摘 要： "在林、農(nóng)作物監(jiān)測作業(yè)中，可通過散布無線傳感器節(jié)點(diǎn)形成的自組織WSN收集作物環(huán)境信息。將UAV應(yīng)用于分簇式WSN作為移動(dòng)的數(shù)據(jù)收集sink節(jié)點(diǎn)，UAV不僅需要轉(zhuǎn)發(fā)各簇首節(jié)點(diǎn)的信息，還需轉(zhuǎn)發(fā)自帶傳感器檢測到的重要信息。為了保證UAV傳感器檢測信息及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，并能夠進(jìn)一步降低簇首節(jié)點(diǎn)能耗，延長WSN網(wǎng)絡(luò)壽命，提出異步帶優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)輪詢控制系統(tǒng)方案，應(yīng)用馬爾可夫鏈和概率母函數(shù)進(jìn)行建模分析系統(tǒng)性能。用自帶異步讀寫FIFO功能的FPGA作為主控器件，基于FPGA設(shè)計(jì)該輪詢系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該輪詢控制系統(tǒng)的可行性和高效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能保證UAV及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)重要數(shù)據(jù)，縮短服務(wù)延遲，提高WSN能耗效率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞： "WSN-UAV； 輪詢模型； 優(yōu)先級(jí)； 異步； 現(xiàn)場可編程門陣列； 能耗效率

中圖分類號(hào)： "TP391 """文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： "1001-3695（2022）02-026-0001-00

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2021.07.0279

Asynchronous polling system with priority data forwarding based on FPGA

Zhang Langfei， Li Shinan， Liang Zhuguan， Ding Hongwei

（School of Information， Yunnan University， Kunming 650500， China）

Abstract： "In forest and crop monitoring operations，crop environmental information can be collected by self-organizing WSN formed by spreading wireless sensor nodes.When the UAV is applied to the clustered WSN as the mobile sink node for data collection，the UAV not only needs to forward the information of each cluster head node，but also the important information detected by its own sensor.In order to ensure the timely forwarding of UAV sensor detection information，further reduced the energy consumption of cluster head node and prolonged the life of WSN network，this paper proposed an asynchronous data forwarding polling control system with priority，and used Markov chain and probability generating function to model and analyze the system performance.Using FPGA with asynchronous reading and writing FIFO function as the main control device，it designed the hardware circuit structure of the polling system based on FPGA，which verified the feasibility and high efficiency of the polling control system.Experimental results show that the proposed scheme can ensure timely transmission of important data by UAV，shorten service delay，improve WSN energy efficiency and optimize system performance.

Key words： "wsn-uav； polling； priority； asynchronization； FPGA； energy efficiency

0 引言

WSN（wireless sensor networks，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）采用分簇策略能夠改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)壽命［1，2］，但選舉出的簇首節(jié)點(diǎn)不僅需要轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，還需要轉(zhuǎn)發(fā)鄰居簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到收集節(jié)點(diǎn)sink處，因此導(dǎo)致簇首節(jié)點(diǎn)能耗比較高，越靠近sink節(jié)點(diǎn)的簇首節(jié)點(diǎn)能耗就越高，簇首節(jié)點(diǎn)很容易因?yàn)槟芰肯耐甓崆笆?，從而影響整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)壽命［3，4］，若能降低簇首節(jié)點(diǎn)的能耗就可以大大提高整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)的壽命。UAV（unmanned aerial vehicle，無人機(jī)）裝載有各種傳感器［5］，具有成本低、應(yīng)用方便、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［6，7］。

