無線通信鏈路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要：為解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)存在速度較低、容量較小且運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)，分析了無線通信鏈路數(shù)據(jù)特征，并構(gòu)建了系統(tǒng)硬件與軟件框架。系統(tǒng)硬件方面優(yōu)化設(shè)計(jì)了電子硬盤、多路選通開關(guān)、控制電路和橋接電路；系統(tǒng)軟件為設(shè)計(jì)的核心部分，使用最小二乘法配準(zhǔn)無線鏈路數(shù)據(jù)的時(shí)間參數(shù)，校準(zhǔn)鏈路數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系空間狀態(tài)，在無線鏈路數(shù)據(jù)的時(shí)間參數(shù)和空間校準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，結(jié)合極大似然估計(jì)法，進(jìn)行融合存儲(chǔ)計(jì)算。經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)提高了無線通信鏈路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度，存儲(chǔ)過程中運(yùn)行穩(wěn)定性高，與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具備較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無線通信；分布式融合存儲(chǔ)；鏈路數(shù)據(jù)；極大似然估計(jì)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線通信具有通信容量大、發(fā)射功率小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［1］，廣泛應(yīng)用于加密數(shù)據(jù)的通信過程中。無線鏈路作為無線通信的載體，對(duì)其存儲(chǔ)容量的研究與設(shè)計(jì)是極其必要的。大容量的無線鏈路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，能夠更加快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為提升無線鏈路系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，諸多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，并設(shè)計(jì)了基于負(fù)載均衡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)［2］、無線激光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)［3］、基于流量密度的數(shù)據(jù)融合方法［4］等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。上述方案均能完成無線鏈路數(shù)據(jù)的通信任務(wù)，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜、數(shù)據(jù)量的不斷增多［5］，在實(shí)際通信過程中這些方法均不能達(dá)到理想的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效果，嚴(yán)重限制了無線鏈路系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。針對(duì)上述問題，本研究采用了極大似然估計(jì)法，設(shè)計(jì)了一種無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建無線鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件框架。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足無線通信鏈路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與通信要求，有效提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

1分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

無線通信鏈路數(shù)據(jù)作為一種異步數(shù)據(jù)，不具有線性特征，因此首先計(jì)算數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)作為整合矩陣。利用極大似然估計(jì)法［6］，對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行融合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)。此次設(shè)計(jì)的無線通信數(shù)據(jù)分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)整體框架，如圖1所示。由圖1可知，無線通信鏈路數(shù)據(jù)分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)為三層架構(gòu)，即業(yè)務(wù)應(yīng)用層、平臺(tái)服務(wù)層和基礎(chǔ)存儲(chǔ)層。存儲(chǔ)·601·平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其中，鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)形式如圖2所示。如圖2所示，每個(gè)鏈路數(shù)據(jù)都是單獨(dú)存在的個(gè)體，面向整個(gè)系統(tǒng)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)數(shù)據(jù)這一結(jié)構(gòu)特征，使每個(gè)鏈路數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式都以主節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)融合的方式存儲(chǔ)。利用無線通信時(shí)，采取主節(jié)點(diǎn)負(fù)載傳輸?shù)姆绞剑瑢⒃摴?jié)點(diǎn)上的所有數(shù)據(jù)面向無線鏈路進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)的快速通信。

2分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1存儲(chǔ)載體設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以硬盤為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體，以其為存儲(chǔ)介質(zhì)。無線鏈路數(shù)據(jù)到達(dá)SSDSATA2．5電子硬盤時(shí)，傳輸速度可達(dá)150bit／s，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式如表1所示。表1中，G－1與G－2分別代表兩種不同指示符，無實(shí)際意義。將SSDSATA2．5電子硬盤脫離系統(tǒng)主機(jī)安裝，并使硬盤的盤頭組件分離在硬盤內(nèi)部，以獨(dú)立的形式存在，使數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能可以達(dá)到最優(yōu)。

