三种策略轮询系统的FPGA实现及性能分析
路秀迎 丁洪伟 杨志军 保利勇 何敏
关键词： 点协调功能; 服务策略; 轮询系统; 信道控制; 查询周期; 服务质量; 系统设计
中图分类号： TN919.72?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号： 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 design0 ?引 ?言
輪询系统具有公平性、灵活性、高效性、实用性、高服务质量（Quality of Service，QoS）等特性，被广泛应用于无线传感器网络中。无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由微型传感器节点通过无线通信方式组成的以数据为中心的多跳自组织任务型网络系统。系统中传感器节点动态重组形成若干簇区域结构，自动转发检测数据到汇聚节点，汇聚节点对数据进行融合后通过互联网或者卫星传输到管理节点，管理节点按照一定的数据算法进行有效的配置和管理[2]。WSN作为一种可重构基础设施，具有通用、灵活、可维护自组织、可学习等特性[3]，逐渐从研究型网络转换为应用型网络，广泛应用于害虫检测[4]、舰船定位[5]等领域。
基于分簇的WSN网络有效降低了拓扑结构的管理难度，提高了系统的抗毁性能，有效避免了常见多址协议中不同节点同时使用信道引起的能量损失，应用中要根据业务的QoS特性，综合考虑簇区间距离、最优化路径、网络周期、容错性等因素部署多业务应用[6]，簇内通信采用何种轮询策略（分完全、门限、限定三种服务策略）成为性能优化的关键。
文献[7?8]采用排队论与概率母函数方法对完全与门限服务策略下的系统参数展开理论分析;文献[9]提出转换时间对服务策略性能的影响;文献[10]中系统按照完全服务策略记录地铁通信脉冲时间，实时特性好，缺点在于高并发场合下系统持续服务单个节点会导致其他站点“饥饿”;文献[11]提及的自适应双门限完全服务策略既克服了车流量高饱和时绿灯长时间停留某一相位的问题，又避免了低饱和状态时信号灯频繁切换问题;文献[12]中作者对有休眠限定（[K=1]）轮询系统的平均查询周期展开数学分析，以减小能量损耗，延长网络寿命。
综上所述，研究不同服务策略对WSN系统性能的影响具有重要的理论意义和应用价值。FPGA可以利用硬件描述语言再次进行设计，没有固化的集成电路芯片，灵活性强，可配置性好[13]。本文充分利用其内置FIFO软核数据缓存功能，借助QuartusⅡ开发平台进行设计、仿真，结合统计值对三种服务策略下的系统性能展开对比分析。1 ?轮询系统原理
WSN分簇技术把动态自组织拓扑结构映射成相对稳定的簇区域结构，簇内通信基于轮询机制，控制简单。轮询系统的构成包括1个服务器和[N]个终端，如图1所示，服务器按照预设规则对系统终端按同一方向进行查询，对满足条件的终端提供信道使用权服务，服务完最后一个再返回第一个终端。图中虚线为服务器轮询方向。
系统按照服务策略可分为完全、门限、限定三种机制。完全调度时服务器对获得权限的终端服务至空，门限调度时服务器对获得权限终端当前所有信息分组进行服务，服务过程中到达的信息分组则转到下次服务;限定调度时服务器对获得权限的终端每次至多服务[k]个信息分组。
3.4 ?接收模块
接收站点模块用于从总线传输的信息分组中准确接收读取出对应终端发送的数据，充分利用轮询系统支持无竞争性实时业务的特点，各终端依次享有服务权限。因此在接收端按照控制模块产生的读使能信号依次读取总线信息，便可实现对各终端信息分组的正确接收。4 ?结果分析
设计中使用频率为50 MHz的时钟信号clk及其8分频时钟信号clk8独立控制各终端模块信息分组的到达和服务过程。根据异步FIFO的wr信号实时显示存储器容量，s为终端查询信号，cr为继续服务控制信号，d信号表示服务器发送的数据，r信号是接收端接收到的数据。试验中顾客到达率、服务时间、相邻客户端转换时间参数值为[λ=0.5，β=1，γ=1]。
不同服务策略轮询系统的仿真图如图4～图6所示。
三幅仿真图中相邻站点发送数据间隔、各站点发送一个数据的持续时间都是一个时钟，这与所设参数值大小相同。其中，各站点接收与发送数据波形一致，时延为320 ns，验证了设计中数据传输的正确性。
在仿真图4中，各站点服务结束时存储器容量显示wr大小为0;仿真图5中，cr为0表示本次服务发送数据量与开始发送缓存的总数据量相等，服务结束;由仿真图6可以看出，获得发送权的站点每次发送数据只有一个。仿真时序图表明设计已实现预期功能。
设置不同的仿真时间，对各参数值进行统计分析，各系统统计值如表1～表3所示。
完全、门限、限定服务轮询系统平均排队队长、平均查询周期和平均吞吐量理论值分别为0.237 5，5，0.2;0.25，5，0.2;0.294 8，5，0.2。可以看出在误差允许范围内，相应的统计值大小与理论值相符。
比较三个服务策略轮询系统的参数值可知：
1） 在同樣的控制参数下，完全服务轮询系统平均排队队长最小，限定服务轮询系统这两个参数值最大，门限服务轮询系统居中;
2） 在同样的控制参数下，三者的平均轮询周期、系统吞吐量大小相同;
3） 从系统公平性角度看，限定服务轮询系统公平性最优，但控制灵活性差;门限服务轮询系统公平性居中;完全服务轮询系统在业务量或者网络流量大的情况下系统公平性最差，业务QoS得不到保障。5 ?结 ?论
本文以FPGA作为硬件载体，利用Verilog HDL语言按照三种不同的轮询服务策略对系统进行设计，通过仿真与统计验证了设计的正确性，统计参数值与理论值大致相符，实现了系统要求。三种服务系统各有特点，有效解决了无线传感器网络碰撞冲突问题，在多业务网络系统设计中可充分考虑业务优先级，结合不同的服务策略进行项目设计，实现系统性能最优化。
参考文献
[1] 杨志军.两级优先级控制轮询系统理论及应用研究[M].昆明：云南大学出版社，2010：14?18.