輪詢模型作為一類經(jīng)典通信模型，被廣泛應(yīng)用于通信［8，9］和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［10，11］?；据喸兡Ｐ头譃橥耆?、門限和限定 K（K =1）三類服務(wù)策略，它包含三個(gè)主要過程，即服務(wù)對(duì)象的到達(dá)過程、服務(wù)臺(tái)的查詢轉(zhuǎn)換過程、服務(wù)臺(tái)的服務(wù)過程［12～14］。本論文針對(duì)UAV應(yīng)用于分簇式WSN收集數(shù)據(jù)的場景改進(jìn)傳統(tǒng)輪詢模型，UAV自帶的傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測一些重要事件并通過UAV轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)收集中心，簇首節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也通過UAV將轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)收集中心，論文提出了異步帶優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)輪詢控制方案。將UAV傳感器信息分組區(qū)分為高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，WSN簇首節(jié)點(diǎn)信息分組區(qū)分為低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，對(duì)同一隊(duì)列的查詢接收過程和處理轉(zhuǎn)發(fā)過程錯(cuò)開適當(dāng)?shù)臅r(shí)序異步進(jìn)行，以減小高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間，縮短系統(tǒng)平均時(shí)延。

FPGA有著低成本、開發(fā)周期短、可重構(gòu)和并行運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被許多領(lǐng)域所應(yīng)用［15，16］。Altera FPGA自帶讀寫雙時(shí)鐘FIFO，本文將其作為數(shù)據(jù)收發(fā)的主控器件。UAV與WSN的通信方式和UAV與數(shù)據(jù)收集中心的通信方式不同，UAV與簇首節(jié)點(diǎn)的通信采用與WSN兼容的低功耗方案，配置FPGA不同的通信通道并行控制UAV與WSN的通信和UAV與數(shù)據(jù)收集中心的通信，將查詢接受某個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)與處理轉(zhuǎn)發(fā)該隊(duì)列的數(shù)據(jù)錯(cuò)開合適的時(shí)序異步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)該異步帶優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)輪詢控制系統(tǒng)方案，同時(shí)，應(yīng)用FPGA直接調(diào)用物理層MOS管器件功能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通道選擇控制電路［17］，提高硬件電路運(yùn)行速度。

1 系統(tǒng)建模分析

1.1 系統(tǒng)建模

WSN-UAV聯(lián)合應(yīng)用于農(nóng)、林業(yè)監(jiān)測等作業(yè)中，UAV收集WSN數(shù)據(jù)的飛行過程中往往會(huì)在空中遇到一些突發(fā)緊急事故需要及時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)收集中心。為了確保UAV監(jiān)測到的緊急數(shù)據(jù)得到優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，把UAV監(jiān)測到的信息分組區(qū)分為高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，簇首節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息分組區(qū)分為低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。設(shè)系統(tǒng)有 N 個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，UAV監(jiān)測設(shè)備用 h 表示，各簇首節(jié)點(diǎn)用 i（i=1，…，N ）表示，系統(tǒng)為監(jiān)測設(shè)備 h 分配存儲(chǔ)器FIFO_h，其中存儲(chǔ)的信息分組定義為中心隊(duì)列 h ，為所有簇首節(jié)點(diǎn)分配存儲(chǔ)器FIFO_d，其中存儲(chǔ)的信息分組定義普通隊(duì)列 d ，如圖1所示。系統(tǒng)的運(yùn)行過程及其工作條件如下：

a）到達(dá)過程。各隊(duì)列信息分組到達(dá)過程遵從相互獨(dú)立、同分布的隨機(jī)過程，普通隊(duì)列 i 到達(dá)過程的概率母函數(shù)、均值和方差為 A（z）、λ=A′（1）和σ2 λ=A″（1）+λ-λ2，中心隊(duì)列h到達(dá)過程的概率母函數(shù)、均值和方差分別為A（z）、λ h=A′ h（1）和σ λ2 h=A″ h（1）+λ h-λ2 h 。

b）轉(zhuǎn)換過程。隊(duì)列間的查詢過程由兩個(gè)異步過程構(gòu)成。第一個(gè)過程是查詢UAV監(jiān)測設(shè)備和各個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的過程，系統(tǒng)首先查詢UAV監(jiān)測設(shè)備，然后查詢簇首節(jié)點(diǎn) i（i=1，…，N ）、UAV監(jiān)測設(shè)備、簇首節(jié)點(diǎn) i+1（i=1，…，N ），…，查詢完簇首節(jié)點(diǎn) N ，又開始下一輪查詢過程；第二個(gè)過程是查詢存儲(chǔ)器FIFO_h和FIFO_d中的信息分組的過程，這個(gè)過程是在中心隊(duì)列和普通隊(duì)列之間查詢轉(zhuǎn)換的。設(shè)不同隊(duì)列間的查詢轉(zhuǎn)換時(shí)間服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率，其概率母函數(shù)、均值和方差分別為 R（z）、r=R′（1）和σ2 r=R″（1）+r-r2 。

