丁洪偉, 李超,2, 劉龍軍,3, 柳虔林,4, 保利勇, 楊志軍

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院, 云南 昆明 650500; 2.武裝警察部隊(duì)云南省總隊(duì) 楚雄州支隊(duì), 云南 楚雄 675000;3.武裝警察部隊(duì)河南省總隊(duì) 周口市支隊(duì), 河南 周口 466000; 4.云南省軍區(qū), 云南 昆明 650051)

0 引言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，能夠克服傳統(tǒng)的眾多作戰(zhàn)平臺(tái)各自為戰(zhàn)的缺陷，充分發(fā)揮各作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)斗效能，有效提高整體戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)效果[1]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在現(xiàn)代及未來的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，多平臺(tái)聯(lián)合作戰(zhàn)將是常態(tài)，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈將會(huì)在各國(guó)軍事水平的發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的研究從未間斷，隨著研究的深入，抗干擾技術(shù)、接入控制協(xié)議、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、平臺(tái)鏈路綜合、軟件無線電技術(shù)等已成為近年來及下一步對(duì)于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈研究的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

接入控制協(xié)議決定著信道的分配使用方式，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能有著重要影響，也一直是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈研究的熱點(diǎn)問題之一。彭沙沙等[3]提出一種基于多信道優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)(MCPS)的多路訪問控制(MAC)協(xié)議[3]，該協(xié)議通過對(duì)信道占用情況的統(tǒng)計(jì)和對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)設(shè)定服務(wù)閾值的方法，對(duì)信道資源進(jìn)行調(diào)度分配。但是MCPS協(xié)議需要多個(gè)信道同時(shí)工作，對(duì)服務(wù)閾值的設(shè)定必須精準(zhǔn)，從而不但對(duì)信道的要求較高，對(duì)所設(shè)置閾值的精準(zhǔn)度也要求較高，而且隨著業(yè)務(wù)量的增加，丟包率呈上升的趨勢(shì)?；趦?yōu)先級(jí)概率統(tǒng)計(jì)的多址接入模式(SPMA)對(duì)信道的同步性和精準(zhǔn)度要求不高，對(duì)于突發(fā)性和實(shí)效性業(yè)務(wù)在性能方面有一定的改進(jìn)[4]。但是SPMA協(xié)議以異步跳頻機(jī)制和載波偵聽多路訪問(CSMA)為基礎(chǔ)，會(huì)出現(xiàn)報(bào)文碰撞情況，對(duì)于提高系統(tǒng)吞吐量不利，同時(shí)還會(huì)造成信道資源浪費(fèi)和信號(hào)能量損耗，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠理想。

基于輪詢機(jī)制的接入控制協(xié)議能夠有效避免訪問碰撞發(fā)生，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠在一定程度上保證系統(tǒng)時(shí)延、吞吐量和服務(wù)效率等性能指標(biāo)，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，如Link-11戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈[5]?；谥苯佑成浜筒罘众厔?shì)兩種調(diào)整方式的動(dòng)態(tài)門限機(jī)制，能夠通過信道的狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整服務(wù)門限，有效提高系統(tǒng)的吞吐量[6]。而基于簇首協(xié)調(diào)的路由協(xié)議，簇首能夠?yàn)槌晒尤氲挠脩舴峙鋾r(shí)隙，沒有接入的用戶就不分配時(shí)隙，從而可以有效地提高系統(tǒng)傳輸效率[7]。通過貝葉斯估計(jì)算法來調(diào)整服務(wù)選擇指數(shù)自適應(yīng)輪詢MAC協(xié)議[8]，可使高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文節(jié)點(diǎn)獲得更大的服務(wù)優(yōu)先權(quán)，提高無線信道的利用率。

