CN109819457B

CN109819457B - 基于fpga的两级门限轮询系统

Info

Publication number: CN109819457B
Application number: CN201910075767.3A
Authority: CN
Inventors: 丁洪伟; 路秀迎; 杨志军; 保利勇; 杨鼎康; 柳虔林
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109819457A

Abstract

本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种基于FPGA的两级门限轮询系统。基于FPGA的两级门限轮询系统，包括依次连接的信源模块、站点模块、控制模块以及数据接收模块。本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统，为进一步改善基本门限服务规则下WSN的时延性能，提出两级门限限服务调度策略，充分发挥FPGA并行处理与时序控制优势，借鉴Buxton对轮询系统的设计思路首次对两级门限限服务轮询系统进行硬件实现，验证了设计的正确性，在MAC层进一步降低了WSN通信时延、具有更好的QoS特性，对WSN实时业务处理具有很大的实用价值。

Description

基于FPGA的两级门限轮询系统

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种基于FPGA的两级门限轮询系统。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)处于应急通信网络基本架构中的通信基础设施层，集传感器、数据采集与无线通信三大技术为一体，具有快速部署、延展性与操作性强、成本低的特点，广泛应用于信息感知监测与目标跟踪领域。网络中的大规模传感器节点具有很强的动态自组性，基于分簇的路由协议把动态网络划分为若干相对稳定、圆形(或扇形)分布的簇区域结构，既提高了WSN信号传输的质量，又降低了拓扑管理难度。

WSN簇区域内簇首节点通过上行链路与监控中心建立通信，通过下行链路按照一定的数据融合算法汇聚各普通节点采集到的数据。如何合理分配有限的带宽资源成为MAC层影响介质访问性能的关键因素。相比于随机多址接入技术、轮询多址基于点协调功能从根本上杜绝了通信碰撞，具有优良的时延特性和服务特性，研究学者们把这一通信模型称为轮询系统，并采用概率母函数与内嵌马尔可夫链的方法对系统进行建模，得到其一阶、二阶特性的精确解析式，其中平均排队队长与平均时延是评估轮询系统性能好坏的关键指标。

按照WSN簇首节点单次服务周期内发送普通节点采集信息分组个数的多少将轮询系统划分为门限、完全、限定K服务三种基本类型，经相关理论推导及仿真分析，发现三种服务规则中完全服务时延性能最优、限定服务公平性能最优，而门限服务居中,能有效避免系统某些站点过于“饥饿”“忙碌”以及相位频繁切换问题。

为进一步改善基本门限服务规则下WSN的时延性能，提出两级门限限服务调度策略。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种降低WSN通信时延、具有更好的QoS特性的基于FPGA的两级门限轮询系统。

本发明解决其技术问题所采用技术方案是：基于FPGA的两级门限轮询系统，包括依次连接的信源模块、站点模块、控制模块以及数据接收模块；

所述的信源模块，产生满足马尔可夫特性的泊松分布数据信息，；

所述的站点模块，包括存储器和门限指示器，所述的存储器接收信源模块产生的泊松分布数据信息，并对接收到的泊松分布数据信息分组，实时快速写入，在获得服务权限后对已缓存数据进行慢速读取；

所述的控制模块，与站点模块连接，控制为站点服务的开始时间和结束时间，并对系统服务过程与查询转换过程进行控制；

所述的接收模块，利用发送部分的时序控制同步信号进行逆向接收，实现各站点模块发送信息的正确恢复。

进一步的，为更好地实现本发明，特别采用下述设置：所述的信源模块和站点模块之间还设置有终端滤波。

进一步的，为更好地实现本发明，特别采用下述设置：所述的控制器模块包括控制器，所述的控制器与所述的门限指示器连接，所述的储存器与所述的终端滤波连接。

进一步的，为更好地实现本发明，特别采用下述设置：所述的接收模块包括数据融合模块和数据接收模块，所述的数据融合模块分别与所述的储存器连接和数据接收模块连接。

进一步的，为更好地实现本发明，特别采用下述设置：所述的站点模块通过调用异步FIFO解决读写过程的速度匹配问题和独立控制问题。

进一步的，为更好地实现本发明，特别采用下述设置：所述的门限指示器工作时，

第一步，边缘检测到站点服务信号，

有效，则跳转第二步，无效，则继续检测；

第二步，记录一级服务存储容量，启动一级服务计数器；

第三步，对一级服务存储容量与计数器数据进行大小比较，判断一级服务过程是否结束，若结束，跳转第四步，若未结束，则继续比较直至一级服务过程结束；同时，输出一级服务标志信号；