c）服務(wù)過程。系統(tǒng)的服務(wù)過程由兩個(gè)異步過程構(gòu)成。第一個(gè)服務(wù)過程是接收信息分組存儲(chǔ)的過程，按照完全服務(wù)策略接收UAV監(jiān)測設(shè)備 h 的信息分組存儲(chǔ)于FIFO_h，按照限定 K （ K =1）服務(wù)策略接收簇首節(jié)點(diǎn) i （ i=1，2，…，N ）信息分組存儲(chǔ)于FIFO_d，系統(tǒng)首先接收UAV監(jiān)測設(shè)備 h 的信息分組，然后轉(zhuǎn)向接收簇首節(jié)點(diǎn) i 的信息分組，又轉(zhuǎn)向接收UAV監(jiān)測設(shè)備 h 的信息分組，再轉(zhuǎn)向接收簇首節(jié)點(diǎn) i+1 （ i=1，…，N ）的信息分組，…，當(dāng)?shù)?N 個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)服務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)又開始下一輪服務(wù)周期；第二個(gè)服務(wù)過程是處理并轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)器FIFO_h和FIFO_d中的信息分組，系統(tǒng)首先采用完全服務(wù)策略處理轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)器FIFO_h中的信息分組，當(dāng)FIFO_h變空時(shí)，系統(tǒng)采用限定 K （ K =1）服務(wù)策略查詢處理轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)器FIFO_d中的信息分組，當(dāng)服務(wù)存儲(chǔ)器FIFO_d結(jié)束，系統(tǒng)又開始下一輪服務(wù)周期。

遵循先到先服務(wù)的規(guī)則，設(shè)處理一個(gè)普通隊(duì)列的信息分組的時(shí)間概率母函數(shù)、均值和方差分別為 B（z）、β=B′（1）和σ2 β=B″（1）+β-β2 ，設(shè)處理一個(gè)中心隊(duì)列信息分組的時(shí)間概率母函數(shù)、均值和方差分別為 B h（z）、β h=B′ h（1）和σ2 β h=B″ h（1）+β h -β2 h 。

描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量的概率母函數(shù)推導(dǎo)如下。

設(shè)系統(tǒng)未達(dá)到飽和狀態(tài)，即滿足穩(wěn)態(tài)條件 ρ d+ρ hlt;1（ρ d=λ d·β d ， ρ h=λ h·β h ）。

采用離散時(shí)間，設(shè) t n 時(shí)刻系統(tǒng)開始為中心隊(duì)列 h 服務(wù)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下接著在 t* n時(shí)刻系統(tǒng)為普通隊(duì)列d服務(wù)，t n+1時(shí)刻再接著為中心隊(duì)列h 服務(wù)。

用 ξ d（n）和ξ h（n）分別表示t n 時(shí)刻普通隊(duì)列 d、 中心隊(duì)列 h 的信息分組數(shù)，因此，可定義 t n 時(shí)刻描述系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率母函數(shù)為

G dh（z d，z h）= lim "n→∞ E[zξ d（n*） dzξ h（n*） h] ""（1）

則可推出在 t* n 時(shí)刻描述系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率母函數(shù)為

G dh（z d，z h）= lim "n→∞ E[zξ d（n*） dzξ h（n*） h] =R（A h（z h）A d（z d））{ 1 z d "B d（A h（z h）A d（z d）） "[G d（z d，z h）-G d（z d，z h）| z d=0]+G d（z d，z h）| z d=0} ""（2）

同理可推導(dǎo)出 t n+1 時(shí)刻描述系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率母函數(shù)為

G hd（z d，z h）= lim "n→∞ E[zξ d（n+1） dzξ h（n+1） h] =G dh（z d，B h（A d（z d）F h（A d（z d）））） ""（3）

