基于FPGA的P-坚持CSMA协议设计与实现

第16卷第4期2018年8月
实验科学与技术
Experiment Science and Technolog ^^
VoL . 16 No . 4Aug . 2018
基于
FPGA 的P -坚持CSMA 协议设计与实现
徐智\张楠2,胡丽娜2, 丁洪伟\刘龙军1
(1.云南大学信息学院，云南昆明650504; 2.武警北京总队第三医院，北京丰台区100039)
摘要为提高无线网络的通信效率，减少能量消耗，运用
MAC 协议中的载波监听多路访问技术可提高通信系统的呑
吐量、减少节点的平均功率。

根据无线网络中各节点的工作特点，通过现场可编程门阵列（FPGA)为P -坚持CSMA 协议接
入的通信系统提供一种实现方案。

实验结果中统计值与理论值一致，证实了该设计的正确性与可实现性，能够有效地提高 传输效率，减少能耗，可应用到无线通信网络领域。

关键词无线网络；
MAC 协议；载波侦听多路访问；呑吐量；平均功率；现场可编程门阵列
中图分类号 TN913. 21 文献标志码 A doi:10.3969/j.issn. 1672 -4550. 2018. 04. 006
D e s i g n
a n d I m p l e m e n t a t i o n o f P - p e r s i s t e n t C S M A B a s e d o n F P G A
XU Z h i 1, ZHANG Nan 2
, HU Lina 2, DING Hongwei 1 , and LIU Longjun 1
(1. School of Information, Yunnan LDiversity, Kunming 650504, China ； 2. Third Beijing Armed Police Hospital, Fengtai 100039, China)
Abstract In order to improve the communication efficiency of wireless netw -ork and reduce the energ ^^ consumption, the carrier
monitoring access technology in MAC protocol can increase the throughput of communication system and reduce the average power of nodes. According to the working characteristics of each node in the wireless network, a field programmable gate array(FPGA) pro­vides an implementation solution for the P-persistent CSMA protocol-based communication system. The experimental results are con­sistent with the theoretical values, which prove that the correctness and realizability of the design. It can effectively improve the trans­mission efficiency and reduce the energy consumption. It can be applied to the wireless communication network.
Key words wireless network ； MAC protocol ； carrier sense multiple access(CSMA) ； throughput ； average power ； field pro­grammable gate array
C S M A 即载波监听多路访问m
,是提高通信传
输效率的重要M A C 层协议，被广泛应用于无线网 络[2]。

该协议技术的控制机理是在信息数据传输 的过程中，各个信息站点根据侦听到信道的工作 情况，调整自己的行为。

根据具体的侦听发送策 略，可以将C S M A 分为非坚持C SM A [3]、1-坚持
C SM A [4]和P
-坚持CSM A 。

其中，非坚持CSMA
对信道的利用率太低，以1 -坚持C SM A 接入的信 道碰撞率太高；而P -坚持C SM A [5]综合了这两种 协议的特点，在站点发送数据前对信道进行侦听，
若信道忙，则以一定的概率P 来决定是否继续侦 听；若信道空闲，则立即发送数据。

该协议可通 过调整侦听概率来达到一定的平衡，提升系统吞 吐量，从而保证通信传输效率。

M A T L A B 是一种数学软件，通过其运算与绘
收稿日期：
2017-01-03;修改日期：2017-04-18
基金项目：国家自然科学基金(61461053, 61461054)。

作者简介：徐智(1992-)，男，硕士生，主要从事通信与信息系统、随机多址通信系统、通信网络理论与控制协议方面的研究。

通信作者：丁洪伟（1964-)，男，博士，教授，主要从事通信与信息系统，轮询、随机多址通信系统方面的研究工作，
E-mail ： dhw-1964@ 163. com
图功能可以对通信协议的数学模型进行仿真，但 这些实验仅仅是对算法的理论进行结果验证，并 没有剖析其实现的原理与传输的过程。

而F P G A 作 为硬件化的一种表现，通过建立控制类型数字系 统为通信协议的硬件实现提供可行方式，将算法 中的控制原理体现在各个电路模块上，使节点传 输过程在硬件电路上得到体现。