第四步，读取站点存储容量，智能判断一级服务期间是否有新到达的信息分组，

有，则跳转第五步，

无，则跳转第七步；

第五步，启动二级服务，重复一级服务工作流程，记录二级服务存储容量，启动二级服务计数器，输出二级服务标志信号；

第六步，对输出一级服务标志信号、二级服务标志信号两服务信号做相应处理，输出两级门限限服务指示信号；

第七步，结束，轮询其他站点。

本发明的有益效果是：本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统，为进一步改善基本门限服务规则下WSN的时延性能，提出两级门限限服务调度策略，充分发挥FPGA并行处理与时序控制优势，借鉴Buxton对轮询系统的设计思路首次对两级门限限服务轮询系统进行硬件实现，验证了设计的正确性，在MAC层进一步降低了WSN通信时延、具有更好的QoS特性，对WSN实时业务处理具有很大的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统的结构框图；

图2是本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统的门限指示器的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1、图2所示，本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统，包括依次连接的信源模块、站点模块、控制模块以及数据接收模块；

所述的信源模块，产生满足马尔可夫特性的泊松分布数据信息，信息分组到达率λ表示平均每单位时隙产生信息分组的个数，取值为整数；

所述的接收模块，系统各站点按照控制模块的服务使能信号发送数据，接收端只需要利用发送部分的时序控制同步信号进行逆向接收，实现各站点模块发送信息的正确恢复。本发明的基于FPGA的两级门限轮询系统，为进一步改善基本门限服务规则下WSN的时延性能，提出两级门限限服务调度策略，充分发挥FPGA并行处理与时序控制优势，借鉴Buxton对轮询系统的设计思路首次对两级门限限服务轮询系统进行硬件实现，验证了设计的正确性，在MAC层进一步降低了WSN通信时延、具有更好的QoS特性，对WSN实时业务处理具有很大的实用价值。

作为优选的，所述的信源模块和站点模块之间还设置有终端滤波。设置终端滤波后，可以滤去杂乱的其他信号，使得系统运行更加稳定流畅。

作为优选的，所述的站点模块包括储存器和门限指示器，所述的控制器模块包括控制器，所述的控制器与所述的门限指示器连接，所述的储存器与所述的终端滤波连接。信源模块发出的信号，通过终端滤波进行滤波，滤去了其他干扰信号，使得系统运行更加稳定流畅。

作为优选的，所述的接收模块包括数据融合模块和数据接收模块，所述的数据融合模块分别与所述的储存器连接和数据接收模块连接。

作为优选的，所述的站点模块通过调用异步FIFO解决读写过程的速度匹配问题和独立控制问题。站点FIFO写入端的时钟信号源为分频前的时钟信号，保证其写过程与信源模块工作频率的一致性，有效避免信息分组的丢失问题；同时在其写入端的写使能部分，通过引入滤波电路智能筛除无效数据，通过组合电路检测有效信息分组使能写入信号，实时存储有效数据，从根源上解决信息冗余问题。

各站点FIFO存储器读取端的时钟源分别为相应分频后的时钟源或基准时钟源，从而保证站点单位信息分组发送时间与服务时间的一致性。站点模块通过设置门限指示器与下溢保护电路实现系统两级门限限服务策略的控制、防止DCFIFO读空造成站点相位滞留。

作为优选的，所述的门限指示器工作时，

第一步，边缘检测到站点服务信号，

有效，则跳转第二步，无效，则继续检测；

第二步，记录一级服务存储容量，启动一级服务计数器；

有，则跳转第五步，

无，则跳转第七步；

第七步，结束，轮询其他站点。如图2所示，离散时间两级门限限服务轮询系统由N个站点、1个服务器组成。如图1所示。服务器按照从1到N的逻辑顺序周期轮询各个站点并对非空站点按照多级门限服务的规则提供服务。多级门限服务的规则为：服务器对获得服务权限的站点首先提供一级服务，发送开始服务时已经到达的信息分组；服务完成后对站点提供二级服务，发送一级门限服务期间到达的信息分组；服务器对站点提供m级服务，每个站点接受服务的次数最多为m，但在服务过程中，i(1≤i≤m-1)级服务期间到达的信息分组为0，服务器对当前站点结束服务后即转而轮询其他站点。

文中采用概率母函数和嵌入马尔科夫链方法对系统展开分析，为便于描述定义如下变量：信息分组的到达率λ、单个分组的服务时间为β、查询不同站点转换时间γ，系统服务强度为ρ(ρ＝λβ)，v_i(n)为服务器对i号终端服务的时间，u_i(n)为服务器从第i号终端转向第i+1号终端的轮询转换时间，μ_j(u_i)为在u_i(n)时间内进入第j号终端的信息分组数，η_j(v_i)为在v_i(n)时间内进入第j号终端中的信息分组数，ξ_i(n)为第i号终端站点在t_n时刻其存储器内存储的信息分组数。