隨著制造工藝的提高，集成電路的集成度和復(fù)雜度也越來越高，使得芯片的制造成本和時(shí)間也隨之提高，而傳統(tǒng)的集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定，就難以改變其功能?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)具有成本低、靈活性高、運(yùn)算速度快、可移植性強(qiáng)和現(xiàn)場(chǎng)可編程等優(yōu)良特性[9]，只需寫入不同的程序就可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)功能的電路以適應(yīng)不同的需求，采用并行處理數(shù)據(jù)以有效提高處理數(shù)據(jù)的效率。開發(fā)軟件Quartus Ⅱ編譯速度快、周期短，可以明顯提高編譯效率。由于FPGA具有較多的優(yōu)良特性，通過FPGA精確設(shè)計(jì)協(xié)議的各功能模塊以實(shí)現(xiàn)協(xié)議的整體功能，在實(shí)踐中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在實(shí)際應(yīng)用中的作戰(zhàn)單元隨時(shí)可能被摧毀而導(dǎo)致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的問題，考慮到傳統(tǒng)輪詢協(xié)議無法滿足動(dòng)態(tài)控制的需要，提出一種自適應(yīng)輪詢接入控制協(xié)議(APACP)。該協(xié)議能夠根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)濾除沒有報(bào)文需要發(fā)送的作戰(zhàn)單元，自適應(yīng)調(diào)整輪詢順序；通過概率母函數(shù)和馬爾科夫理論建立數(shù)學(xué)模型、得出解析解，并用數(shù)學(xué)軟件MATLAB和FPGA軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，APACP能夠有效縮短系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和輪詢周期，提高系統(tǒng)的服務(wù)效率。

1 APACP服務(wù)規(guī)則及其相關(guān)性能分析

1.1 APACP模型

在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的作戰(zhàn)單元隨時(shí)面臨被打擊摧毀的危險(xiǎn)。在當(dāng)前服務(wù)查詢過程中，被摧毀的作戰(zhàn)單元無法被查詢到。當(dāng)被摧毀的作戰(zhàn)單元被修復(fù)或者由其他作戰(zhàn)單元頂替后，又重新加入服務(wù)查詢隊(duì)列中。據(jù)此，可以將戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的站點(diǎn)進(jìn)行分類。在一個(gè)輪詢周期內(nèi)，有報(bào)文分組等待發(fā)送的作戰(zhàn)單元?dú)w為一類單元，稱為在線作戰(zhàn)單元；沒有報(bào)文分組等待服務(wù)的作戰(zhàn)單元?dú)w為二類單元，稱為隱線作戰(zhàn)單元；被摧毀的作戰(zhàn)單元?dú)w為三類單元，稱為離線作戰(zhàn)單元。在APACP服務(wù)規(guī)則中，只對(duì)有報(bào)文分組的作戰(zhàn)單元進(jìn)行服務(wù)，沒有報(bào)文分組或者被摧毀的作戰(zhàn)單元不服務(wù)；在統(tǒng)計(jì)過程中，沒有報(bào)文分組的作戰(zhàn)單元能統(tǒng)計(jì)到，但不進(jìn)行服務(wù)；被摧毀的作戰(zhàn)單元不能統(tǒng)計(jì)到，因此將作戰(zhàn)單元分為三類是合理的。在APACP系統(tǒng)中，每一個(gè)作戰(zhàn)單元都有對(duì)應(yīng)的識(shí)別ID和狀態(tài)標(biāo)識(shí)符，當(dāng)作戰(zhàn)單元有報(bào)文需要發(fā)送時(shí)狀態(tài)為1，沒有報(bào)文發(fā)送時(shí)狀態(tài)為0，如s1=1表示1號(hào)作戰(zhàn)單元為在線作戰(zhàn)單元，若統(tǒng)計(jì)不到某一作戰(zhàn)單元，則將此單元視為離線單元。當(dāng)隱線單元有數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)，狀態(tài)由0變?yōu)?；當(dāng)服務(wù)完成后且沒有數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)，狀態(tài)由1變?yōu)?. 作戰(zhàn)單元被修復(fù)或者由其他單元頂替時(shí)，能夠被統(tǒng)計(jì)到ID，并根據(jù)是否有信息分組到達(dá)來顯示對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