2．2多路選通開關(guān)設(shè)計(jì)

開關(guān)選擇SATA和ATA相結(jié)合的存儲(chǔ)芯片，采用高速串行傳輸方式，并將復(fù)雜的編碼方式和檢錯(cuò)方法用于系統(tǒng)的核心控制機(jī)制中［7］。采用可編程邏輯器件將開關(guān)接入電路，并設(shè)置其載荷形式與選通特性。如表2所示。如表2所示，多路選通開關(guān)的載荷形式具有一定的復(fù)雜特征，因此本次設(shè)計(jì)將物理電氣特性也作為考量標(biāo)準(zhǔn)。使用SATA開關(guān)實(shí)現(xiàn)并行ATA的設(shè)備協(xié)議，再將SATA與ATA協(xié)議轉(zhuǎn)換為芯片形式接入開關(guān)接口。當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)所有硬件被喚醒，處于隨時(shí)工作狀態(tài)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率。當(dāng)核心控制器派發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)口令時(shí)［8］，多路選通開關(guān)首先判斷任務(wù)需求，若存儲(chǔ)任務(wù)為鏈路數(shù)據(jù)，則開關(guān)將同時(shí)閉合多個(gè)線路，并接入雙向轉(zhuǎn)接芯片。同時(shí)，多路選通開關(guān)能夠?qū)⑦@些存儲(chǔ)任務(wù)在ATA與SATA接口處分離出來，解析后轉(zhuǎn)換成單一任務(wù)形式，以命令的方式傳輸給外部裝置［9］。通過ATA與SATA結(jié)合多路選通開關(guān)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸未響應(yīng)的無線鏈路數(shù)據(jù)，并經(jīng)過自身的解碼處理，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)迅速傳輸給主機(jī)，進(jìn)而達(dá)到快速存儲(chǔ)無線鏈路數(shù)據(jù)的目的。

2．3控制電路設(shè)計(jì)

選用TMS320作為系統(tǒng)控制電路的核心處理芯片，該芯片的工作頻率高達(dá)150MHz，具有32位內(nèi)核處理器，采用總線結(jié)構(gòu)接入系統(tǒng)，且外圍有多個(gè)分線形式的電路與之并聯(lián)，共同接入一個(gè)CPU內(nèi)［10］。當(dāng)控制電路的開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，該總線結(jié)構(gòu)能夠在一個(gè)工作周期內(nèi)完成多個(gè)無線鏈路數(shù)據(jù)的讀取、傳輸、存儲(chǔ)任務(wù)。同時(shí)應(yīng)用流水線技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)能夠在控制電路的傳輸過程中進(jìn)一步完成，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性與效率。TMS320芯片接入系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，TMS320芯片為14位電路結(jié)構(gòu)，其中，占主要結(jié)構(gòu)位的是VSS和NC線路，其他電路數(shù)據(jù)由COM引出［11］。此外，電路中的電阻分別連接主控芯片的I／O口和PC口，作為多路選通開關(guān)的備用傳輸載體。當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，控制電路接口直接與系統(tǒng)主機(jī)連接。同時(shí)，省去了插件環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求直接通過控制電路傳輸至調(diào)試設(shè)備上，調(diào)試設(shè)備采用DSP連接，能夠達(dá)到30MHz振動(dòng)頻率［12］。當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)的振動(dòng)頻率達(dá)到最高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部就會(huì)有大量空余位置，為無線鏈路數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供充足的存儲(chǔ)條件，以滿足數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)需求。

2．4橋接電路設(shè)計(jì)

