CN106993306B - 基于fpga的无线网络mac层分布式协调***及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***及其构建方法，包括数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块；数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块之间的信号流向为：Matlab软件中生成的泊松数据经数据存储模块经初站点连接时隙控制模块，从时隙控制模块中出来的信号经信息站点进入信息处理模块，后进入吞吐量检测模块，本发明还提供了上述***的构建方法。本发明能生成泊松数据流且根据信道状态不同调整其时隙长度，实现满足协议算法要求的信源；对信道不同状态的信息控制与反馈，用“跳读”方式实现协议算法控制机理的控制模块；***的扩展性，实现多节点竞争***。
Description
技术领域
本发明涉及通信***技术领域，特别是属于基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***及其构建方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，使得我们走向更深的通信***领域。而无线局域网凭借可靠性与灵活性的特点得到了广泛应用。但是无线局域网的信道是对外共享状态，链路状态不稳定，因此如何合理的分配有限资源显得极为重要。通信网络***由大量站点组成，且各站点的通信业务是间歇性地工作，信道资源毫无规律的被使用，势必会降低其利用率。在802.11协议中，分布式协调(DistributedCoordinationFunction)机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式，它运用CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)技术，站点在传输数据前，先监听信道状态，再根据信道状态决定是否发送信息，这样就极大的减少了信息传输过程中的冲突状态数，从而提高信道资源的利用率。分布式协调控制下的信道处于忙碌状态时会持续侦听信道，能够在第一时间检测到信道的通信状态，当检测到信道空闲状态时会立即发送信息分组，充分的利用信道的空闲时间，有效地提高了信道的利用率。
现场可编程门阵列(FPGA)具有内部逻辑资源丰富、NIOSII软核的处理能力强、仿真能力强、可重复编程、现场可修改设计、相应的EDA(electronicdesignautomation)软件功能完善,有丰富的IP核(intellectualpropertycore)资源等众多优点，相比于传统的微处理器与数字逻辑单元相结合的***开发方法更具优势。运用FPGA实现通信协议的算法能够还原真实的数据传输过程，展现通信协议的优缺点。FPGA凭借其低运行频率、低功耗等特点，被用作协议芯片的设计主体，在通信领域得到了快速发展。
而现有的基于FPGA设计的相关MAC层的协议设计中存在以下问题：
1、信源部分是由硬件中的伪随机数生成，并不满足协议算法原理中信源到达的数学分布；
2、不同的信道状态的时隙长度不可控，其实现的过程并不准确；
3、信息分组处理模块并不能按照协议控制原理控制，设计仿真结果与理论值相比较误差较大。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***及其构建方法，以达到提高信道资源的利用率的目的。
本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，其特征在于，包括数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块；数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块之间的信号流向为：Matlab软件中生成的泊松数据经数据存储模块经初站点连接时隙控制模块，从时隙控制模块中出来的信号经信息站点进入信息处理模块，后进入吞吐量检测模块，其中，
所述数据存储模块是将Matlab软件中生成的泊松数据流通过QuartusII中的ROM核心模块进行存储，将泊松数据引入到FPGA软件中；
所述时隙控制模块是根据信道中两种不同事件，包括空闲事件、忙事件，对其进行时隙长度的控制，具体采用异步FIFO和Verilog编写的反馈信号模块组成；
所述信息分组处理模块是对信道中两种不同的状态进行划分，将一个信息站点看作是一个忙站点和一个空闲站点组成，根据信道的状态不同，在两个站点间“跳读”，即忙状态在忙站点读数据，空闲状态就在空闲站点读数据，从而实现协议算法中的控制机理；
所述吞吐量检测模块根据信息分组处理模块反馈的信道空闲、数据传输成功、信息冲突三种信号，分别用三个计数器进行数据统计，从而计算得到吞吐量的仿真值。
进一步的，所述的时隙控制模块包括一个异步FIFO和一个计数器，当读取到需要时隙变大的数据时，停止异步FIFO读使能，同时触发计数器倒计时，当计数器倒计时到规定的数值时再恢复异步FIFO读使能。