在傳統(tǒng)輪詢接入控制協(xié)議(TPACP)中，每一個(gè)輪詢周期內(nèi)，服務(wù)器按照邏輯關(guān)系查詢所有的作戰(zhàn)單元。在APACP中，在每一個(gè)輪詢周期開始時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中的在線作戰(zhàn)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，能夠得到當(dāng)前作戰(zhàn)單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和狀態(tài)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)統(tǒng)計(jì)不到作戰(zhàn)單元或者作戰(zhàn)單元的狀態(tài)為0時(shí)，系統(tǒng)不對(duì)這一單元服務(wù)。統(tǒng)計(jì)完成后，按照邏輯關(guān)系依次對(duì)在線作戰(zhàn)單元進(jìn)行服務(wù)，隱線單元和離線單元直接跳過不進(jìn)行服務(wù)，服務(wù)完所有在線作戰(zhàn)單元后進(jìn)入下一輪詢周期。

如此，便可以節(jié)省查詢隱線作戰(zhàn)單元的輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間、克服空輪詢的問題，而且能夠滿足因離線作戰(zhàn)單元的存在而導(dǎo)致的輪詢拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)際需求。采用門限服務(wù)策略[11-12]進(jìn)行系統(tǒng)建模，APACP服務(wù)規(guī)則如下：

1) 每一個(gè)輪詢周期開始時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)中的在線作戰(zhàn)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

2) 本次輪詢周期內(nèi)，服務(wù)器只對(duì)統(tǒng)計(jì)到的在線作戰(zhàn)單元進(jìn)行服務(wù)；

3) 對(duì)被查詢到的在線作戰(zhàn)單元采取門限服務(wù)，服務(wù)結(jié)束后，服務(wù)器轉(zhuǎn)到下一個(gè)在線作戰(zhàn)單元。

APACP模型的執(zhí)行流程圖如圖2所示。

1.2 APACP性能分析

假設(shè)系統(tǒng)工作在離散時(shí)間上，所有作戰(zhàn)單元共享同一條總線，且滿足如下條件：

4) 各作戰(zhàn)單元的存儲(chǔ)器容量足夠大，報(bào)文分組不會(huì)丟失；

5) 各作戰(zhàn)單元存儲(chǔ)器內(nèi)的報(bào)文分組按照先到先服務(wù)(FCFS)的順序接受服務(wù)。

(1)

πi(x1,x2,…,xi,…,xN)的概率母函數(shù)定義為

(2)

式中：zi表示第i號(hào)作戰(zhàn)單元使得函數(shù)Gi收斂的值。

在tn+1時(shí)刻開始對(duì)第i+1號(hào)作戰(zhàn)單元進(jìn)行查詢時(shí)，滿足以下關(guān)系：

(3)

(4)

式中：j為作戰(zhàn)單元號(hào)，j=1,2,…,N，j≠i;ηj(vi)為在vi(n)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入第j號(hào)作戰(zhàn)單元的報(bào)文分組數(shù)，vi(n)為服務(wù)器對(duì)第i號(hào)作戰(zhàn)單元進(jìn)行服務(wù)的時(shí)間；μj(ui)為在ui(n)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入第j號(hào)作戰(zhàn)單元的報(bào)文分組數(shù)，ui(n)為服務(wù)器從第i號(hào)作戰(zhàn)單元轉(zhuǎn)到第i+1號(hào)作戰(zhàn)單元的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

定義在tn時(shí)刻第i號(hào)作戰(zhàn)單元開始接受服務(wù)時(shí)，存儲(chǔ)在第j號(hào)作戰(zhàn)單元中的平均報(bào)文分組數(shù)為

(5)

通過求偏導(dǎo)數(shù)和極限，得到門限服務(wù)系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)g0為

(6)

輪詢周期定義為服務(wù)器按照門限服務(wù)規(guī)則依次對(duì)所有作戰(zhàn)單元完成一次服務(wù)所花費(fèi)時(shí)間的平均值。根據(jù)平均輪詢周期和平均隊(duì)長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到門限服務(wù)系統(tǒng)的平均輪詢周期θ0為

(7)

(8)

根據(jù)APACP服務(wù)規(guī)則，設(shè)置仿真條件為N=4、β=1、γ=2，在MATLAB R2014a軟件中進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)中報(bào)文分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期隨報(bào)文分組到達(dá)率的變化曲線，如圖3、圖4所示。

