劉龍軍，丁洪偉，柳虔林,2，劉正綱

（1. 云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091；2. 云南省軍區(qū)，云南 昆明 650051）

基于FPGA WSN輪詢接入控制協(xié)議的研究

劉龍軍1，丁洪偉1，柳虔林1,2，劉正綱1

（1. 云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650091；2. 云南省軍區(qū)，云南 昆明 650051）

媒體接入控制（MAC）協(xié)議是連接物理鏈路和網(wǎng)絡(luò)層直接的紐帶，是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的工作特性，首次以FPGA（field programmable gate array）對(duì)輪詢機(jī)制的接入控制協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)充分利用FPGA的靈活性和可重構(gòu)性的特點(diǎn)，采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL和原理圖相結(jié)合的方法，使用QuartusⅡ8.0進(jìn)行綜合和布線，在DE2開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行測(cè)試。該設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠有效減小傳輸時(shí)延，提高總線利用率?？蓮V泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、軟件無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)、ad hoc網(wǎng)絡(luò)、軍用綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；限定服務(wù)；排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)；輪詢周期；吞吐量；FPGA

1 引言

近年來(lái)，分簇算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,wireless sensor network）中得到了廣泛應(yīng)用，與ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，它更偏重于保持網(wǎng)絡(luò)整體消耗能量的均衡，避免“熱點(diǎn)”問(wèn)題出現(xiàn)，盡可能地使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)縮短[1]。文獻(xiàn)[2]提出一種負(fù)載均衡和高效節(jié)能的分簇算法，可依據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體距離，建立目標(biāo)簇并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所覆蓋的區(qū)域，進(jìn)而縮短節(jié)點(diǎn)中信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載均衡。文獻(xiàn)[3]針對(duì)快速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)模型預(yù)測(cè)控制實(shí)時(shí)性和微型化需求，提出了一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA, field programmable gate array）實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[4]針對(duì)WSN自組網(wǎng)需求，提出了一種基于FPGA的高速運(yùn)算處理的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了WSN專用設(shè)計(jì)IP核，以解決各種不同的WSN網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和各類(lèi)WSN應(yīng)用問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]在介紹RapidIO協(xié)議和Serial IPcore用戶接口基礎(chǔ)上,描述了 Serial RapidIO（SRIO）交換架構(gòu)在 FPGA上的編程方法,并采用雙緩存機(jī)制實(shí)現(xiàn)了位寬和數(shù)據(jù)流速的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了多SRIO節(jié)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)通信功能。文獻(xiàn)[6]針對(duì)惡劣環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集難題,采用WSN設(shè)計(jì)了一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以FPGA為主控芯片,采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在24 kHz采樣率下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頻率為1 kHz的不同聲音信號(hào)高精度采集。

從上述研究工作中不難看出，分簇可以對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)做層次劃分。一個(gè)簇是由2個(gè)或2個(gè)以上的相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)簇要選擇簇內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇首。在具體組網(wǎng)時(shí)，各個(gè)簇的簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、融合和傳輸，從而減少數(shù)據(jù)通信量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。在分簇算法中，簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)需要作周期替換，如果當(dāng)前簇首無(wú)法滿足要求，則由滿足的節(jié)點(diǎn)替換當(dāng)前簇首節(jié)點(diǎn)成為新的簇首；選定新的簇首后，簇結(jié)構(gòu)就確定了下來(lái)，相應(yīng)的自組織網(wǎng)絡(luò)也變?yōu)橄鄬?duì)固定的簇結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)由簇首節(jié)點(diǎn)依次對(duì)其進(jìn)行查詢并傳輸信息；部分WSN節(jié)點(diǎn)會(huì)在固定的時(shí)間段進(jìn)入休眠狀態(tài)，在信息采集時(shí)會(huì)被喚醒，因此，WSN的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)也不是絕對(duì)穩(wěn)定的[8]。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡、離開(kāi)所在簇或處于休眠狀態(tài)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)從輪詢表中被刪除，其后的節(jié)點(diǎn)會(huì)得到該節(jié)點(diǎn)的順序號(hào)，后面節(jié)點(diǎn)順序依次修改。本文對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用限定（K=1）輪詢服務(wù)控制方式[9]，得到如表 1所示的 4節(jié)點(diǎn)的輪詢表 ，簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信息，再通過(guò)各節(jié)點(diǎn)反饋信息建立輪詢表，這樣便建立起一種新的基于輪詢控制WSN分簇MAC協(xié)議模型（如圖1所示）。這里對(duì)輪詢控制機(jī)制說(shuō)明如下。

