。

3）服務一個報文所用時間的母函數、均值和方差為B(z)，β=B′(1)和，中心隊列h為Bh(z)，βh=Bh(1)和。

4）中心隊列與普通隊列、普通隊列與普通隊列之間的查詢轉換時間隨機變量的母函數、均值和方差分別為R(z)，r=R″(1)和。

5）完全服務一個普通隊列i（i=1，2，…，N）所需時間的概率母函數為F(z)，中心隊列為Fh(z)。

6）儲存空間足夠大，能存儲下所有報文。

7）服務每一個隊列的報文，對先到達的報文先進行服務，后到達的報文后進行服務。

系統的狀態采用嵌入式馬爾可夫鏈進行描述，該馬爾可夫鏈是各態遍歷的和非周期的。

1.2 性能分析

系統在滿足以下條件時達到穩態：

達到穩態時系統的概率母函數[13]為：

由概率母函數求一階導和二階導，可得平均排隊隊長和平均等待時間[13]。

1）普通隊列和中心隊列的平均排隊隊長

2）普通隊列和中心隊列的平均排隊等待時間

1.3 數值計算和仿真分析

設置工作條件：各普通隊列參數是對稱分布的；到達時間、查詢轉換時間和等待服務時間單位為時隙；普通隊列i和中心隊列在任一時隙到達報文數服從Poisson分布。根據設置工作條件，應用Matlab平臺，得到圖2，圖3數值計算和仿真驗證結果。

從圖2和圖3可以得到以下結論：中心隊列報文平均排隊等待服務時間和平均排隊隊長遠小于普通隊列；普通隊列報文平均排隊等待服務時間和平均排隊隊長比不區分優先級完全服務輪詢模型還要稍微小一些。

圖2 平均排隊隊長與到達率關系

圖3 平均等待時間與到達率關系

2 電路設計與驗證仿真

根據DPACP模型，以戰術數據鏈中7個從屬站（即N=7）和1個主控站為例，為主控站和從屬站分別配置FIFO，設計基于FPGA的DPACP輪詢控制系統功能模塊結構，如圖4所示。

圖4 系統結構示意圖

2.1 輪詢控制模塊

輪詢控制模塊是整個設計的核心部分，服務順序和服務策略分別存儲于各自相應的存儲器。

1）系統初始化后，首先從服務順序存儲器取出主控站地址，在服務策略控制下，服務主控站的報文直到其為空；

2）從服務順序存儲器取出從屬站1的地址，在服務策略控制下，服務從屬站的報文直到其為空；

3）從服務順序存儲器中取出主控站地址，在服務策略控制下，服務主控站的報文直到其為空；

4）從服務順序存儲器中取出從屬站2的地址，在服務策略控制下，服務從屬站的報文直到其為空；

5）從服務順序存儲器中取出主控站地址，在服務策略控制下，服務主控站的報文直到其為空；

6）從服務順序存儲器取出從屬站7的地址，在服務策略控制下，服務從屬站的報文直到其為空，此時系統完成一輪查詢服務周期，如圖5所示。

圖5 控制模塊狀態轉換圖

2.2 頂層設計與仿真驗證

采用Verilog語言，基于Altera 公司的FPGA，應用QuartersⅡ9.1對設計的電路系統進行仿真驗證，系統的仿真條件為：時鐘頻率為100 MHz；信號源為服從Poisson分布的偽隨機數；滿足穩態條件，使系統不超載。

仿真結果如圖6所示。

圖6 八站點輪詢控制時序圖

圖6中：data0是主控站發送的報文，data1~data7是從屬站發送的報文；q0~q7是接收的報文；out是總線，其中00表示沒有數據到達；rst是復位信號端；clk是時鐘信號。從仿真結果看，發送的報文和接收的報文完全一致，僅存在著一定時間的延時。在系統輪詢周期開始時，主控站有報文到達，系統開始服務主控站，服務完主控站的報文，再去服務一個有報文的從屬站，服務完該從屬站的報文后，系統轉向服務主控站，服務完主控站的報文，系統又轉向服務下一個有報文的從屬站，直到服務完最后一個有報文的從屬站。這與本文設計的DPACP模型服務方式一致，說明應用FPGA設計的系統實現了DPACP模型的控制方式。

2.3 統計分析

根據系統模型，應用式（6）~式（9）統計主控站和從屬站的平均排隊隊長和平均排隊等待服務時間。

主控站平均排隊隊長統計：

從屬站平均排隊隊長統計：

主控站平均排隊等待服務時間統計：

從屬站平均排隊等待服務時間統計：

式中：nc為系統輪詢次數；lh(i)為第i次輪詢時，主控站中等待發送的報文數；l(i)是第i次輪詢時，從屬站中等待發送的報文數目；wh(j)為主控站第j個報文的等待時間；M h為主控站報文總數；w(j)為從屬站第j個報文的等待時間；M為從屬站報文總數。根據式（6）~式（9），得到數據統計值并與理論值進行比較，如表1所示，其中，tm為系統運行時間，g，gh，w，wh是理論值，是統計值。

表1 理論值與統計值對比

從表1來看，優先級高的主控站，理論值和統計值的平均排隊隊長明顯少于不是優先級的從屬站，理論值和統計值的平均排隊等待時間也明顯少于不是優先級的從屬站，且隨著運行時間的增加，統計值越來越趨近于理論值。

3 結 語

本文分析現有戰術數據鏈中應用傳統輪詢模型控制協議的不足，提出了離散時間帶優先級的輪詢接入控制協議（DPACP），并使用FPGA進行設計。通過仿真驗證和統計分析，結果表明離散時間帶優先級的輪詢接入控制協議（DPACP）相較于基本輪詢模型接入控制協議確實能有效縮短主控站和從屬站報文平均排隊隊長和平均排隊等待服務時間，保證重要站點數據鏈通信快速響應，并且縮短了站點傳輸時間，降低了站點能耗，證明了該設計的可行性。