分析圖3可知，在報(bào)文分組到達(dá)率較低時(shí)，APACP中報(bào)文分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)比TPACP要??；隨著報(bào)文分組到達(dá)率的增大，APACP和TPACP中報(bào)文分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)都在增大，且最終達(dá)到一致。表明當(dāng)報(bào)文分組到達(dá)率達(dá)到一定值時(shí)，APACP對(duì)于系統(tǒng)報(bào)文分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)的影響和TPACP是相同的，這一結(jié)論與輪詢控制理論相符。

由圖4可知，在同一報(bào)文分組到達(dá)率情況下，APACP的平均輪詢周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TPACP，隨著報(bào)文分組到達(dá)率的增大，平均輪詢周期的變化規(guī)律與平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)一致。通過以上仿真結(jié)果的分析可知，在報(bào)文分組到達(dá)率較低時(shí)，相比于TPACP，APACP有效縮短了系統(tǒng)的報(bào)文分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期，提升了系統(tǒng)服務(wù)效率，降低了系統(tǒng)擁塞度，提高了系統(tǒng)性能。

2 APACP的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采用美國(guó)Altera公司的FPGA、開發(fā)平臺(tái)Quartus Ⅱ 8.0以及硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL進(jìn)行開發(fā)。由于FPGA具有良好的性能，能夠較好地完成APACP模型的設(shè)計(jì)。

根據(jù)FPGA的模塊化設(shè)計(jì)思路，將原理圖和硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL相結(jié)合來進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為報(bào)文采集、作戰(zhàn)單元、APACP控制和接收終端4個(gè)功能模塊來分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 報(bào)文采集模塊的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

報(bào)文采集模塊是各作戰(zhàn)單元采集作戰(zhàn)報(bào)文的功能模塊。分析APACP的性能可知，到達(dá)各作戰(zhàn)單元的報(bào)文分組數(shù)具有一定到達(dá)率且呈泊松分布。利用MATLAB中的Poissrnd函數(shù)和FPGA中的ROM核相結(jié)合的方法[15]，對(duì)報(bào)文采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。為了便于檢驗(yàn)，設(shè)置每一個(gè)報(bào)文分組的值都為10101010，該模塊的仿真時(shí)序圖如圖5所示。

2.2 作戰(zhàn)單元模塊的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由APACP服務(wù)規(guī)則可知，作戰(zhàn)單元模塊的功能是完成作戰(zhàn)報(bào)文的存儲(chǔ)，并在服務(wù)權(quán)控制信號(hào)控制下實(shí)現(xiàn)報(bào)文分組的讀取。圖6所示為利用4個(gè)異步先進(jìn)先出(FIFO)構(gòu)建的作戰(zhàn)單元模塊，4個(gè)FIFO分別表示4個(gè)作戰(zhàn)單元的存儲(chǔ)器。當(dāng)有報(bào)文到達(dá)時(shí)，在寫信號(hào)控制下，將到達(dá)的報(bào)文按照到達(dá)順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器內(nèi)，同時(shí)更新計(jì)數(shù)器。當(dāng)控制信號(hào)有效時(shí)，從FIFO內(nèi)將報(bào)文讀出并傳輸?shù)娇偩€上。若FIFO內(nèi)為空或者報(bào)文讀完，則將讀空信號(hào)empty置為1發(fā)送到FIFO內(nèi)，停止讀出數(shù)據(jù)。4路作戰(zhàn)報(bào)文可通過“異或”運(yùn)算后，在同一條總線上進(jìn)行有效傳輸[16]。

2.3 APACP控制模塊的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

APACP控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的控制中心。圖7所示為APACP控制模塊狀態(tài)機(jī)，其中s1、s2、s3、s4分別為4個(gè)作戰(zhàn)單元的服務(wù)權(quán)控制信號(hào)，決定著作戰(zhàn)單元是否接受服務(wù)?？刂菩盘?hào)為1時(shí)，表示該作戰(zhàn)單元為在線作戰(zhàn)單元，對(duì)這些單元按照輪詢順序進(jìn)行服務(wù)；控制信號(hào)為0時(shí)，表示該作戰(zhàn)單元為隱線或者離線作戰(zhàn)單元，不對(duì)該類單元進(jìn)行服務(wù)。每一個(gè)輪詢周期開始前對(duì)所有單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，并對(duì)在線單元依次進(jìn)行服務(wù)，隱線或者離線作戰(zhàn)單元在本次輪詢周期內(nèi)直接略過，不進(jìn)行服務(wù)。