系统运行条件为：

1)到达各站点的信息分组服从到达率为λ_i＝λ的相互独立的泊松(Poisson)分布。

2)服务器对任一站点单位信息分组的的服务时间为随机变量，服从独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值、二阶特性分别是B_i(z_i)，B'_i(1)＝β，B”_i(1)＝B”(1)；

3)服务器轮询两个相邻站点的转换时间为随机变量，服从相互独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值、二阶特性分别为R_i(z_i)，R'_i(1)＝γ，R”_i(1)＝R”(1)；

4)进入存储器的信息分组按照先到先入先服务(FCFS)原则进行且中站点存储器不会丢失信息分组；

5)系统时间轴用单位时隙划分，系统工作在离散时间状态，时间轴上信息分组到达过程、服务过程与查询转换过程均为离散时间状态。

当服务器在t_n+1时刻开始对第i+1号终端站服务时有关系式

其中

为服务器对i号站点两级服务的时间；

是在

时间内到达第j(j＝1,2,…,N)号站点的信息分组数。由此可得状态变量在t_n+1时刻的概率母函数为

B_i(F_i2(A₁(z₁),…,A_N(z_N))

其中

对公式(2)、(3)求偏导可得，m级门限轮询系统的系统平均排队队长为

轮询系统的平均轮询周期为

对公式(2)、(3)求二阶偏导可得

g_i+1(j,k)＝λ²R”_i(1)+λ²γ+

λγ[g_i(j)+g_i(k)]+{γρλ[2+

f_i2(j)+f_i2(k)]+ρλ[1+f_i2(j)

+f_i2(k)+f_i2(j,k)]+[1+f_i2(j)]

[1+f_i2(k)]λ²B”_i(1)}g_i(i)+

g_i(j,k)+ρ[1+f_i2(k)]g_i(j,i)

+ρ[1+f_i2(j)]g_i(i,k)+

ρ²[1+f_i2(j)][1+f_i2(k)]g_i(i,i)

(i≠j,i≠k,j≠k) (6)

g_i+1(j,j)＝λ²R”_i(1)+γA”_i(1)+

2λγg_i(j)+{2γρλ[1+f_i2(j)]+

ρλ[2f_i2(j)+f_i2(j,j)]+A”_i(1)

β[1+f_i2(j)]+λ²[1+f_i2(j)]²

B”_i(1)}g_i(i)+g_i(j,j)+2ρ

[1+f_i2(j)]g_i(j,i)+ρ²g_i(i,i)

[1+f_i2(j,j)]² (8)

g_i+1(i,i)＝λ²R”_i(1)+γA”_i(1)+

{2γρλf_i2(i)+ρλf_i2(i,i)+f_i2(i)

βA”_i(1)+λ²[f_i2(i)]²B”_i(1)}

g_i(i)+ρ²[f_i2(i)]²g_i(i,i) (9)

其中f_i2(i)、f_i2(j)、f_i2(k)、f_i2(j,i)、f_i2(j,j)、f_i2(j,k)的一阶偏导、二阶偏导由公式(3)计算。对公式(6)至(9)求和计算出信息分组的平均等待时延：

信息分组在传输过程中的平均等待时延为：

各站点信息的平均等待时延：

本发明的基于FPGA的两级们轮询系统，进一步改善了基本门限服务规则，充分发挥FPGA并行处理与时序控制优势，降低了WSN通信时延、具有更好的QoS特性，对WSN实时业务处理具有很大的实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.基于FPGA的两级门限轮询系统，其特征在于：包括依次连接的信源模块、站点模块、控制模块以及数据接收模块；

