基于现场可编程门阵列战术数据链中优先级轮询接入控制协议的研究

刘龙军， 丁洪伟， 柳虔林,3， 保利勇， 刘正纲

(1.云南大学 信息学院, 云南 昆明 650091; 2.武警河南总队 周口支队, 河南 周口 466000;3.云南省军区, 云南 昆明 650051)

基于现场可编程门阵列战术数据链中优先级轮询接入控制协议的研究

刘龙军1,2， 丁洪伟1， 柳虔林1,3， 保利勇1， 刘正纲1

(1.云南大学 信息学院, 云南 昆明 650091; 2.武警河南总队 周口支队, 河南 周口 466000;3.云南省军区, 云南 昆明 650051)

基于战术数据链在现代信息化战争中的应用背景，针对传统轮询协议存在的功能单一和不能满足实际应用中优先传输控制的问题，提出了一种具有优先级的轮询接入控制协议(PPACP)。该协议可以根据系统中站点的优先级别，设定优先级别最高的站点为网控站，其余站点为从属站。仿真结果表明，PPACP能够改善传统轮询协议存在不足，较好地适应战术数据链中对于最为紧急的作战报文的优先传输要求。利用现场可编程门阵列对PPACP进行设计，通过仿真测试，验证了该设计的正确性。

兵器科学与技术； 战术数据链； 优先级； 轮询； 优先级轮询接入控制协议； 现场可编程门阵列

0 引言

随着电子信息技术的高速发展，世界已经进入信息时代，信息网络和信息技术无处不在。在军事领域，武器装备的信息化、部队的数字化、指挥控制的自动化，标志着世界军事和未来战争都在向信息化推进。这些表明军事领域的信息技术研究工作势在必行。战术数据链，在美国称之为TADIL,在北约称之为Link，是一种按照统一的数据格式和通信协议，以无线信道为主对作战信息进行实时、准确、自动、保密传输的信息传输系统[1]。通过战术数据链，可将战场上的指挥中心、各级指挥所、各参战部队和武器平台链接在一起，构成陆、海、空、天一体化的数字信息网络，从而实现信息资源共享，为作战指挥人员和战斗人员提供作战数据以及完整的战场战术态势图[2]。

基于轮询机制的接入协议顺应了部队编制中战术单元之间级隶属关系，同时，其时延特性又满足了战术通信的实时性要求, 因此，在战术数据链中有着广泛的应用[3]。如美军Link11数据链系统等都采用了轮询接入控制协议。传统的轮询控制策略有3种，即完全服务轮询控制策略、门限服务轮询控制策略[4]和限定(每次服务的报文分组数k=1)服务轮询控制策略[5]。作战时，不是所有作战命令的紧急性都相同，而是有一些作战命令是迫切需要传达的。这些迫切需要传达的作战命令的优先级高于普通作战命令的优先级，那么优先级高的作战命令在数据链传输中就应该最具优先权。要实现战术数据链中这一优先传输控制功能，显然，传统的轮询接入控制协议是无法做到的。为此，本文在充分考虑战术数据链在作战环境下应用的基础上，针对当前的轮询接入控制协议的不足，提出了具有优先级的轮询接入控制协议(PPACP)。PPACP能够很好地满足战术数据链中对于紧急作战命令的优先传输要求，实现传输的优先级控制功能。

现场可编程门阵列(FPGA)自问世以来，一直在通信领域发挥着重要作用。对于协议的设计，相比于专用集成电路(ASIC)和通用数字信号处理(DSP)，FPGA更具优势。FPGA的逻辑单元是百万级的，具有灵活性高、运算速度快、可移植性强、可扩展性好、现场可编程、开发周期短、开发成本低等众多优点[6]。本文所提的PPACP不仅具有优先级控制功能，就协议本身而言，还要具有处理快、时延低、效率高等优良性能。在研究时，可充分利用FPGA逻辑单元多、运算速度快、灵活性高等优势，以提高处理效率和降低时延。同时FPGA具有的可移植性强和可扩展性好的特点会大大扩展此设计的应用面。因此，利用FPGA对PPACP进行设计是非常有意义的。

1 具有优先级的轮询接入控制协议

1.1 PPACP模型

本文根据战术数据链中所要传输的作战命令具有优先权的实际要求，提出了具有优先级的轮询接入控制协议。数据链中最高级作战命令具有最高优先权，把发送具有最高优先权的站点设定为网控站，对网控站采用完全服务，其余N个站点为从属站，对从属站采用限定(k=1)服务，PPACP模型如图1所示。PPACP服务规则如下：

1)在每一个轮询周期开始时，网控站首先检查自己有无需要发送的报文。若有，则按照先到先服务(FCFS)发送报文；若没有，则转到查询第i号从属站。

2)若网控站有报文要发送，则当网控站发送完其当前所有的报文时，转到查询第i号从属站。

3)若第i号从属站有报文需要发送，则按FCFS的顺序发送一个报文分组，之后再转到查询网控站。

4)网控站服务结束之后，转到查询第i+1号从属站。

图1 PPACP模型Fig.1 Model of PPACP

1.2 PPACP性能分析

在建立如图1所示的PPACP模型基础上，采用嵌入式Markov链和概率母函数的方法建立PPACP数学模型[7]。对该模型进行分析，得到PPACP相关特性参数。假设数据链工作在离散时间上，每个网控站占用的信道是单一的，系统工作条件如下：