2.4 接收終端模塊的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

接收終端模塊用于完成對(duì)各作戰(zhàn)單元所發(fā)送作戰(zhàn)報(bào)文的接收功能。由于總線的利用率不會(huì)達(dá)到100%，在一些時(shí)段總線是空閑的，此時(shí)總線上沒有報(bào)文分組傳輸，接收到的不是正確報(bào)文分組。設(shè)計(jì)時(shí)，先將接收到的報(bào)文通過“濾波”后存儲(chǔ)在FIFO內(nèi)，再通過有效的“讀”控制信號(hào)，從FIFO內(nèi)讀取正確的報(bào)文分組。

2.5 APACP系統(tǒng)的FPGA頂層設(shè)計(jì)

將報(bào)文采集模塊、作戰(zhàn)單元模塊、APACP控制模塊和接收終端模塊按照系統(tǒng)工作原理連接構(gòu)成系統(tǒng)[16]，如圖8所示。4個(gè)作戰(zhàn)單元在APACP控制模塊的控制下對(duì)4個(gè)報(bào)文采集模塊采集到的作戰(zhàn)報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送，4個(gè)接收終端對(duì)總線傳輸?shù)膱?bào)文分組進(jìn)行接收。

APACP系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了4個(gè)作戰(zhàn)單元，在FPGA頂層設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)用4個(gè)異步FIFO模塊構(gòu)成4個(gè)作戰(zhàn)單元的存儲(chǔ)器，將設(shè)計(jì)好的整個(gè)系統(tǒng)寫入FPGA，以APACP規(guī)則查詢各作戰(zhàn)單元的過程時(shí)，1個(gè)FPGA就能模擬在APACP協(xié)議下對(duì)4個(gè)作戰(zhàn)單元的查詢過程。根據(jù)FPGA獨(dú)特的并行處理數(shù)據(jù)的能力，在電路設(shè)計(jì)中將4個(gè)作戰(zhàn)單元的狀態(tài)信息同時(shí)傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)到作戰(zhàn)單元的狀態(tài)信息。相比于依次查看數(shù)據(jù)包來確定作戰(zhàn)單元的狀態(tài)，并行處理機(jī)制縮短了對(duì)作戰(zhàn)單元狀態(tài)監(jiān)測(cè)的時(shí)間差。系統(tǒng)能夠根據(jù)站點(diǎn)狀態(tài)準(zhǔn)確確定自適應(yīng)的輪詢順序、提高輪詢效率、縮短輪詢周期。

3 系統(tǒng)評(píng)估

3.1 仿真測(cè)試

設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)鐘為50 MHz，4個(gè)作戰(zhàn)單元的報(bào)文分組到達(dá)率為λ1=λ2=λ3=λ4=0.1，發(fā)送1個(gè)報(bào)文分組的平均時(shí)間為β1=β2=β3=β4=1，轉(zhuǎn)換時(shí)間為γ1=γ2=γ3=γ4=2.在設(shè)定參數(shù)下進(jìn)行仿真，得到如圖9所示的仿真結(jié)果。

圖9中，4號(hào)作戰(zhàn)單元發(fā)送的報(bào)文分組為d4，4號(hào)接收終端接收到的報(bào)文分組為r4. 二者的值是相同的，但r4存在一定的延時(shí)，這是信息傳輸、處理等帶來的系統(tǒng)時(shí)延[17]。圖9中，在第1個(gè)和第3個(gè)周期內(nèi)，控制信號(hào)s4變?yōu)楦唠娖胶?，在下一個(gè)周期開始時(shí)s1不為高電平，表明系統(tǒng)是先對(duì)所有作戰(zhàn)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、確定所有的在線單元，然后根據(jù)在線單元的ID確定下一輪詢過程中的查詢對(duì)象，而隱線單元和離線單元的控制信號(hào)為低電平。在輪詢周期內(nèi)系統(tǒng)只對(duì)控制信號(hào)有效的作戰(zhàn)單元進(jìn)行服務(wù)，無效時(shí)不服務(wù)，直至輪詢完該周期內(nèi)的所有在線單元后進(jìn)入下一輪詢周期。d4在s4有效時(shí)才有值，表明4號(hào)作戰(zhàn)單元在所屬服務(wù)時(shí)段才發(fā)送報(bào)文分組，由此可見輪詢服務(wù)控制的有效性。

