基于FPGA的戰術數據鏈協議設計與實現

李 超,李 波,丁洪偉,楊志軍,柳虔林

(1.云南大學 信息學院,昆明 650500; 2.中國人民武裝警察部隊云南省總隊 楚雄支隊,云南 楚雄 675000; 3.云南省教育廳,昆明 650223; 4.云南省軍區,昆明 650051)

0 概述

在以信息交互為基礎的現代化戰爭中,利用信息優勢能夠快速決策,加快指揮速度,增強系統之間的協同能力,大幅提高系統的作戰效能,而實現信息交互的核心就是戰術數據鏈。戰術數據鏈能夠將戰場中作戰單元的位置和狀態信息在系統中進行傳輸[1],同時也能夠感知戰場態勢和傳遞作戰命令[2]。戰術數據鏈具有傳輸實時性、可靠性和安全性強的特點,同時其信息格式一致并且自動化程度較高[3]。對于分散在戰場中不同位置的作戰單元,戰術數據鏈能夠對無線傳感器網絡中分散部署的作戰單元進行服務,特別在復雜環境下,戰術數據鏈能夠提供較好的服務質量,因此,其被廣泛運應于戰場環境[4]。

在戰場環境下,對于不同功能的站點,發送信息的速率和優先級是不同的:對于有較高發送優先權的站點,需要保證優先發送;對于發送量較大的站點,需要較長的發送時間,以確保數據能夠及時發送[5]。MAC協議是網絡實現信息傳輸的一項重要技術,其控制信道的分配可避免信號沖突,防止站點之間信號同時傳輸而造成數據丟失。優秀的MAC協議能夠大幅降低系統丟包率,兼顧站點傳輸的公平性,減小傳輸時延,提高系統的吞吐量[6]。現有MAC協議根據訪問策略的不同,可以分為基于競爭機制的MAC協議、基于非競爭機制的MAC協議和混合類的MAC協議[7-8]。MAC協議是戰術數據鏈系統的關鍵技術之一,MAC層采用何種接入技術對系統的傳輸時延、吞吐量和傳輸質量等重要指標都有較大影響。

針對戰場環境對發送優先級和發送速率的應用需求,本文利用現場可編程門陣列(Field Programming Gate Array,FPGA),設計并實現一種具有優先級的連續服務型接入控制協議(Priority Continuous service Access Control Protocol,PCACP)。該協議保證優先站點以較高的優先權快速發送信息分組,同時引入連續服務機制,進一步縮短信息分組等待服務的時間。在此基礎上,采用概率母函數和嵌入式馬爾科夫鏈相結合的方式對模型進行定量分析,得到對應指標的精確解,并通過Matlab對系統進行建模仿真和比較,驗證協議的正確性和優越性。

1 研究現狀

基于輪詢機制的MAC協議,是一種基于非競爭機制的MAC協議,其可與部隊的隸屬關系相結合[9],同時由于服務質量(Quality of Service,QoS)能夠保證戰術通信的要求,因此其在戰術數據鏈中有著廣泛的應用[10]。針對基于輪詢機制的MAC協議,目前研究成果較多,根據對站點服務方式的不同,可將其分為門限[11]、限定[12]和完全[13]3種服務方式。但是面對不同應用場景,3種基本輪詢服務方式已經不能滿足功能的需求。對于具有優先發送需求的情況,采用兩級優先級的方式能夠保證優先級站點優先發送信息分組[14],其對優先級站點采用完全服務的方式,對無優先級站點采用門限服務的方式,在保證優先級站點發送速率的同時,能夠兼顧無優先級站點的發送速率。文獻[15]提出一種基于直接映射函數(Direct Function Mapping,DFM)和差分趨勢(Difference Trend,DT)方法的MAC協議。該協議能夠根據信道忙閑比變化情況動態調整門限,在不影響高優先級數據包發送速率的情況下提高信道利用率。動態門限相比固定門限具有更高的信道利用率,特別是對于低優先級數據包吞吐量改善明顯。對于多優先級的戰術數據鏈系統,針對每個站點的不同優先級設置優先級向量,各站點根據設置的優先級采集戰場數據,服務器根據站點的優先級依次對站點進行服務[9]。對于信息分組到達率較高的站點,可以采用多級門限的方式控制站點的發送速率[16],到達站點的信息分組較多時增加門限的級數,可以保證站點內的信息分組被及時發送。對于含有一個高優先級站點和多個普通站點的特殊戰術數據鏈系統,文獻[17]提出含有一個網控站和多個從屬站的模型,對網控站采用完全服務的方式,對從屬站采用限定服務,從而保證網控站能夠及時有效地發送信息分組。