所述的信源模块，产生满足马尔可夫特性的泊松分布数据信息；

所述的控制模块，与站点模块连接，控制为站点模块各个站点服务的开始时间和结束时间，并对系统服务过程与查询转换过程进行控制；

所述的接收模块，利用发送部分的时序控制同步信号进行逆向接收，实现各站点模块发送信息的正确恢复；

所述的信源模块和站点模块之间还设置有终端滤波；

所述的控制器模块包括控制器，所述的控制器与所述的门限指示器连接，所述的储存器与所述的终端滤波连接；

所述的接收模块包括数据融合模块和数据接收模块，所述的数据融合模块分别与所述的储存器连接和数据接收模块连接；

所述的站点模块通过调用异步FIFO解决读写过程的速度匹配问题和独立控制问题；

所述的门限指示器工作时，

第一步，边缘检测到站点服务信号，

有效，则跳转第二步，无效，则继续检测；

第二步，记录一级服务存储容量，启动一级服务计数器；

有，则跳转第五步，

无，则跳转第七步；

第七步，结束，轮询其他站点；离散时间两级门限限服务轮询系统由N个站点、1个服务器组成；服务器按照从1到N的逻辑顺序周期轮询各个站点并对非空站点按照多级门限服务的规则提供服务；多级门限服务的规则为：服务器对获得服务权限的站点首先提供一级服务，发送开始服务时已经到达的信息分组；服务完成后对站点提供二级服务，发送一级门限服务期间到达的信息分组；服务器对站点提供n级服务，每个站点接受服务的次数最多为m，但在服务过程中，i(1≤i≤m-1)级服务期间到达的信息分组为0，

服务器对当前站点结束服务后即转而轮询其他站点；

文中采用概率母函数和嵌入马尔科夫链方法对系统展开分析，为便于描述定义如下变量：信息分组的到达率λ、单个分组的服务时间为β、查询不同站点转换时间γ，系统服务强度为ρ(ρ＝λβ)，v_i(n)为服务器对i号终端服务的时间，u_t(n)为服务器从第i号终端转向第i+1号终端的轮询转换时间，μ_j(u_i)为在u_i(n)时间内进入第j号终端的信息分组数，η_j(v_i)为在v_i(n)时间内进入第j号终端中的信息分组数，(_tξn)为第i号终端站点在t_n时刻其存储器内存储的信息分组数；

系统运行条件为：

1)到达各站点的信息分组服从到达率为λ_i＝λ的相互独立的泊松(Poisson)分布；

2)服务器对任一站点单位信息分组的的服务时间为随机变量，服从独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值、二阶特性分别是B_i(z_i)，B′_i(1)β＝，B″_i，(1)＝B″(1)；

3)服务器轮询两个相邻站点的转换时间为随机变量，服从相互独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值、二阶特性分别为R_i(z_i)，R′_i(1)γ＝，R″₁(1)＝R″(1)；

5)系统时间轴用单位时隙划分，系统工作在离散时间状态，时间轴上信息分组到达过程、服务过程与查询转换过程均为离散时间状态；

当服务器在t_n+1时刻开始对第i+1号终端站服务时有关系式

其中

为服务器对i号站点两级服务的时间；

是在

时间内到达第j(j＝1，2，…，N)号站点的信息分组数；由此可得状态变量在t_n+1时刻的概率母函数为

B_i(F_i2(A₁(z₁)，…，A_N(z_N))

其中

轮询系统的平均轮询周期为

对公式(2)、(3)求二阶偏导可得

g_i+1(j，k)＝λ²R″_i(1)+λ²γ+λγ[g_i(j)+g_i(k)]+{γρλ[2+f_i2(j)+f_i2(k)]+ρλ[1+f_i2(j)+f_i2(k)+f_i2(j，k)]+[1+f_i2(j)][1+f_i2(k)]λ²B″_i(1)}g_i(i)+g_i(j，k)+ρ[1+f_i2(k)]g_i(j，i)+ρ[1+f_i2(j)]g_i(i，k)+ρ²[1+f_i2(j)][1+f_i2(k)]g_i(i，i)(i≠j，i≠k，j≠k) (6)

g_i+1(j，j)＝λ²R″_i(1)+γA″_i(1)+2λγg_i(j)+{2γρλ[1+f_i2(j)]+ρλ[2f_i2(j)+f_i2(j，j)]+A″_i(1)β[1+f_i2(j)]+λ²[1+f_i2(j)]²B″_i(1)}g_i(i)+g_i(j，j)+2ρ[1+f_i2(j)]g_i(j，i)+ρ²g_i(i，i)[1+f_i2(j，j)]² (8)

g_i+1(i，i)＝λ²R″_i(1)+γA″_i(1)+{2γρλf_i2(i)+ρλf_i2(i，i)+f_i2(i)βA″_i(1)+λ²[f_i2(i)]²B″_i(1)}g_i(i)+ρ²[f_i2(i)]²g_i(i，i) (9)

其中f_i2(i)、f_i2(j)、f_i2(k)、f_i2(j，i)、f_i2(j，j)、f_i2(j，k)的一阶偏导、二阶偏导由公式(3)计算。对公式(6)至(9)求和计算出信息分组的平均等待时延：

信息分组在传输过程中的平均等待时延为：

各站点信息的平均等待时延：