(1)

在tn时刻，πi(x1,x2,…,xN,xp)的概率母函数定义为

(2)

同理可得πip(y1,y2,…,yN,yp)的概率母函数为

(3)

根据PPACP模型所采用的轮询机制和以上定义的概率母函数，可求得战术数据链系统中采用PPACP的性能参数。

1)平均轮询周期。系统的轮询周期为按照PPACP规则对系统中N+1个站点全部服务一遍所用时间的统计平均值，它由服务时间和查询转换时间组成。利用概率母函数的关系可得

(4)

Gi0=Gi(1,1,…,zi,…,1)|zi=0,i=1,2,…,N.

(5)

简化(4)式和(5)式得到系统的平均轮询周期为

(6)

2)平均排队队长。轮询到i号从属站时，i号从属站内存储的报文分组数(即报文分组的平均排队队长)为gi(i)；轮询到网控站时，网控站内存储的信息分组数为gip(p). 对概率母函数求偏导数和极限可得

(7)

(8)

3)系统吞吐量。系统吞吐量是指单位时间内系统所能传输服务的报文分组数，其表达式为

T=Nρ+ρp.

(9)

根据PPACP模型，利用Matlab进行仿真。图2为PPACP站点的平均排队队长仿真值与理论值随到达率变化的曲线图，图3为PPACP与传统的3种轮询协议站点的平均排队队长随到达率变化对比图。

图2 PPACP站点平均排队队长随到达率变化曲线 (β=βp=1,γ=2)Fig.2 Change of average queue length of PPACP site with arrival rate (β=βp=1,γ=2)

图3 PPACP与3种基本轮询协议的站点平均排队 队长对比图(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)

分析图2中可知：仿真值和理论值相同，说明了仿真的正确性；无论N取3还是15，网控站的平均排队队长都远小于从属站的平均排队队长，说了网控站的传输优先性；N取15时，网控站和从属站的平均排队队长都比N取3时的大，且随着报文分组到达率的增大，差值逐渐增大，这与理论是相符的。

分析图3可知，在相同工作条件下，PPACP网控站的平均排队队长是远小于3种传统轮询协议站点的平均排队队长的，但PPACP从属站的该性能参数值却是要差于3种传统轮询协议。说明PPACP是以牺牲普通站点的性能来提高高优先级站点性能的，这是符合优先级传输控制理论[8]的。

2 PPACP的FPGA设计实现

根据FPGA自顶而下的模块化设计思想，对PPACP设计时，以包含3个从属站和1个网控站(即N=3)的战术数据链系统为例，把系统分为报文分组产生模块、站点模块、PPACP控制模块和接收终端模块分别进行设计。

2.1 报文分组产生模块设计

报文分组产生模块生成具有到达率为λ的泊松分布的报文分组，用以表示战术数据链系统中要传输的作战报文。设计中，到达率λ是可以设定0～1之间的任意值。为了便于统计和验证，报文分组的内容都设定为8位的10101010. 报文分组产生模块的时序仿真图如图4所示。

图4 报文分组产生模块的时序仿真图Fig.4 Time sequence simulation diagram of packet generation module

2.2 站点模块设计

根据PPACP调度策略，数据链系统中的站点具有存储报文的功能，并且能在读、写信号的控制下，对报文按照FCFS的顺序进行存入和读出。设计时，利用4个异步FIFO对站模块进行设计。每个异步FIFO代表一个站点，在写信号有效时，对报文分组顺序存储，在读信号有效时，对存储的报文分组按照FCFS规则读取。单个站点模块仿真时序图如图5所示。

2.3 PPACP控制模块设计

该模块是战术数据链系统按照PPACP策略调度的核心控制模块。图6为PPACP模块状态机。轮询周期开始时，首先为网控站进行完全服务,服务结束后转到为1号从属站进行限定(k=1)服务。对从属站1服务结束后再转到对网控站进行完全服务。服务结束继而对2号从属站进行限定(k=1)服务。3号从属站的服务转换情况与之相同。

图6 PPACP控制模块状态机Fig.6 State machine of PPACP control module

2.4 接收终端模块设计

接收终端模块实现从总线上正确读取对应站点所发送的报文分组的功能。由于信道利用率不可能达到100%，故该模块中需要滤波电路，以滤除总线上全零的非报文数据。图7为接收终端模块电路图。在轮询控制服务信号s有效时，通过始终置为高电平的读信号r把滤波后正确的报文分组读取出来。