上述文獻針對不同應用場景進行研究,所提出的協議能夠有效保證系統的需求,但是對于如何進一步縮短各站點等待時間和提高系統服務效率,并沒有進行深入研究。本文以此為出發點,提出一種具有優先級的連續服務協議。該協議服務完本站點后立即服務下一站點,從而縮短各個站點等待服務的時間。

電子設計自動化(Electronics Design Automation,EDA)技術是集成電路設計中的重要方法,其具有開發成本低和開發周期短的特性。通過使用EDA技術,工程師能夠快速設計和驗證集成電路的功能,完成專業人士難以實現的時序級電路功能邏輯分析和電路降噪處理工作,節約大量時間成本和資金成本[18]。利用EDA技術能夠在有限的時間內設計開發大規模和高復雜度的高性能集成電路。FPGA作為EDA的主要技術之一,具有成本低、靈活性高、移植性強、運算速度快和現場可編程的特點[19],被廣泛用于電子制造業。FPGA含有豐富的元器件庫和靈活的用戶自定義機制,用戶能夠根據需求調用器件,通過將編程和邏輯器件相結合,用戶能夠較好地完成相關協議的仿真工作[20-21]。FPGA對數據處理采用并行機制,同時對多路信號進行處理,提高了系統的處理效率,同時其采用模塊化設計,增強了系統的通用性和可移植性,因此,FPGA能夠較好地完成協議設計工作并進行實現[22-24]。

在戰術數據鏈系統中,某一類特殊站點的信息分組到達率較高并且需要獲得較高的發送優先權,而其他站點的信息分組到達率低并且發送的優先權不高。具有優先發送權站點的戰術數據鏈系統如圖1所示。針對這一作戰需求,本文提出一種具有優先級的連續服務型接入控制協議PCACP,通過對優先站點采用完全服務的方式,對從屬站點采用限定服務的方式進行服務。同時為進一步縮短等待服務的時間,在協議中嵌入連續服務的方式,服務完本站點后立即服務下一站點。

圖1 具有優先發送權站點的戰術數據鏈系統Fig.1 Tactical data link system with sites having priority sending right

2 PCACP系統

2.1 系統描述

戰場環境中分布著許多戰術數據鏈站點,因為這些站點的功能不同,所以所發送信息分組的速率和優先級也不同。一部分站點需要獲得較高的優先發送權將采集到的數據及時回傳到控制中心,并且這一類站點采集數據的速率較高,將這類具有優先發送權和較高發送速率的站點稱為優先站點;而其他的站點采集數據的速率不高,并且發送數據的優先權較低,將這類站點稱為從屬站點。同時,考慮到戰場數據回傳的實時性,需要盡快將采集到的數據回傳到控制中心,應在協議中引入連續服務機制,即服務完本站點后立即服務下一站點。針對以上作戰要求,本文提出一種具有優先級的連續服務型接入控制協議PCACP。該協議中含有一個優先站點和N個從屬站點,對優先站點采用完全服務,即優先站點發送完存儲器內所有的信息分組時才切換到下一站點進行服務。對從屬站點采用限定服務,即每次只允許從屬站點發送一個信息分組后立即切換到下一站點。PCACP的服務規則如下:

1)輪詢開始時,首先對優先站點進行服務,若優先站點內有需要發送的信息分組,則按照先到先服務的服務規則,采用完全服務的方式對優先站點進行服務,接收完優先站點的最后一個信息分組后,控制中心立即切換到第1號從屬站點進行服務;若優先站點無信息分組,則經過一個切換時間后,開始服務第1號從屬站點。

2)若第i(i=1,2,…,N)號從屬站點有需要發送的信息分組,則第i號從屬站點發送一個信息分組,而后立即切換到優先站點進行服務;若沒有需要發送的信息分組,則經過一個切換時間后,對優先站點進行服務。

3)對優先站點服務完畢后,立即切換到第(i+1)號從屬站點進行服務,對第(i+1)號從屬站點服務的方式同第i號從屬站點,服務完畢后切換到優先站點。

4)依次服務完所有站點后,開始進入下一輪詢周期,按照上述服務規則對所有站點進行服務。

通過設置站點的優先級和采用連續服務機制,能夠保證優先站點的信息快速發送,同時縮短系統內部信息分組等待發送的時間。各站點的服務狀態轉移過程如圖2所示,發送信息分組的時序圖如圖3所示。