1) 用1, 2, 3, …, N來(lái)標(biāo)明WSN中簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的查詢順序。

2) 采用限定（K=1）服務(wù)策略實(shí)現(xiàn)WSN簇首對(duì)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的收集、融合，即當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得服務(wù)時(shí)，簇首為該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)信息分組，經(jīng)過(guò)一個(gè)輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間后，開(kāi)始查詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。該服務(wù)策略對(duì)各節(jié)點(diǎn)服務(wù)是均等的，因而提高了整個(gè)系統(tǒng)的公平性。

3) 類(lèi)似地，N取其他值的情況可以由 N=4的輪詢表依次得出，這樣就可構(gòu)建出一個(gè)大型 WSN自組織網(wǎng)絡(luò)，而且可以采用所提出的MAC協(xié)議模型來(lái)進(jìn)行描述。

表1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首輪詢

圖1WSN分簇輪詢控制MAC協(xié)議模型

FPGA自問(wèn)世以來(lái)，在通信領(lǐng)域一直是其主戰(zhàn)場(chǎng)。與專用集成電路（ASIC, application specific integrated circuit）相比，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)周期更短，與通用數(shù)字信號(hào)處理（DSP, digital signal processing）芯片相比，F(xiàn)PGA更具優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力。FPGA具有的邏輯單元是百萬(wàn)級(jí)的，運(yùn)算速度快，靈活性高，可擴(kuò)展性好，可移植性強(qiáng)，具有可重復(fù)編程和可完全重新配置的優(yōu)良性能[10]。在通信領(lǐng)域，協(xié)議扮演著重要角色。目前，單一制式、單一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議難以生存，多標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議便成為演進(jìn)方向，其演進(jìn)時(shí)間不是同步的，傳統(tǒng)的ASIC應(yīng)用范圍在縮小，而FPGA應(yīng)用范圍在擴(kuò)大，并占據(jù)著市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。此外，通信產(chǎn)品個(gè)性化需求日益突顯，產(chǎn)品需求也是多樣化的。FPGA所具有的可編程性、靈活性，使其成為通信產(chǎn)品應(yīng)用首選。因此，基于該模型采用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)MAC協(xié)議具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 相關(guān)性能分析

基于WSN分簇輪詢控制MAC協(xié)議模型，利用限定（K=1）輪詢服務(wù)系統(tǒng)的分析方法和結(jié)果，采用PGF概率母函方法以及LST方法來(lái)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)研究解析，獲得簇首和節(jié)點(diǎn)的特性參數(shù)[11]。參照?qǐng)D1所示的控制機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)的工作條件假設(shè)如下。

1) 由一個(gè)簇首和N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的WSN網(wǎng)絡(luò)，簇首對(duì)節(jié)點(diǎn)信息采集分組數(shù)的隨機(jī)變量服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率分布；到達(dá)i號(hào)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)的信息分組服從泊松分布，到達(dá)率為iλ=λ。

2) 節(jié)點(diǎn)在獲得信息傳輸權(quán)后，按照限定（K=1）服務(wù)規(guī)則，發(fā)送一個(gè)信息分組，其傳輸時(shí)間隨機(jī)變量服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率分布，其傳輸時(shí)間隨機(jī)變量的概率母函數(shù)、均值和方差分別為和

3) 在一個(gè)簇中，N個(gè)節(jié)點(diǎn)的輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間隨機(jī)變量服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率分布，其概率母函數(shù)、均值分別為和

4) 在tn時(shí)刻，系統(tǒng)的概率母函數(shù)為

根據(jù)圖1所示的分簇輪詢控制MAC協(xié)議模型，在WSN中使用限定（K=1）服務(wù)的MAC控制協(xié)議模型的相關(guān)性能指標(biāo)分別如下。