F h（z） 表示采用完全服務(wù)策略處理中心隊(duì)列h的一個(gè)信息分組所用時(shí)間的概率母函數(shù)。

系統(tǒng)建模完成后，為體現(xiàn)方案的優(yōu)越性，需要特定的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行量化分析，1.2節(jié)對(duì)指標(biāo)的理論分析進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)。

1.2 系統(tǒng)性能分析

用 g h（h）、g d（d） 分別表示中心隊(duì)列 h 和普通隊(duì)列 d 信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長， E（w h） 、 E（w d） 分別表示中心隊(duì)列 h 、普通隊(duì)列 d 信息分組平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間，對(duì)式（2）（3）分別求一階、二階導(dǎo)，則有：

g h（h）= γλ h（1-ρ h） 1-ρ d-ρ h """（4）

g d（d）= γλ2 d 2（1-ρ d-ρ h-γλ d） { R′′ γ（1-ρ h） + B″ d γ - 2γ 1-ρ h + 2 λ d +

1 （1-ρ d-ρ h） [（1-ρ h） A″ d λ2 d +2ρ h+ β2 hA″ h 1-ρ h + 1-ρ h+ρ2 h 1-ρ h λ hB″ h]} "（5）

g h（h，h）=R″λ2 h+γA″ h+ γλ d 1-ρ d-ρ h （2γβ dλ2 h+λ2 hB″ d+β dA″ h） "（6）

E（W h）= g h（h，h） 2λ hg h（h） - A″ h（1） 2λ2 h（1+ρ h） + λ hB″ h（1） 2（1-ρ h） ""（7）

E[w d]= g d（d） λ2 d "- 1 λ d - A″ d（1） 2λ2 d """"（8）

其中： ""表示平均查詢周期，由 1-G d（z d，1）| z d=0= γ 1-ρ d-ρ h = "可得。

1.3 數(shù)值計(jì)算與仿真實(shí)驗(yàn)

以時(shí)隙為時(shí)間單位，設(shè)信息分組到達(dá)過程服從泊松分布，使用MATLAB軟件平臺(tái)對(duì)該輪詢模型進(jìn)行仿真分析，得到不同轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 、服務(wù)時(shí)間 β 條件下的平均排隊(duì)隊(duì)長和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間與到達(dá)率的關(guān)系，并同理論公式的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，如圖2所示。

條件1的轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 、服務(wù)時(shí)間 β 取值分別都是條件2的2倍，而且圖1、2的橫坐標(biāo)都是中心隊(duì)列的到達(dá)率取值，而普通隊(duì)列到達(dá)率取固定值0.2。由圖2可知：a）隨著到達(dá)率的不同變化，中心隊(duì)列在同一轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 和服務(wù)時(shí)間 β 的條件下，中心隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長、平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間始終均明顯小于普通隊(duì)列的；b）減小轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 和服務(wù)時(shí)間 β ，普通隊(duì)列、中心隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間都明顯變小。仿真結(jié)果充分說明該異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制方案能保證對(duì)中心隊(duì)列優(yōu)先服務(wù)的同時(shí)，還大大減小整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)延遲，提高系統(tǒng)的服務(wù)效率。

2 FPGA的電路設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)以FPGA為主控器件實(shí)現(xiàn)該異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)主要由時(shí)鐘樹、異步FIFO、輪詢控制中心、處理等幾個(gè)功能模塊構(gòu)成，如圖3所示。為了仿真驗(yàn)證需要，還設(shè)計(jì)了信源和通道選擇控制兩個(gè)模塊。

2.2 信源模塊

采用ROM實(shí)現(xiàn)四個(gè)信源模塊分別模擬UAV監(jiān)測設(shè)備、三個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，分別稱為信源h、信源1、信源2、信源3，應(yīng)用仿真平臺(tái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)功能模擬信息分組的到達(dá)過程。

2.3 數(shù)據(jù)通道選擇控制模塊

FPGA具有能夠直接調(diào)用物理層MOS管器件功能，調(diào)用MOS管器件設(shè)計(jì)CMOS傳輸門構(gòu)成的四輸入數(shù)據(jù)通道選擇控制電路，控制各個(gè)信源與其對(duì)應(yīng)的FIFO連通，如圖4所示。該方案與采用邏輯門的電路方案相比，能夠減少器件和連線，有利于提高電路運(yùn)行速度［17］。