圖2 各站點服務狀態轉移圖Fig.2 Service state transition diagram of each site

圖3 各站點發送信息分組的時序圖Fig.3 Time sequence diagram of each station sending information group

2.2 數學模型

根據PCACP的服務規則,采用嵌入式馬爾科夫鏈[25-26]和概率母函數[27]的方法建立數學模型。本文在離散的時間系統上對PCACP系統模型進行分析,系統的工作條件如下:

4)戰術數據鏈系統中各站點存儲器的容量足夠大,不會造成信息分組丟失,存儲器內的信息分組按照先到先服務的順序接受服務。

假設控制中心對第i號從屬站點服務的時間為vi(n),在服務過程中到達從屬站點j(j=1,2,…,N,P)的信息分組為ηj(vi),ui(n)為控制中心的切換時間,在此過程中到達從屬站點j(j=1,2,…,N,P)的信息分組數為μj(ui)。控制中心為優先站點中k個信息分組服務的時間為τ(k),為第l個信息分組提供服務的時間為SP,l,優先站點采用完全服務的方式,因此,服務完在第m個時隙進入優先站點的信息分組及在服務期間進入優先站點的信息分組的時間為VP,m。由以上分析可得:

(1)

控制中心對進入優先站點的信息進行完全服務所需時間的隨機變量服從一個相互獨立且相同分布的概率分布,其概率母函數為F(zP):

(2)

服務從屬站點時,系統的概率母函數為:

Gi+1(z1,z2,…,zN,zP)=

(3)

其中,FP(zP)=AP(BP(zPFP(zP)))。

服務優先站點時,系統的概率母函數為:

[Gi(z1,z2,…,zi,…,zN,zP)-

Gi(z1,z2,…,zi,…,zN,zP)|zi=0]+

(4)

根據上文定義的輪詢機制,分別對從屬站點和優先站點的概率母函數分析一階特性和二階特性,可以得到PCACP系統模型的性能參數。

1)平均輪詢周期

(5)

(6)

2)平均排隊隊長

平均排隊對長為各站點內等待發送的平均信息分組數。根據概率母函數的一階特性和二階特性,可得到優先站點的平均排隊隊長gP:

(7)

從屬站點的平均排隊隊長g為:

γ-ρPγ2)+2γ(1-ρ-ρP)+λγρP(1+ρP-

(8)

3)系統吞吐量

系統吞吐量是指單位時間內傳輸的信息分組的個數。PCACP系統的吞吐量T為:

T=Nρ+ρP

(9)

根據PCACP系統模型的性能參數,本文利用Matlab對該模型進行仿真,得到PCACP系統模型性能參數隨到達率變化的曲線圖。圖4為在不同站點的到達率下,優先站點和從屬站點的平均排隊隊長隨優先站點到達率變化的曲線,設置β=1,γ=3,N=3。

圖4 PCACP模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線Fig.4 Average queue length variation curve of PCACP model changing with arrival rate

由于從屬站點和控制中心之間傳輸的數據固定且對傳輸速率要求相對不高,本文重點分析在不同的從屬站點到達率下,兩類站點的平均排隊隊長隨優先站點到達率的變化趨勢。由圖4可見,在相同的從屬站點到達率下,隨著優先站點到達率增大,平均排隊隊長也隨之增大,這是由于系統的服務能力是一定的,到達系統的信息分組增多,在系統內等待發送的信息分組也將會增多,這與實際情況是相符的。優先站點的平均排隊隊長要明顯短于從屬站點,這是因為系統中優先站點的優先級要高于從屬站點,且采用完全服務的方式對優先站點進行服務,保證了優先站點采集到的數據能夠最快發送到控制中心。當優先站點到達率的相同時,隨著從屬站點到達率的增大,優先站點的平均排隊隊長變短,從屬站點的平均排隊隊長變長,這是由于每次對從屬站點服務時,只發送一個信息分組,隨著到達率的增大,從屬站點內發送的信息分組將會增多,系統空轉的次數減少。圖4中設置β=1,γ=3,發送一個信息分組的時間短于空轉的時間,切換到優先站點服務的時間提前,優先站點內等待發送的信息分組就會減少。

圖5表示在不同到達率下PCACP模型和3種輪詢模型(門限、完全和限定(K=1))的平均排隊隊長隨不同達率的變化曲線,設置β=1,γ=3,N=3。

圖5 PCACP模型與3種經典輪詢模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線對比Fig.5 Comparison of average queue length curves of PCACP model and three classical polling models changing with arrival rate