無線通信數(shù)據(jù)分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)作為一種嵌入式系統(tǒng)，能夠在同一節(jié)點(diǎn)中完成無線鏈路數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，此時(shí)橋接電路的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。橋接電路以SPIF215A芯片為核心［13］，通過USB與主機(jī)相連，并利用USB通道和1．5GSATA通道將無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸至PC接口，以完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與處理工作。當(dāng)橋接電路處于閉合狀態(tài)時(shí)，直接使用SSDSATA2．5電子硬盤與PC機(jī)主板相連接，將無線鏈路數(shù)據(jù)融合存儲(chǔ)的過程看作一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣的存儲(chǔ)過程。橋接電路的使用，大大減少了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，并且利用標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)計(jì)算，利用橋接電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最快速率達(dá)到560MHz。同時(shí)，還能對(duì)無線鏈路數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式進(jìn)行歸類［14］，每一類數(shù)據(jù)選擇一種橋接電路傳輸，使結(jié)構(gòu)大且復(fù)雜的數(shù)據(jù)先存入系統(tǒng)內(nèi)。而小結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存入大數(shù)據(jù)中，使得能在有限的系統(tǒng)空間內(nèi)存儲(chǔ)更多無線鏈路數(shù)據(jù)。

3分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用極大似然估計(jì)法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分，并進(jìn)行無線通信數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)推演，軟件的實(shí)現(xiàn)以硬件為載體。

3．1確定無線鏈路時(shí)間配準(zhǔn)

無線數(shù)據(jù)鏈路存儲(chǔ)周期具有一定的時(shí)間特征，若時(shí)間參數(shù)出現(xiàn)偏差，則會(huì)導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)異常。因此利用最小二乘法［15］，對(duì)無線鏈路數(shù)據(jù)的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行配準(zhǔn)，以使其偏差項(xiàng)為零。設(shè)無線鏈路數(shù)據(jù)的采樣周期為T1，采樣次數(shù)為m，系統(tǒng)在T1周期內(nèi)的時(shí)間同步次數(shù)為1。Tn代表數(shù)據(jù)的同步采樣周期。根據(jù)鏈路數(shù)據(jù)的采樣周期，得到基于最小二乘法的無線鏈路數(shù)據(jù)融合時(shí)間配準(zhǔn)為式（1）。C＝2n∑ni＝1（Tn－T1）i＋Cin＋［］1（1）確定時(shí)間配準(zhǔn)條件，融合配準(zhǔn)方差為式（2）。var（C）＝2σ2＋2（C＋1）mm（＋1）（2）式中，C代表無線鏈路數(shù)據(jù)的目標(biāo)距離；Ci代表無線鏈路數(shù)據(jù)的方位角；var（C）代表數(shù)據(jù)融合方差；σ代表無線鏈路數(shù)據(jù)俯仰角。當(dāng)var（C）取最小值時(shí)，即認(rèn)為無線鏈路數(shù)據(jù)融合時(shí)間已配準(zhǔn)，否則重新進(jìn)行配準(zhǔn)，直到融合配準(zhǔn)方差為最小值。將配準(zhǔn)的分布式融合數(shù)據(jù)備份保存，為數(shù)據(jù)分布式融合存儲(chǔ)系數(shù)的計(jì)算提供準(zhǔn)確的時(shí)間參數(shù)。

3．2無線鏈路數(shù)據(jù)空間校準(zhǔn)處理

將無線鏈路數(shù)據(jù)利用橋接電路進(jìn)行傳輸，使其形成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣。將這個(gè)數(shù)據(jù)矩陣放到同一坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)據(jù)空間校準(zhǔn)處理。校準(zhǔn)時(shí)，目標(biāo)數(shù)據(jù)需經(jīng)過多次空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從無線鏈路數(shù)據(jù)的收集、整理、校準(zhǔn)三個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［16］，轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。由圖4可知，無線鏈路數(shù)據(jù)收集主要包括數(shù)據(jù)定位和矩陣生成兩部分，只需獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)的距離、速度、方位角和角速度信息，并將這些參數(shù)作為空間坐標(biāo)變換的固定量［17］，便能實(shí)現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)的獲取。經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，得到關(guān)于無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準(zhǔn)位置，如式（3）。（3）式中，x、y、z分別代表鏈路數(shù)據(jù)空間橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和高度坐標(biāo)；a代表坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，此次計(jì)算只做參數(shù)引入，不做定向分析；h代表無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準(zhǔn)位置。得到無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準(zhǔn)值后，再與本機(jī)的無線鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，將目標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)下的校準(zhǔn)函數(shù)，進(jìn)而快速獲取無線鏈路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確位置。