用開發(fā)板上的8個(gè)7段數(shù)碼管顯示系統(tǒng)輸出結(jié)果，其中前4個(gè)數(shù)碼管HEX7、HEX6、HEX5、HEX4分別顯示1、2、3、4號(hào)作戰(zhàn)單元的服務(wù)控制信號(hào)，HEX3、HEX2、HEX1、HEX0分別顯示1、2、3、4號(hào)作戰(zhàn)單元報(bào)文的采集，并以“7”代表報(bào)文的內(nèi)容。圖10中將開發(fā)板的復(fù)位控制鍵SW[17]置為低電平(即rst有效)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入工作準(zhǔn)備階段。

圖11中第4個(gè)數(shù)碼管HEX7顯示“1”，HEX6、HEX5、HEX4都不顯示，表明此時(shí)只有4號(hào)作戰(zhàn)單元在接受服務(wù)；HEX3數(shù)碼管顯示“7”，HEX2、HEX1、HEX0 3個(gè)數(shù)碼管未顯示，表明只有模塊4正在采集報(bào)文。在圖11中，4號(hào)作戰(zhàn)單元接受服務(wù)的測(cè)試與系統(tǒng)時(shí)序仿真結(jié)果一致，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了APACP控制功能。

3.2 統(tǒng)計(jì)分析

平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)：

(9)

平均輪詢周期：

(10)

式中：Ngro為總線上傳輸?shù)膱?bào)文分組總數(shù)；Ncp為統(tǒng)計(jì)的輪詢周期總數(shù)；tm為仿真總時(shí)長(zhǎng)。這些參數(shù)都可以通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到。

利用(6)式、(7)式、(8)式和(9)式、(10)式，設(shè)置到達(dá)率λ=0.1、服務(wù)時(shí)間β=1、轉(zhuǎn)換時(shí)間γ=2和仿真時(shí)長(zhǎng)分別為tm=100 μs、tm=300 μs、tm=500 μs、tm=1 000 μs、tm=1 500 μs、tm=2 000 μs，可得到TPACP中報(bào)文分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均輪詢周期的理論值以及APACP中信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均輪詢周期的理論值和統(tǒng)計(jì)值，如表1所示。

表1 統(tǒng)計(jì)值與理論值對(duì)比

從表1中可見，在同一到達(dá)率下，APACP中報(bào)文分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期都比TPACP要小，表明了APACP的性能優(yōu)越性；APACP中報(bào)文分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期的理論值與統(tǒng)計(jì)值相差較小，逐漸增加仿真時(shí)長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)值的誤差逐漸減小。這一結(jié)論與理論是相符的。

4 結(jié)論

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中作戰(zhàn)單元隨時(shí)有可能被摧毀而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變的問題，提出了APACP. 采用概率母函數(shù)和馬爾可夫鏈理論相結(jié)合的方法對(duì)門限輪詢系統(tǒng)進(jìn)行建模分析；根據(jù)泊松分布的特性并與Little定理相結(jié)合，得出APACP模型平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期的解析解，最后用MATLAB和FPGA軟硬件相結(jié)合驗(yàn)證APACP模型的正確性。得出主要結(jié)論如下：

1) 在一定范圍內(nèi)，APACP能夠有效地縮短系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均輪詢周期。

2) APACP能夠根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變輪詢順序，有效避免空輪詢現(xiàn)象，降低系統(tǒng)擁塞度，提高傳輸效率。

3) 在到達(dá)率較小的情況下，APACP優(yōu)于TPACP；隨著到達(dá)率的增大，APACP的變化趨勢(shì)與TPACP相同。

4) 本文建立的自適應(yīng)輪詢接入控制協(xié)議，通過濾除無報(bào)文發(fā)送的作戰(zhàn)單元達(dá)到了提高系統(tǒng)傳輸效率的目的，對(duì)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)改變的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)在無線局域網(wǎng)、人體傳感網(wǎng)、無線頻譜感知網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)中也具有廣闊的應(yīng)用前景。