1) 在 WSN中使用限定（K=1）服務(wù)的 MAC控制協(xié)議時(shí)系統(tǒng)的平均循環(huán)周期為

其中，ρ=λβ為系統(tǒng)工作強(qiáng)度。

2) 在 WSN中使用限定（K=1）服務(wù)的 MAC控制協(xié)議時(shí)系統(tǒng)中平均存儲(chǔ)的信息分組數(shù)為

3) WSN中使用限定（K=1）服務(wù)的MAC控制協(xié)議時(shí)系統(tǒng)的吞吐量為

4) 根據(jù)如圖1所示的分簇輪詢控制MAC協(xié)議模型，假設(shè)節(jié)點(diǎn)中信息分組到達(dá)過(guò)程服從到達(dá)率為λ的泊松分布；節(jié)點(diǎn)信息分組傳輸過(guò)程以及查詢轉(zhuǎn)換過(guò)程服從均值分別為β和γ的均勻分布，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中無(wú)差錯(cuò)，依據(jù)式(2)～式(4)便可求得節(jié)點(diǎn)信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和系統(tǒng)的平均循環(huán)周期，采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)方法可驗(yàn)證理論分析和計(jì)算結(jié)果的正確性。

3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)FPGA自頂向下的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，限定（K=1）服務(wù)輪詢控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)其分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]。根據(jù)系統(tǒng)的原理，在設(shè)計(jì)時(shí)，以包含4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為例，把系統(tǒng)分為信源模塊、senor node模塊、輪詢控制模塊和接收站點(diǎn)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 信源模塊設(shè)計(jì)

由限定（K=1）服務(wù)輪詢控制策略的原理可知，信源模塊需要產(chǎn)生具有一定到達(dá)率λ且符合泊松分布的信息分組，以此代表senor node所采集到的信息數(shù)據(jù)。FPGA是硬件電路，易產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，但要產(chǎn)生符合泊松分布的偽隨機(jī)序列是比較困難的。設(shè)計(jì)時(shí)，利用matlab中的poissrnd函數(shù)產(chǎn)生泊松分布序列，并設(shè)定λ值。利用FPGA的ROM對(duì)產(chǎn)生的泊松分布序列進(jìn)行讀取，再通過(guò)一定的映射轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到多位數(shù)據(jù)輸出，即為信源產(chǎn)生的信息分組。便于檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)中輸出的每一個(gè)信息分組的數(shù)據(jù)值都為10101010。

3.2 senor node模塊設(shè)計(jì)

senor node模塊要具備信息分組的存儲(chǔ)功能，要能夠在讀、寫(xiě)信號(hào)的控制下，按照FCFS的順序進(jìn)行信息分組的存入和讀出[13]。圖2是利用4個(gè)異步FIFO設(shè)計(jì)的senor node模塊。當(dāng)輪詢到某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先判斷該節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)器內(nèi)是否有需要發(fā)送的信息分組，若“empty”為高電平，說(shuō)明存儲(chǔ)器為空，則無(wú)信息分組需要發(fā)送，就轉(zhuǎn)去輪詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；若“empty”為低電平，則發(fā)送該senor node存儲(chǔ)器內(nèi)最先進(jìn)入的那一個(gè)信息分組，之后轉(zhuǎn)去查詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這與senor node模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能是一致的。

圖2senor node模塊FPGA電路設(shè)計(jì)

3.3 輪詢控制模塊設(shè)計(jì)

輪詢控制模塊是系統(tǒng)按照限定（K=1）服務(wù)策略工作的控制中心。圖3為輪詢控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)服務(wù)器訪問(wèn)到某一節(jié)點(diǎn)，即該節(jié)點(diǎn)的服務(wù)信號(hào)c=1時(shí)，若其存儲(chǔ)器內(nèi)有需要發(fā)送的信息分組（即empty=0），則為該senor node發(fā)送一個(gè)信息分組（即K=1）；若empty=1，說(shuō)明該senor node無(wú)信息分組要發(fā)送，則轉(zhuǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)（即 K=0）。這與限定（K=1）服務(wù)策略是相符的。

3.4 接收站點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

接收站點(diǎn)模塊需要完成從總線上正確讀取所對(duì)應(yīng)的senor node發(fā)送的信息分組的功能。由于總線的利用率不可能達(dá)到 100%，在接收時(shí)就需要濾除總線空閑時(shí)的全零錯(cuò)誤數(shù)據(jù)[14]。圖4是接收站點(diǎn)模塊電路。當(dāng)輪詢控制信號(hào)s有效，即該接收站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的senor node正在接受服務(wù)器服務(wù)且總線數(shù)據(jù)不是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)，把此時(shí)總線上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO內(nèi)。通過(guò)始終置為高電平的讀取控制信號(hào)r，在FIFO不為空（empty=0）時(shí)，讀取FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)，即為該站點(diǎn)接收到的信息分組。