3．3實(shí)現(xiàn)無線鏈路數(shù)據(jù)融合存儲(chǔ)

采用極大似然估計(jì)法對(duì)無線鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，將鏈路數(shù)據(jù)時(shí)間參數(shù)與空間校準(zhǔn)值作為系數(shù)引入［18］，得到無線鏈路數(shù)據(jù)的融合方程為式（4）。在確定無線鏈路數(shù)據(jù)時(shí)間和空間校準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，結(jié)合極大似然估計(jì)法，計(jì)算鏈路數(shù)據(jù)的融合系數(shù)，同時(shí)簡化計(jì)算步驟，實(shí)現(xiàn)無線通信鏈路數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4．1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)的有效性，在NAND（NANDflashmemory）環(huán)境下對(duì)無線鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式融合存儲(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，無線鏈路數(shù)據(jù)來自于Storagcll數(shù)據(jù)庫中，采用的磁盤格式為cxt5。同時(shí)，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說明性，對(duì)比參考文獻(xiàn)［2］、參考文獻(xiàn)［3］及參考文獻(xiàn)［4］的系統(tǒng)與本研究所提系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比系統(tǒng)所能容納的最大無線鏈路數(shù)據(jù)量。利用ARM軟件將系統(tǒng)存儲(chǔ)的鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理，并將結(jié)果導(dǎo)入MATLAB平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

4．2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)速度實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度，對(duì)比本研究所提系統(tǒng)與上述3種系統(tǒng)存儲(chǔ)速度。代表存儲(chǔ)系統(tǒng)的最大并發(fā)數(shù)，完成目標(biāo)數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的用時(shí)越少，代表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力越高。如圖5所示。由圖5可知，提出系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)僅需125s，而其他三種系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)則超過250s。因本研究所提系統(tǒng)在硬件控制電路的設(shè)計(jì)以及在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)據(jù)空間的校準(zhǔn)處理，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間較其他傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間降低了125s，說明該方法在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度上具有優(yōu)勢(shì)。

4．3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量是驗(yàn)證存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，為進(jìn)一步驗(yàn)證本研究所提系統(tǒng)的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和有效性，基于上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)比其他三種系統(tǒng)的存儲(chǔ)效果。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，本研究所提系統(tǒng)進(jìn)行無線鏈路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，呈平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)逐漸增長，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的存儲(chǔ)目標(biāo)。而文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)、文獻(xiàn)［3］系統(tǒng)、文獻(xiàn)［4］系統(tǒng)分別在3：00、17：00與11：00就已經(jīng)出現(xiàn)了懈怠存儲(chǔ)的現(xiàn)象。經(jīng)過上述分析，可以驗(yàn)證無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，具備極強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

5總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的無線通信鏈路數(shù)據(jù)分布式融合存儲(chǔ)系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)框架。在優(yōu)化的系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，配準(zhǔn)無線鏈路數(shù)據(jù)的時(shí)間參數(shù)，校準(zhǔn)無線鏈路數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系空間狀態(tài)。結(jié)合極大似然估計(jì)法，進(jìn)行融合存儲(chǔ)計(jì)算，完成無線通信鏈路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用極大似然估計(jì)法，并在仿真平臺(tái)內(nèi)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性，這對(duì)無線通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸提供了有利依據(jù)。未來將考慮無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，進(jìn)一步完善本研究。

參考文獻(xiàn)

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作者：張明輝 張勁波 單位：廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院