2.4 時(shí)鐘樹

時(shí)鐘樹模塊是將FPGA的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻，分別為FIFO_h、FIFO_d、異步帶優(yōu)先級(jí)輪詢控制中心、處理模塊提供不同工作頻率的時(shí)鐘信號(hào)。

2.5 異步FIFO

設(shè)計(jì)兩個(gè)異步FIFO，分別稱為FIFO_h、FIFO_d。a）它們能夠同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，只要寫控制端信號(hào)有效，F(xiàn)IFO被寫入選中的信源模塊信息分組，只要讀控制端信號(hào)有效，F(xiàn)IFO讀出存儲(chǔ)的信息分組；b）通過輪詢控制模塊對(duì)FIFO的讀寫異步進(jìn)行，不需要外掛存儲(chǔ)器就能夠滿足輪詢模型對(duì)存儲(chǔ)器足夠大的要求。

2.6 異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制模塊

這個(gè)模塊組成輪詢系統(tǒng)的邏輯控制中心，這個(gè)模塊又分兩個(gè)子模塊，分別為帶優(yōu)先級(jí)的接收控制模塊和帶優(yōu)先級(jí)的處理控制模塊，在它們的輪詢控制下對(duì)同一隊(duì)列的接收和處理發(fā)送錯(cuò)開一定時(shí)序異步進(jìn)行。在帶優(yōu)先級(jí)的接收模塊輪詢控制下，產(chǎn)生對(duì)FIFO的寫入控制信號(hào)以及各個(gè)信源到FIFO的數(shù)據(jù)通道選擇控制信號(hào)，如果選中信源 h ，其能夠發(fā)送所有信息分組存儲(chǔ)于FIFO_h中，如果選中信源 i（i=1，2，3 ），其最多只能發(fā)送一個(gè)信息分組存儲(chǔ)于FIFO_d中。在帶優(yōu)先級(jí)的處理模塊輪詢控制下，邏輯控制中心產(chǎn)生對(duì)FIFO的讀出控制信號(hào)，如果選中FIFO_h，處理模塊讀取其所有信息分組進(jìn)行處理和發(fā)送，如果選中FIFO_d，最多只能讀取一個(gè)信息分組進(jìn)行處理和發(fā)送。

2.7 處理模塊

傳輸?shù)拿繋畔⒊龜?shù)據(jù)信息外，還包括含有源地址和目標(biāo)地址的幀頭、含有校驗(yàn)信息的幀尾。處理模塊將幀頭、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)信息進(jìn)行封裝發(fā)送。

2.8 仿真驗(yàn)證

采用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Altera公司的Quarters II 軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。得到FIFO模塊和處理模塊信息分組的時(shí)序圖，如圖5所示。

在圖5中， date0、date1 分別表示FIFO_h、FIFO_d到達(dá)的信息分組， out_h、out_d 分別表示從FIFO_h、FIFO_d讀出的信息分組， out 表示進(jìn)入處理模塊的信息分組。根據(jù)圖5，只要 date0 的信息分組不為空，系統(tǒng)控制讀出 date0 的信息分組直到其為空，然后才轉(zhuǎn)向讀出 date1 的一個(gè)信息分組，由此說明該基于FPGA的異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)電路方案達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

2.9 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)系統(tǒng)模型，應(yīng)用公式分別統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)的電路方案中心隊(duì)列、普通隊(duì)列信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間值。

