三種策略輪詢系統的FPGA實現及性能分析

路秀迎 丁洪偉 楊志軍 保利勇 何敏

關鍵詞： 點協調功能; 服務策略; 輪詢系統; 信道控制; 查詢周期; 服務質量; 系統設計

中圖分類號： TN919.72?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0023?05

Abstract： On the basis of resource allocation and scheduling sharing theory， the polling system controls the uncontested network access of each business， and uses the whole bandwidth resources for fast data transmission. The polling system can be divided into the types of safety， threshold and limitation according to different service strategies. In order to study the characteristics of the system performance， the three types of polling systems are designed and implemented with FPGA and Verilog HDL， the state machine is set to control the channel， and the QuartusⅡ platform is used for function simulation. The time sequence simulation result of the system is consistent with the requirement of the expected function. The parameter statistic value of the system shows that the system has different service quality characteristics， and has great importance for the selection of scheduling strategy in WSN.

Keywords： point coordination function; service strategy; polling system; channel control; polling cycle; QoS; system design

0 ?引 ?言

輪詢系統具有公平性、靈活性、高效性、實用性、高服務質量（Quality of Service，QoS）等特性，被廣泛應用于無線傳感器網絡中。無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由微型傳感器節點通過無線通信方式組成的以數據為中心的多跳自組織任務型網絡系統。系統中傳感器節點動態重組形成若干簇區域結構，自動轉發檢測數據到匯聚節點，匯聚節點對數據進行融合后通過互聯網或者衛星傳輸到管理節點，管理節點按照一定的數據算法進行有效的配置和管理[2]。WSN作為一種可重構基礎設施，具有通用、靈活、可維護自組織、可學習等特性[3]，逐漸從研究型網絡轉換為應用型網絡，廣泛應用于害蟲檢測[4]、艦船定位[5]等領域。

基于分簇的WSN網絡有效降低了拓撲結構的管理難度，提高了系統的抗毀性能，有效避免了常見多址協議中不同節點同時使用信道引起的能量損失，應用中要根據業務的QoS特性，綜合考慮簇區間距離、最優化路徑、網絡周期、容錯性等因素部署多業務應用[6]，簇內通信采用何種輪詢策略（分完全、門限、限定三種服務策略）成為性能優化的關鍵。

文獻[7?8]采用排隊論與概率母函數方法對完全與門限服務策略下的系統參數展開理論分析;文獻[9]提出轉換時間對服務策略性能的影響;文獻[10]中系統按照完全服務策略記錄地鐵通信脈沖時間，實時特性好，缺點在于高并發場合下系統持續服務單個節點會導致其他站點“饑餓”;文獻[11]提及的自適應雙門限完全服務策略既克服了車流量高飽和時綠燈長時間停留某一相位的問題，又避免了低飽和狀態時信號燈頻繁切換問題;文獻[12]中作者對有休眠限定（[K=1]）輪詢系統的平均查詢周期展開數學分析，以減小能量損耗，延長網絡壽命。

綜上所述，研究不同服務策略對WSN系統性能的影響具有重要的理論意義和應用價值。FPGA可以利用硬件描述語言再次進行設計，沒有固化的集成電路芯片，靈活性強，可配置性好[13]。本文充分利用其內置FIFO軟核數據緩存功能，借助QuartusⅡ開發平臺進行設計、仿真，結合統計值對三種服務策略下的系統性能展開對比分析。

1 ?輪詢系統原理

WSN分簇技術把動態自組織拓撲結構映射成相對穩定的簇區域結構，簇內通信基于輪詢機制，控制簡單。輪詢系統的構成包括1個服務器和[N]個終端，如圖1所示，服務器按照預設規則對系統終端按同一方向進行查詢，對滿足條件的終端提供信道使用權服務，服務完最后一個再返回第一個終端。圖中虛線為服務器輪詢方向。

系統按照服務策略可分為完全、門限、限定三種機制。完全調度時服務器對獲得權限的終端服務至空，門限調度時服務器對獲得權限終端當前所有信息分組進行服務，服務過程中到達的信息分組則轉到下次服務;限定調度時服務器對獲得權限的終端每次至多服務[k]個信息分組。

3.4 ?接收模塊

接收站點模塊用于從總線傳輸的信息分組中準確接收讀取出對應終端發送的數據，充分利用輪詢系統支持無競爭性實時業務的特點，各終端依次享有服務權限。因此在接收端按照控制模塊產生的讀使能信號依次讀取總線信息，便可實現對各終端信息分組的正確接收。

4 ?結果分析

設計中使用頻率為50 MHz的時鐘信號clk及其8分頻時鐘信號clk8獨立控制各終端模塊信息分組的到達和服務過程。根據異步FIFO的wr信號實時顯示存儲器容量，s為終端查詢信號，cr為繼續服務控制信號，d信號表示服務器發送的數據，r信號是接收端接收到的數據。試驗中顧客到達率、服務時間、相鄰客戶端轉換時間參數值為[λ=0.5，β=1，γ=1]。

不同服務策略輪詢系統的仿真圖如圖4～圖6所示。

三幅仿真圖中相鄰站點發送數據間隔、各站點發送一個數據的持續時間都是一個時鐘，這與所設參數值大小相同。其中，各站點接收與發送數據波形一致，時延為320 ns，驗證了設計中數據傳輸的正確性。

在仿真圖4中，各站點服務結束時存儲器容量顯示wr大小為0;仿真圖5中，cr為0表示本次服務發送數據量與開始發送緩存的總數據量相等，服務結束;由仿真圖6可以看出，獲得發送權的站點每次發送數據只有一個。仿真時序圖表明設計已實現預期功能。

設置不同的仿真時間，對各參數值進行統計分析，各系統統計值如表1～表3所示。

完全、門限、限定服務輪詢系統平均排隊隊長、平均查詢周期和平均吞吐量理論值分別為0.237 5，5，0.2;0.25，5，0.2;0.294 8，5，0.2。可以看出在誤差允許范圍內，相應的統計值大小與理論值相符。

比較三個服務策略輪詢系統的參數值可知：

1） 在同樣的控制參數下，完全服務輪詢系統平均排隊隊長最小，限定服務輪詢系統這兩個參數值最大，門限服務輪詢系統居中;

2） 在同樣的控制參數下，三者的平均輪詢周期、系統吞吐量大小相同;

3） 從系統公平性角度看，限定服務輪詢系統公平性最優，但控制靈活性差;門限服務輪詢系統公平性居中;完全服務輪詢系統在業務量或者網絡流量大的情況下系統公平性最差，業務QoS得不到保障。

5 ?結 ?論

本文以FPGA作為硬件載體，利用Verilog HDL語言按照三種不同的輪詢服務策略對系統進行設計，通過仿真與統計驗證了設計的正確性，統計參數值與理論值大致相符，實現了系統要求。三種服務系統各有特點，有效解決了無線傳感器網絡碰撞沖突問題，在多業務網絡系統設計中可充分考慮業務優先級，結合不同的服務策略進行項目設計，實現系統性能最優化。

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