由圖5可見,隨著到達率的增大,PCACP模型和3種輪詢系統模型的平均排隊隊長都逐漸增大,這與實際情況是相符的。PCACP優先站點的平均排隊隊長明顯短于3種輪詢系統的平均排隊隊長,這是因為優先站點具有較高的優先級,服務完一次從屬站點,就服務一次優先站點,保證了優先站點內的信息分組能夠及時發送。從屬站點雖然也采用了限定(K=1)服務,但是PCACP模型中從屬站點的平均排隊隊長要短于經典輪詢模型中的限定(K=1)服務,這是因為服務完優先站點就立即切換到從屬站點進行服務,省去了切換的時間,縮短了信息分組的等待時間。

圖6為PCACP模型與PPACP模型[16]的平均排隊隊長隨到達率變化的曲線,設置β=1,γ=1,N=3。

圖6 PCACP模型與PPACP模型平均排隊隊長隨到達率變化的曲線對比Fig.6 Comparision of average queue length curves of PCACP model and PPACP model changing with arrival rate

PCACP模型和PPACP模型都采用了完全-限定(K=1)的非對稱輪詢方式,PCACP模型在服務完本站點后立即切換到下一站點進行服務,而PPACP模型服務完本站點后,經過一個轉換時間后才切換到下一站點服務,PCACP模型的優越性在于節省了切換時間,提高了系統的服務服務效率。分析圖6可知,在同等的條件下,PCACP模型優先站點和從屬站點的平均排隊隊長都要小于PPACP模型,縮短了信息分組的排隊隊長,在相同的到達率下,PCACP模型具有更高的服務效率,進一步驗證了該協議的優越性。

3 PCACP的FPGA設計實現

根據FPGA的模塊化設計思想,對PCACP協議按照各個功能模塊進行設計,包含1個優先站點和3個從屬站點(即N=3)。將基于PCACP協議的戰術數據鏈系統分為信源模塊、站點模塊、PCACP控制模塊和接收模塊進行設計。

3.1 信源模塊

在PCACP協議中,到達優先站點的信息分組為到達率為λP的泊松數據流,到達從屬站點的信息分組為到達率為λ的泊松數據流。由于FPGA中無法產生滿足要求的信息分組,因此本文利用Matlab軟件產生滿足要求的數據,并將數據存儲在.mif文件中。然后利用FPGA的中ROM核,將數據導入到FPGA中,在時鐘的控制下依次讀取數據來模擬信息分組的到達。為便于模擬輪詢過程和統計信息分組的到達,設置信息分組的結構為8位的10101010。信源模塊的時序圖如圖7所示,其中,P表示優先站點產生的信息分組,一個時鐘周期內的電平為10101010,表示一個單位時間內到達一個信息分組,否則未到達信息分組,從屬站點的信息分組與之類似。

圖7 優先站點信源模塊的時序圖Fig.7 Sequence diagram of source module of priority site

3.2 站點模塊

系統中的站點包括優先站點和從屬站點,根據不同的數據流和控制信號完成不同的功能。在寫信號的控制下,站點模塊將到達的信息分組存儲在站點模塊的存儲器內,模擬信息分組到達后的排隊過程。在讀信號的控制下,將信息分組從站點內讀出,模擬控制中心對站點的服務過程。這就要求存儲器能夠在讀、寫信號的控制下,對站點進行讀操作和寫操作,并且站點的存儲空間要足夠大來容納信源產生的信息分組。本文采用4個異步FIFO來設計站點模塊。信息分組到達時,在寫信號的控制下,按照信息分組到達的順序寫進FIFO中,控制中心對站點進行服務時,在讀信號的控制下按照先到先服務的規則發送信息分組。若站點內的信息分組發送完畢,則讀空信號為高電平,控制中心收到高電平后,切換到下一站點服務。圖8為站點模塊原理圖。

圖8 站點模塊示意圖Fig.8 Schematic diagram of site module

3.3 控制模塊

控制模塊是PCACP系統的控制中心,決定著信道的分配和服務的方式。在服務開始時,首先按照PCACP服務規則對優先站點進行服務,若優先站點內的信息分組已經發送完畢,則立即切換到從屬站點進行服務;若從屬站點內有信息分組需要發送,則從屬站點發送一個信息分組;若切換到從屬站點時,沒有信息分組需要發送,則經過一個切換時間切換到優先站點進行服務。按照上述規則,依次服務完所有站點,完成一個周期的輪詢。PCACP控制模塊結構如圖9所示。