进一步的，所述的信息分组处理模块，其根据信道中不同状态进行***站点设计，将一个站点作为忙站点或者空闲站点，***在运行过程中根据读取到的信道实时状态，在忙站点与空闲站点间跳读。
进一步的，所述的吞吐量检测模块包括一个计数器，根据信息分组输出的数据，检测到成功发送的数据值便进行自加，从而统计出***的吞吐量统计值。
本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***的构建方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
步骤一：泊松数据流的生成；运用Matlab中泊松函数生成泊松数据流，生成QuartusII内核中ROM模块能够读取的文件，从而将泊松数据流引入到QuartusII中，使硬件电路设计***有了数据来源；
步骤二：电路构建；根据分布式协调控制下***输出协议要求，将设计分为各个功能模块，功能模块主要包括：数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块，将泊松数据引入到QuartusII中后，采用硬件描述语言VerilogHDL编写代码构建硬核实现功能；
步骤三：电路***仿真；根据分布式协调控制下***中信息的到达率以及空闲时隙a的值，调整Matlab软件中泊松函数的到达率G以及时隙控制模块中的计数器数值，通过综合仿真，统计数据传输成功的数量，即吞吐量统计值。
步骤四：电路***验证；调整G与a的值，对多组数据进行统计与时序图分析，根据吞吐量统计值与协议理论值的对比，验证整个***是否设计成功。
本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***及其构建方法，能生成泊松数据流且根据信道状态不同调整其时隙长度，实现满足协议算法要求的信源；对信道不同状态的信息控制与反馈，用“跳读”方式实现协议算法控制机理的控制模块；***的扩展性，实现多节点竞争***。综上所述，本发明具有以下优点：
(一)能够产生满足泊松分布的数据流；
(二)能够根据信道状态的不同调整其时隙长度；
(三)能够运用“跳读”模块的方式实现协议控制机理；
(四)可利用其扩展性，能够实现多节点竞争***；
(五)信息处理模块能够准确的按照协议算法机理进行控制，仿真结果与理论值基本一致，能够精准的实现协议***的传输过程；
(六)FPGA硬件实现通信算法协议，本发明具有可推广应用到无线网络等领域，并提高信道资源的利用率的积极效果。
附图说明
图1为本发明的协议模型图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明泊松数据产生示意图；
图4为本发明时隙控制模块组成结构示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，包括数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块；数据存储模块，时隙长度控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块之间的信号流向为：Matlab软件中生成的泊松数据经数据存储模块经初站点连接时隙控制模块，从时隙控制模块中出来的信号经信息站点进入信息处理模块，后进入吞吐量检测模块。
所述数据存储模块是将Matlab软件中生成的泊松数据流通过QuartusII中的ROM核心模块进行存储，将泊松数据引入到FPGA软件中。
所述时隙控制模块是根据信道中两种不同事件，包括空闲事件、忙事件，对其进行时隙长度的控制，如图4所示，时隙控制模块具体采用异步FIFO和Verilog编写的反馈信号模块组成。
所述信息分组处理模块是对信道中两种不同的状态进行划分，将一个信息站点看作是一个忙站点和一个空闲站点组成，根据信道的状态不同在两个站点间“跳读”，即忙状态在忙站点读数据，空闲状态就在空闲站点读数据，从而实现CSMA协议算法中的控制机理。
所述吞吐量检测模块根据信息分组处理模块反馈的信道空闲、数据传输成功、信息冲突三种信号，分别用三个计数器进行数据统计，从而计算得到吞吐量的仿真值。
本发明结合了Matlab与QuartusII两种软件，其特点在于：设计充分运用FPGA自顶向下的设计思路，由数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块等组成。其中，数据存储模块和时隙控制模块主要是对Matlab软件中生成的泊松数据流进行储存和长度控制的功能。
所述的数据存储模块是由QuartusII中ROM模块组成，主要就是对Matlab中产生的数据流进行读取。
所述的时隙控制模块主要由一个异步FIFO和一个计数器组成，当读取到需要时隙变大的数据时，停止异步FIFO读使能，同时触发计数器倒计时，当计数器倒计时到规定的数值时再恢复异步FIFO读使能。