圖3輪詢控制模塊狀態(tài)機(jī)

3.5 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

圖4接收站點(diǎn)模塊電路

依據(jù)限定（K=1）服務(wù)輪詢系統(tǒng)原理，將信源模塊、senor node模塊、輪詢控制模塊和接收站點(diǎn)模塊連接構(gòu)成系統(tǒng)。圖5為系統(tǒng)的FPGA頂層設(shè)計(jì)圖。4個(gè)信源模塊各自產(chǎn)生符合泊松分布的信息分組，4個(gè)senor node在輪詢控制模塊的控制下，按照限定（K=1）服務(wù)策略發(fā)送各自存儲(chǔ)器內(nèi)的信息分組。4個(gè)senor node發(fā)送的信息分組經(jīng)或門(mén)電路后傳到總線上。由于4個(gè)senor node不可能同時(shí)發(fā)送信息分組，故此處不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。4個(gè)接收站點(diǎn)從總線上讀取各自所對(duì)應(yīng)的senor node發(fā)送的信息分組,以此驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否完成了信息分組正確傳送的控制功能。

圖5系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)評(píng)估

4.1 仿真測(cè)試

利用QuartusⅡ8.0進(jìn)行綜合和布線，系統(tǒng)工作時(shí)鐘CLK周期設(shè)定為1 ns，復(fù)位信號(hào)rst低電平時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，高電平時(shí)系統(tǒng)正常工作。對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到如圖6所示的仿真結(jié)果。把所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)下載到DE2 Cyclone Ⅱ2c35 F672c6開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖6系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6為所設(shè)計(jì)的限定（K=1）服務(wù)輪詢系統(tǒng)仿真結(jié)果。圖中d4為4號(hào)senor node發(fā)送的信息分組，r4為4號(hào)接收站點(diǎn)接收到的信息分組。二者數(shù)據(jù)值完全相同，且都是10101010，這與信源所產(chǎn)生8位信息分組的值是一致的。與d4相比，r4在時(shí)間上有一個(gè)時(shí)隙（8 ns）的時(shí)延，這與一般的通信系統(tǒng)相比，延時(shí)是非常小的[15]，其他3個(gè)senor node的情況與4號(hào)senor node相同。pbus為總線上傳輸?shù)男畔⒎纸M，pbus為0的時(shí)段非常短，且都是在senor node間輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)的，比起一般的系統(tǒng)，總線的利用率是相對(duì)較高的。圖6中s1、s2、s3、s4為4個(gè)senor node獲得發(fā)送權(quán)的標(biāo)識(shí)信號(hào)，可以看出，4個(gè)senor node是按邏輯順序依次接受服務(wù)器輪詢?cè)L問(wèn)的，且獲得發(fā)送權(quán)的senor node只發(fā)送了一個(gè)信息分組。比起完全服務(wù)輪詢控制策略和門(mén)限服務(wù)輪詢控制策略，限定（K=1）服務(wù)輪詢控制策略規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)senor node接受簇首節(jié)點(diǎn)服務(wù)的機(jī)會(huì)是均等的，不會(huì)因?yàn)槊總€(gè)senor node信息分組的到達(dá)率不同而改變，保證了系統(tǒng)的公平性。此外，對(duì)于一些突發(fā)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，限定（K=1）服務(wù)輪詢控制策略以其穩(wěn)定的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和輪詢周期，保證了QoS。從仿真結(jié)果中可以知道，4個(gè)senor node是輪流接受簇首節(jié)點(diǎn)服務(wù)的，有效防止了多個(gè) senor node同時(shí)發(fā)送信息分組而產(chǎn)生的碰撞。這與設(shè)計(jì)的初衷是相符的。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)限定（K=1）服務(wù)輪詢系統(tǒng)的原理，可得到該系統(tǒng)平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均輪詢周期和吞吐量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式。