YANG Zhijun. Theoretical application of bipolar priority control polling system [M]. Kunming： Yunnan University Press， 2010： 14?18.
[2] 石鲁生，朱慧博.无线传感器网络数据融合技术与展望[J].物联网技术，2017，7（8）：31?33.
SHI Lusheng， ZHU Huibo. Wireless sensor network data fusion technology and its prospect [J]. Internet of Things technologies， 2017， 7（8）： 31?33.
[3] HASHISH S. Towards increasing the reusability of the wireless sensor network protocols [J]. Engineering village， 2012（1）： 95?98.
[4] 李鹏，范泽华，何良荣，等.应用于大型果园害虫检测的无线传感器网络算法[J].江苏农业科学，2017，45（11）：178?182.
LI Peng， FAN Zehua， HE Liangrong， et al. The wireless sensor network algorithm for the application in detection of large orchard pests [J]. Jiangsu agricultural science， 2017， 45（11）： 178?182.
[5] 袁荣健.基于无线传感器网络的船舶动力定位系统的研究[J].舰船科学技术，2017，39（6）：61?63.
YUAN Rongjian. Research on ship dynamic positioning system based on wireless sensor network [J]. Ship science technology， 2017， 39（6）： 61?63.
[6] TAWALBEH L A， HASHISH S， TAWALBEH H， et al. Quality of service requirements and challenges in generic WSN infrastructures [J]. Procedia computer science， 2017， 109（C）： 1116?1121.
[7] SHORGIN S， SAMOUYLOV K， GAIDAMAKA Y， et al. Polling system with threshold control for modeling of SIP server under overload [M]. Berlin： Springer International Publishing， 2014.
[8] 杨志军，丁洪伟，陈传龙.完全服务和门限服务两级轮询系统E（x）特性分析[J].电子学报，2014，42（4）：774?778.
YANG Zhijun， DING Hongwei， CHEN Chuanlong. Analysis of E（x） of the two?state polling system with full service and threshold service [J]. Acta electronica Sinica， 2014， 42（4）： 774?778.
[9] VAN DER GAAST J P， ADAN I J B F， DE KOSTER R B M. The analysis of batch sojourn?times in polling systems [J]. Queueing systems， 2017， 85（3/4）： 313?335.
[10] 李芳芳，郑博胜.地铁通信脉冲事件记录的研究[J].都市快轨交通，2015，28（3）：65?68.
LI Fangfang， ZHENG Bosheng. Research on the records of subway communication pulse events [J]. Urban rapid rail transportation， 2015， 28（3）： 65?68.
[11] 官铮，王月强，钱文华.轮询控制交通信号自适应控制模型仿真研究[J].系统仿真学报，2015，27（10）：2278?2284.
GUAN Zheng， WANG Yueqiang， QIAN Wenhua. Simulation research on adaptive control model of traffic signals [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（10）： 2278?2284.
[12] 何敏，官铮，保利勇，等.无线传感器网轮询接入控制平均查询周期分析[J].仪器仪表学报，2016，37（11）：2637?2640.
HE Min， GUAN Zheng， BAO Liyong， et al. Analysis of the average query cycle of polling access control in WSNs [J]. Journal of instrumentation， 2016， 37（11）： 2637?2640.
[13] 余慧，王健.一种专用可配置的FPGA嵌入式存储器模块的设计和实现[J].电子学报，2012，40（2）：215?222.
YU Hui， WANG Jian. Design and implementation of a special configurable FPGA embedded memory module [J]. Acta electronica Sinica， 2012， 40（2）： 215?222.