所述的信息分组处理模块，其根据信道中不同状态进行处理。在***站点设计中，将一个站点看作是忙站点或空闲站点，***在运行过程中根据读取到的信道实时状态，(忙或者空闲)在忙站点与空闲站点间跳读。
所述的吞吐量检测模块是由一个计数器组成；根据信息分组输出的数据，检测到成功发送的数据值便进行自加，从而统计出***的吞吐量统计值。
本发明所提供的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***的构建方法，包括步骤如下：
步骤一：泊松数据流的生成；运用Matlab中泊松函数生成泊松数据流，生成QuartusII内核中ROM模块能够读取的文件，从而将泊松数据流引入到QuartusII中，使硬件电路设计***有了数据来源；
步骤二：电路构建；根据***的控制输出协议要求，将设计分为各个功能模块，功能模块主要包括：数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块，将泊松数据引入到QuartusII中后，采用硬件描述语言VerilogHDL编写代码构建硬核实现功能；
步骤三：电路***仿真；根据协议中信息的到达率以及空闲时隙a的值，调整Matlab软件中泊松函数的到达率G以及时隙控制模块中的计数器数值，通过综合仿真，统计数据传输成功的数量，即吞吐量统计值。
步骤四：电路***验证；调整G与a的值，对多组数据进行统计与时序图分析，根据吞吐量统计值与协议理论值的对比，验证整个***是否设计成功。
Claims (5)
1.一种基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，其特征在于，包括数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块；数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块之间的信号流向为：Matlab软件中生成的泊松数据经数据存储模块经初站点连接时隙控制模块，从时隙控制模块中出来的信号经信息站点进入信息分组处理模块，后进入吞吐量检测模块，其中，
所述数据存储模块是将Matlab软件中生成的泊松数据流通过QuartusII中的ROM核心模块进行存储，将泊松数据引入到FPGA软件中；
所述时隙控制模块是根据信道中两种不同事件，包括空闲事件、忙事件，对其进行时隙长度的控制，具体采用异步FIFO和Verilog编写的反馈信号模块组成；
所述信息分组处理模块是对信道中两种不同的状态进行划分，将一个信息站点看作是一个忙站点和一个空闲站点组成，根据信道的状态不同，在两个站点间“跳读”，即忙状态在忙站点读数据，空闲状态就在空闲站点读数据，从而实现协议算法中的控制机理；
所述吞吐量检测模块根据信息分组处理模块反馈的信道空闲、数据传输成功、信息冲突三种信号，分别用三个计数器进行数据统计，从而计算得到吞吐量的仿真值。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，其特征在于，所述时隙控制模块包括一个异步FIFO和一个计数器，当读取到需要时隙变大的数据时，停止异步FIFO读使能，同时触发计数器倒计时，当计数器倒计时到规定的数值时再恢复异步FIFO读使能。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，其特征在于，所述的信息分组处理模块，其根据信道中不同状态进行***站点设计，将一个站点作为忙站点或者空闲站点，***在运行过程中根据读取到的信道实时状态，在忙站点与空闲站点间跳读。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***，其特征在于，所述的吞吐量检测模块包括一个计数器，根据信息分组输出的数据，检测到成功发送的数据值便进行自加，从而统计出***的吞吐量统计值。
5.一种基于FPGA的无线网络MAC层分布式协调***的构建方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
步骤一：泊松数据流的生成；运用Matlab中泊松函数生成泊松数据流，生成QuartusII内核中ROM模块能够读取的文件，从而将泊松数据流引入到QuartusII中，使硬件电路设计***有了数据来源；
步骤二：电路构建；根据分布式协调***控制输出协议要求，将设计分为各个功能模块，功能模块主要包括：数据存储模块，时隙控制模块，信息分组处理模块，吞吐量检测模块，将泊松数据引入到QuartusII中后，采用硬件描述语言Verilog HDL编写代码构建硬核实现功能；
步骤三：电路***仿真；根据协议中信息的到达率以及空闲时隙a的值，调整Matlab软件中泊松函数的到达率G以及时隙控制模块中的计数器数值，通过综合仿真，统计数据传输成功的数量，即吞吐量统计值；
步骤四：电路***验证；调整G与a的值，对多组数据进行统计与时序图分析，根据吞吐量统计值与协议理论值的对比，验证整个***是否设计成功。
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