图7 接收终端模块电路图Fig.7 Circuit diagram of receiving terminal module

2.5 PPACP的FPGA顶层设计

根据PPACP原理，把报文分组产生模块、站点模块、PPACP控制模块和接收终端模块连接构成系统如图8所示。4个报文分组产生模块产生数据链系统中待传输的作战报文，网控站和3个从属站对待发送的报文进行存储，并在PPACP控制下进行发送。4个站点发送的报文经或门电路后发送到总线上进行传输。4个接收终端从总线上读取各自对应站点发送的报文。

图8 PPACP的FPGA顶层设计图Fig.8 Top-level design of PPACP based on FPGA

3 仿真测试和统计分析

3.1 仿真测试

图9 网控站报文分组传输仿真时序图Fig.9 Time sequence simulation diagram of network control station packet transmission

图10 网控站和3个从属站服务控制仿真时序图Fig.10 Time sequence simulation diagram of network control station and 3 slave stations service control

采用硬件描述语言VERILOG HDL和原理图相结合的方法，在FPGA开发软件QUARTUSⅡ8.0中进行综合和布线。系统工作时钟clk周期设定为1 ns，复位信号rst设为低电平有效，报文分组到达率λp=λi=λ=0.05，发送1个报文分组所需的时隙数βp=β=1，查询转换时间γ=2. 对PPACP进行仿真，得到如图9、图10所示的时序仿真图。图9中，网控站发送的报文分组d1与其接收终端接收的报文分组r1的值是完全相同的，只是存在1个时隙的延时，这是通信传输中无法避免的，3个从属站的报文分组情况与网控站相同。图10中，s1为网控站服务控制信号，s2、s3、s4为3个从属站服务控制信号，从中可以看出，网控站和3个从属站是按照PPACP控制策略接受服务的。把所设计的系统下载到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6开发板上进行测试，其结果与仿真结果一致。说明所设计的系统实现了PPACP控制功能。

图11 复位测试机图Fig.11 Diagram of reset test machine

把所设计的系统下载到DE2 CycloneⅡ2c35F672c6开发板上进行测试，用CLOCK 50作为系统工作时钟，SW[17]为复位rst控制。用DE2上的8个7段数码管显示系统输出结果，其中，前4个数码管HEX7、HEX6、HEX5、HEX4分别显示网控站和3个从属站的服务控制信号，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分别显示网控站和3个从属站发送的报文分组，并且以“7”代表报文分组的内容。图11为复位控制SW[17]置为低电平(即rst有效)时系统进入工作准备阶段的测试机图。图12中第1个数码管HEX7显示“1”， HEX6、HEX5、HEX4都无显示，说明此时只有网控站在接受服务，同时，HEX3显示“7”， HEX2、HEX1、HEX0都无显示，说明此时只有网控站正在发送报文分组。图13为系统工作中1号从属站接受服务的测试结果，其他2个从属站接受服务的测试结果与1号从属站相同。这与系统的时序仿真结果是一致的，说明所设计的系统实现了PPACP控制功能。

图12 网控站发送报文分组Fig.12 Network control station sending packets

图13 1号从属站发送报文分组Fig.13 The first slave station sending packets

3.2 统计分析

根据PPACP原理，可得到系统的平均轮询周期、吞吐量以及网控站和从属站的平均排队队长的统计表达式为

平均轮询周期

(11)

吞吐量

(12)

网控站平均排队队长

(13)

从属站的平均排队队长

(14)

式中：tm为系统运行时间；nc为轮询次数；ng为总线上传输的总的报文分组数；lp(m)为第m次访问网控站时网控站待发送的报文分组数；l(m)为第m次访问从属站时该从属站待发送的报文分组数。通过对上述参量的统计，就可以求得系统的性能参数值。表1是利用(6)式、(7)式、(8)式、(9)式和(11)式、(12)式、(13)式、(14)式分别计算了在系统运行时长tm=100 μs，tm=200 μs，、tm=400 μs和tm=800 μs的平均轮询周期、系统吞吐量以及网控站和从属站的平均排队队长。

表1中，在相同的工作条件下，通过取不同工作时长的多次统计，统计值和理论值是非常接近的，且随着工作统计时长的增加，统计值是逐渐向理论值收敛的，这与理论实际是一致的。

表1 统计值和理论值对比

4 结论

本文根据战术数据链的应用背景，分析了传统轮询接入控制协议存在的不足，提出了具有优先级的轮询接入控制协议PPACP. 该协议能够较好地满足战术数据链中对于紧急作战命令即具有最高优先权的报文优先传输的实际需求。仿真结果表明，与传统轮询接入控制协议相比，PPACP中网控站的作战报文得到了最优先的传输权限，其平均排队队长要远远小于其他站点。本文还利用FPGA对PPACP进行了设计，通过仿真测试和统计分析，验证了该设计的可行性和正确性。

References)

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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

国家自然科学基金项目(61461053、61461054、61072079)；云南省自然科学基金项目(2010CD023)；云南大学科研项目(XT412004)

刘龙军(1989—), 男, 硕士研究生。E-mail: 8938170238@qq.com

丁洪伟(1964—), 男, 教授，硕士生导师。E-mail: dhw1964@163.com

TN915.851

A

1000-1093(2017)02-0305-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.014