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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 design0 ?引 ?言
輪询系统具有公平性、灵活性、高效性、实用性、高服务质量（Quality of Service，QoS）等特性，被广泛应用于无线传感器网络中。无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由微型传感器节点通过无线通信方式组成的以数据为中心的多跳自组织任务型网络系统。系统中传感器节点动态重组形成若干簇区域结构，自动转发检测数据到汇聚节点，汇聚节点对数据进行融合后通过互联网或者卫星传输到管理节点，管理节点按照一定的数据算法进行有效的配置和管理[2]。WSN作为一种可重构基础设施，具有通用、灵活、可维护自组织、可学习等特性[3]，逐渐从研究型网络转换为应用型网络，广泛应用于害虫检测[4]、舰船定位[5]等领域。
基于分簇的WSN网络有效降低了拓扑结构的管理难度，提高了系统的抗毁性能，有效避免了常见多址协议中不同节点同时使用信道引起的能量损失，应用中要根据业务的QoS特性，综合考虑簇区间距离、最优化路径、网络周期、容错性等因素部署多业务应用[6]，簇内通信采用何种轮询策略（分完全、门限、限定三种服务策略）成为性能优化的关键。
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综上所述，研究不同服务策略对WSN系统性能的影响具有重要的理论意义和应用价值。FPGA可以利用硬件描述语言再次进行设计，没有固化的集成电路芯片，灵活性强，可配置性好[13]。本文充分利用其内置FIFO软核数据缓存功能，借助QuartusⅡ开发平台进行设计、仿真，结合统计值对三种服务策略下的系统性能展开对比分析。1 ?轮询系统原理
WSN分簇技术把动态自组织拓扑结构映射成相对稳定的簇区域结构，簇内通信基于轮询机制，控制简单。轮询系统的构成包括1个服务器和[N]个终端，如图1所示，服务器按照预设规则对系统终端按同一方向进行查询，对满足条件的终端提供信道使用权服务，服务完最后一个再返回第一个终端。图中虚线为服务器轮询方向。
系统按照服务策略可分为完全、门限、限定三种机制。完全调度时服务器对获得权限的终端服务至空，门限调度时服务器对获得权限终端当前所有信息分组进行服务，服务过程中到达的信息分组则转到下次服务;限定调度时服务器对获得权限的终端每次至多服务[k]个信息分组。
3.4 ?接收模块接收站点模块用于从总线传输的信息分组中准确接收读取出对应终端发送的数据，充分利用轮询系统支持无竞争性实时业务的特点，各终端依次享有服务权限。因此在接收端按照控制模块产生的读使能信号依次读取总线信息，便可实现对各终端信息分组的正确接收。4 ?结果分析
设计中使用频率为50 MHz的时钟信号clk及其8分频时钟信号clk8独立控制各终端模块信息分组的到达和服务过程。根据异步FIFO的wr信号实时显示存储器容量，s为终端查询信号，cr为继续服务控制信号，d信号表示服务器发送的数据，r信号是接收端接收到的数据。试验中顾客到达率、服务时间、相邻客户端转换时间参数值为[λ=0.5，β=1，γ=1]。
不同服务策略轮询系统的仿真图如图4～图6所示。
三幅仿真图中相邻站点发送数据间隔、各站点发送一个数据的持续时间都是一个时钟，这与所设参数值大小相同。其中，各站点接收与发送数据波形一致，时延为320 ns，验证了设计中数据传输的正确性。
在仿真图4中，各站点服务结束时存储器容量显示wr大小为0;仿真图5中，cr为0表示本次服务发送数据量与开始发送缓存的总数据量相等，服务结束;由仿真图6可以看出，获得发送权的站点每次发送数据只有一个。仿真时序图表明设计已实现预期功能。设置不同的仿真时间，对各参数值进行统计分析，各系统统计值如表1～表3所示。
完全、门限、限定服务轮询系统平均排队队长、平均查询周期和平均吞吐量理论值分别为0.237 5，5，0.2;0.25，5，0.2;0.294 8，5，0.2。可以看出在误差允许范围内，相应的统计值大小与理论值相符。比较三个服务策略轮询系统的参数值可知：
1） 在同樣的控制参数下，完全服务轮询系统平均排队队长最小，限定服务轮询系统这两个参数值最大，门限服务轮询系统居中;
2） 在同样的控制参数下，三者的平均轮询周期、系统吞吐量大小相同;
3） 从系统公平性角度看，限定服务轮询系统公平性最优，但控制灵活性差;门限服务轮询系统公平性居中;完全服务轮询系统在业务量或者网络流量大的情况下系统公平性最差，业务QoS得不到保障。5 ?结 ?论
本文以FPGA作为硬件载体，利用Verilog HDL语言按照三种不同的轮询服务策略对系统进行设计，通过仿真与统计验证了设计的正确性，统计参数值与理论值大致相符，实现了系统要求。三种服务系统各有特点，有效解决了无线传感器网络碰撞冲突问题，在多业务网络系统设计中可充分考虑业务优先级，结合不同的服务策略进行项目设计，实现系统性能最优化。
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