中心隊(duì)列信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長統(tǒng)計(jì)公式為

g h — = ∑ n c j=1 l h（j） n c """（9）

普通隊(duì)列信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長統(tǒng)計(jì)公式為

g — "d= ∑ n c j=1 l d（j） n c """（10）

中心隊(duì)列信息分組平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)公式為

w — "h= ∑ M h k=1 w h（k） M h """（11）

普通隊(duì)列信息分組從屬站平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)公式為

w — "d= ∑ M d m=1 w d（m） M d """（12）

其中： n c 表示系統(tǒng)輪詢次數(shù)； l h（j）、l d（j）分別表示第j 次輪詢時(shí)中心隊(duì)列、普通隊(duì)列等待發(fā)送的信息分組數(shù)； M h、M d 分別表示中心隊(duì)列、普通隊(duì)列信息分組總數(shù)， w h（j）表示中心隊(duì)列第k 個(gè)信息分組的等待時(shí)間， w d（m）為普通隊(duì)列第m 個(gè)信息分組的等待時(shí)間。根據(jù)式（9）～（11）和（12），得到平均排隊(duì)隊(duì)長、平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)值并與式（4）～（7）（8）的理論值進(jìn)行比較，如表1、2所示。其中 t m 為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，單位為μs； g h、g d、w h、w d 表示理論值； g h — 、g d — 、w h — 、w d — "表示統(tǒng)計(jì)值。

從表1、2的結(jié)果來看，a）在相同的轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 和服務(wù)時(shí)間 β 下，中心隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間均低于普通隊(duì)列的；b）當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間 γ 和服務(wù)時(shí)間 β 變小時(shí)，中心隊(duì)列和普通隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長和平均排隊(duì)等待服務(wù)時(shí)間均明顯減小。對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真的結(jié)果進(jìn)一步說明該異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制方案能保證對(duì)中心隊(duì)列優(yōu)先服務(wù)的同時(shí)，還大大減小了整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)延遲，提高了系統(tǒng)的服務(wù)效率。

3 與單片機(jī)方案比較

實(shí)現(xiàn)輪詢控制的電路方案有兩種，即單片機(jī)和FPGA。單片機(jī)雖然有多個(gè)I/O口，但它是串行處理多個(gè)設(shè)備輸入數(shù)據(jù)，也就是同一時(shí)間只能處理一個(gè)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)。假設(shè)采用發(fā)送令牌方式在UAV與簇首節(jié)點(diǎn)之間建立通信，某個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)一旦收到發(fā)送給自己的令牌，就發(fā)送其存儲(chǔ)器中的信息分組； 時(shí)間單位采用時(shí)隙，并假設(shè)各個(gè)通信階段所用時(shí)間為一個(gè)時(shí)隙，信息分組的長度為8位。兩種電路方案實(shí)現(xiàn)UAV轉(zhuǎn)發(fā)任意一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的信息分組經(jīng)歷的時(shí)段所用時(shí)間如表3所示。

表3中的“通信 1”表示UAV與簇首節(jié)點(diǎn)的通信，“通信2”表示UAV與數(shù)據(jù)收集中心的通信。從表3可以看出，采用FPGA的電路方案實(shí)現(xiàn)UAV轉(zhuǎn)發(fā)任意一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的信息分組所用時(shí)間只有單片機(jī)的一半。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)UAV-WSN聯(lián)合應(yīng)用提出異步帶優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)輪詢控制方案，UAV傳感器設(shè)備信息分組區(qū)分為高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，WSN簇首節(jié)點(diǎn)信息分組區(qū)分為低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，應(yīng)用不同的通信通道把接收和轉(zhuǎn)發(fā)過程錯(cuò)開一定時(shí)序異步進(jìn)行。應(yīng)用馬爾可夫鏈和概率母函數(shù)對(duì)該異步帶優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)輪詢控制方案進(jìn)行建模分析，推導(dǎo)出描述該異步帶優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)性能的表達(dá)式，基于FPGA完成電路設(shè)計(jì)并通過仿真驗(yàn)證，理論值和仿真值都說明：a）該輪詢控制系統(tǒng)能夠區(qū)分中心隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)，縮短對(duì)各個(gè)隊(duì)列的查詢服務(wù)時(shí)間，提高移動(dòng)UAV的工作效率；b）由UAV與各簇首節(jié)點(diǎn)直接通信收集其數(shù)據(jù)，從而不需要簇首節(jié)點(diǎn)之間通信轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而消耗能量，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)隊(duì)列的查詢服務(wù)時(shí)間縮短，進(jìn)一步減小簇首節(jié)點(diǎn)的能耗。

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