圖9 PCACP控制模塊結構Fig.9 Structure of PCACP control module

3.4 接收模塊

在控制中心的調度下,戰術數據鏈站點能夠按照PCACP的輪詢規則發送信息分組。控制中心將接收到的信息分組通過總線傳輸到接收模塊。由于不存在兩個站點同時發送信息分組,因此信息分組在總線上傳輸時不會發生碰撞。接收模塊接收到信息分組后,通過控制信號和同步信號,能夠還原各個站點發送的信息分組。PCACP接收模塊結構如圖10所示。

圖10 PCACP接收模塊結構Fig.10 Structure of PCACP receiving module

3.5 頂層設計

如圖11所示,將系統各個功能模塊進行組合即可構成PCACP整個系統,其中包括信源模塊、站點模塊、控制模塊和接收模塊。該系統能夠通過FPGA模擬實現PCACP系統的數據采集、輪詢控制、數據傳輸和數據接收的功能。

圖11 PCACP系統整體結構Fig.11 Overall structure of PCACP system

4 仿真測試與統計分析

4.1 系統仿真測試

對PCACP系統采用Altera公司的FPGA進行設計,開發環境為quartus 13,同時結合硬件描述語言Verilog HDL與原理圖的方法。設置系統的工作時鐘為50 MHz,復位鍵設置為低電平有效,時鐘的上升沿觸發,信息分組的到達率為λP=0.3,λi=0.1,系統發送一個信息分組的所需的時隙數為β=1,系統在各站點之間切換的時隙數為γ=1,仿真結果如圖12和圖13所示。

圖12 優先站點仿真時序圖Fig.12 Simulation sequence diagram of priority sites

圖13 控制信號仿真時序圖Fig.13 Simulation sequence diagram of control signal

圖12為優先站點的仿真時序圖,其中,d1表示優先站點發送的信息分組,r1表示接收到的優先站點的信息分組。可以看出,發送信息與接收到的信息完全一致,只是存在一定的時延,這是信息在傳輸過程中的時延。從屬站點發送的信息分組和接收到的信息分組的仿真時序圖與優先站點類似。

圖13為控制信號的仿真時序圖,其中,s1表示優先站點的控制信號,s2、s3、s4表示從屬站點的控制信號。可以看出,控制中心首先對優先站點進行完全服務,服務完畢后立即切換到下一站點進行服務。優先站點采用完全服務的方式,從屬站點采用限定(K=1)的方式。服務方式與預先設置的PCACP規則相符,保證了優先站點的信息分組優先發送,同時采用連續服務的方式,縮短了信息分組等待發送的時間。

4.2 統計分析

通過仿真可以得到系統的平均循環周期、優先站點、從屬站點的平均排隊隊長和系統的吞吐量,表達式如下:

(10)

(11)

(12)

(13)

設置系統的仿真時長分別為100 μs、200 μs和500 μs,結合式(10)～式(13)得到不同參數的仿真統計值,并和理論值進行對比,對比結果如表1所示。

由表1可見,設置相同的工作條件,在不同仿真時長下得到的統計值與理論值是一致的,隨著仿真時長的增加,統計值更接近理論值,驗證了本文協議的正確性。

表1 PCACP協議性能指標理論值與統計值對比Table 1 Comparison of theoretical values and statistical values of PCACP protocol performance indicators

5 結束語

在戰術數據鏈系統中,優先站點應具有較高的發送優先權和發送速率,從屬站點的優先權和發送速率相對低,同時為縮短戰術數據鏈單元等待服務的時間并提高系統效率,應在系統中引入連續服務機制。針對這一應用需求,本文提出一種具有優先級的連續服務型接入控制協議PCACP,并通過FPGA進行實現。采用概率母函數和嵌入式馬爾科夫鏈相結合的方式對協議進行定量分析,得到相關性能的精確解,并運用Matlab進行仿真,進一步驗證其正確性和優越性。仿真結果表明,該協議能夠在保證優先發送的同時縮短系統等待時延,提高系統的發送效率,在同等條件下,其性能明顯優于3種傳統輪詢模型和PPACP模型。PCACP能夠保證實戰環境下重要數據的傳輸,為戰場的分析決策提供有力條件,并且該協議還可應用于無線傳感器網絡、頻譜感知網和車聯網。下一步將針對站點的需求,對優先站點設置不同的優先級和服務方式,以適應不用需求下的作戰需求,在有限的信道資源下合理分配信道,優化資源配置。