平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

平均輪詢周期

系統(tǒng)吞吐量

其中，Ngro(i)為仿真過(guò)程中第i（i=1,2,3,4）號(hào)senor node在每次被訪問(wèn)時(shí)其存儲(chǔ)器內(nèi)的信息分組數(shù)的累加值，Ngro為總線上傳輸?shù)男畔⒎纸M的總數(shù)，Ncp為統(tǒng)計(jì)循環(huán)周期總數(shù)，Tall為仿真總時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程中的Ngro(i)、Ngro、Ncp進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就可求得系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均輪詢周期和吞吐量。表 2是利用式(2)～式(7)分別計(jì)算了在分組到達(dá)率λ=0.1、服務(wù)時(shí)間β=1、轉(zhuǎn)換時(shí)間γ=1和仿真時(shí)長(zhǎng)Tall=100μs 、Tall=300μs 、Tall=400μs 、Tall=600μs 、Tall=800μs 條件下的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均輪詢周期和系統(tǒng)吞吐量的理論值和統(tǒng)計(jì)值。

表2統(tǒng)計(jì)值和理論值對(duì)比

表2中的仿真統(tǒng)計(jì)值和理論值是非常接近的，且隨著仿真時(shí)長(zhǎng)的增加，統(tǒng)計(jì)值是向著理論值逐漸收斂的，這與理論實(shí)際是一致的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)WSN節(jié)點(diǎn)的工作特點(diǎn)和實(shí)際需求，利用FPGA對(duì)WSN中采用限定(K=1)服務(wù)輪詢控制策略的接入控制協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用這種控制協(xié)議，無(wú)論各個(gè)站點(diǎn)的信息分組以何種到達(dá)率到達(dá)，服務(wù)器每次只對(duì)一個(gè)站點(diǎn)的一個(gè)信息分組進(jìn)行服務(wù)，這比門(mén)限服務(wù)策略和完全服務(wù)策略更具公平性。與競(jìng)爭(zhēng)型的MAC協(xié)議相比，該輪詢控制協(xié)議能夠有效避免數(shù)據(jù)沖突，以及發(fā)生沖突時(shí)造成的能量損耗。

通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的限定(K=1)服務(wù)輪詢控制協(xié)議仿真測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的協(xié)議能夠較好地確保WSN節(jié)點(diǎn)信息分組按照相應(yīng)服務(wù)規(guī)則實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突、無(wú)差錯(cuò)發(fā)送和接收，并且在指標(biāo)參數(shù)上都達(dá)到了要求，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。從理論與實(shí)際分析看，所設(shè)計(jì) MAC協(xié)議能夠有效避免數(shù)據(jù)沖突、減小傳輸時(shí)延、提高系統(tǒng)吞吐量和總線利用率，且具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可廣泛用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、軟件無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)、ad hoc網(wǎng)絡(luò)、軍用綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

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Design of polling access control protocol in WSN based on FPGA

LIU Long-jun1, DING Hong-wei1, LIU Qian-lin1,2, LIU Zheng-gang1
（1. School of Information, Yunnan University, Kunming 650091, China;2.Yunnan Military Command Region, Kunming 650051, China）

MAC(media access control) protocol is a direct link between physical and network layer, which is one of the key protocols to ensure high efficient communication. According to the characteristics of WSN (wireless sensor network)nodes, the design and implementation of polling access control protocol based on FPGA (field programmable gate array)were presented for the first time. The design made full use of the characteristics of flexibility and reconfigurability of FPGA. The method of combination of the hardware circuit description language Verilog HDL and the principle diagram was adopted, using Quartus II 8.0 to carry on the synthesis and routing, testing in the DE2. The design has the characteristics of good real-time, high reliability, strong portability, and can effectively reduce the transmission delay and improve the bus utilization. The designed system can be widely used in WSN, software radio network, ad hoc networks, military integrated service network, mobile communications networks, Internet of things as well as other fields.

WSN, limited service, queue length, polling cycle, throughput, FPGA

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61461053, No.61461054, No.61072079), The Natural Science Foundation of Yunnan Province (No.2010CD023), The Financial Support of Yunnan University (No.XT412004)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016209

2016-01-05；

2016-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61461053, No.61461054, No.61072079）；云南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2010CD023)；云南大學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.XT412004）

劉龍軍（1989-），男，陜西商洛人，云南大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)理論、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、FPGA開(kāi)發(fā)等。

丁洪偉（1964-），男，江西于都人，云南大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信工程、輪詢多址通信理論、隨機(jī)多址通信系統(tǒng)理論。

柳虔林（1966-），男，云南易門(mén)人，云南省軍區(qū)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)、短波通信技術(shù)、輪詢多址通信理論。

劉正綱（1988-），男，白族，云南昆明人，云南大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)理論、傳感器網(wǎng)絡(luò)、FPGA開(kāi)發(fā)等。