针对现有通信协 议硬件设计[6-7]中信源模块与传输模块设计的不 足，本文运用F P G A 为P -坚持C SM A 协议的硬件 实现提供了可靠方案，首先运用M A T L A B 和Quar ­
t s II 两种软件设计出满足 P - 坚持 CSMA 协议算
法中所要求的信源模块；而后通过硬件电路描述 语言V erilog [8-9]和逻辑电路设计相结合的方法建 立稳定传输的电路，充分展现了 P -坚持C S M A 协 议算法中的控制策略；最终经过分析比较，得到
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该设计的测试结果与理论值一致，且该协议系统
的吞吐量以及平均功率优于其他一些M A C层协议,
而系统的高吞吐量和低功耗恰恰证实了该协议在
提升系统通信效率与减少节点传输能耗方面的功 能。

该设计在硬件方面的实现，是一个从理论联
系到实践的过程，对提高网络通信效率具有现实
意义，可广泛应用到无线传感器网络、物联网等
领域。

1协议相关描述
1.1吞吐量分析
P-坚持C SM A协议原理为当一个站点要发送
数据时，首先会对信道进行侦听，若信道处于空
闲状态，那么就立即发送数据；如果侦听到信道 忙，则会根据设定的概率P来决定是否继续侦听
信道。

图1 P -坚持CSMA协议模型图
如图1所示，U、B和I分别表示信道的信息
分组发送成功、信道冲突和信道空闲3个状态。

T p为一个信息分组的发送时间，B U为信息分组发
送成功和产生碰撞的联合事件；T…为出现忙时间
周期和空闲时间周期的一个循环周期；
在对协议算法分析前，对系统进行如下假设
与定义：
1)信道接入的方式为P -坚持C S M A协议, 并且信道上的信息分组到达过程都满足独立参数
为G的泊松分布[|0];
2)信道空闲的时隙长度为〜有分组发送时 的时隙长度为单位长度1,为a的整数倍；
3)吞吐量
E u
^B U+ ^I
在时间t内，信道上到达的信息分组数位^的
事件发生概率为：
P(n)=(G:)e_a⑴则在re个分组中，有m个分组以概率P坚持
发送信道的概率为：在一个传输期（1 + a)内，信道只有一个信息
分组发送的事件概率为：
q a= P( n= 1) = aG Pe-G P a(4)在一个传输期（1 + a)内，信道没有信息分组 要发送的概率为：
q〇1+a) = p( m=〇) =e-G P(1+a)(5)在一个传输期（1 + a)内，信道只有一个信息
分组，且下个时隙将发送的事件概率为：
q(1+a) =(1 + a)GPe-G P(1+a)(6)在一个传输周期（1 + a)的信道上连续z'个空闲
事件I的概率为：
p( N I= i) = (e-aGP)1-1(1 -e-aGP)(7)在一个传输周期（1+a)的信道上，连续j个 忙事件B U的概率为：
P(N bu= j) =(1 -e-(1+a)GP)J-1e-(1+a)G P(8)
上述两种事件联合概率为：
P{N1= i, N b u=j}= (e-aGP)i-1
(1 -e-aG P)(1 -e-(1+a)GP)J-V(1+a)G P(9)
在一个循环周期T p内，信道处于空闲状态所 占用的平均时隙数为：
(1〇)
1-e
同时信道忙碌的时隙数为：
E N b u(11)
在进行一个循环周期T p中，信息分组发送成 功有以下两种情况。

1)空闲期的最后一个时隙一个信息分组到 达，并且在下个时隙立即发送，该事件平均时隙 数为：
E
q a=
aGP e-aG P
1- q a= 1-e-a G P
(12)
2)忙周期到达，且是决定以概率P在下一个
时隙发送，该事件平均时隙数为：
E n U2 = (1+a) GP(13)
则信息分组发送成功总占用的平均时隙数为：
GP-aGP
E u=a e-GPa+(1+a)G P(14)
1-e
信道忙事件总占用的平均时隙数为：
(、_(GP〇m -G P,(2)
P(re)= m!e(2)
在一个空闲时隙a内，信道无分组发送的概
率为：
q〇a= jp(n=0) =e-G P a(3)
E= 1 +a(15)
E B U e-(1+a)G P(15)
信道空闲事件总占用的平均时隙数为：
E I= [E N,]a= 1^尸 (16)
1-
e
• 24 •
实验科学与技术2018年8月
p
综上所述，再
根
据"P B U + P I
持C SM A 协议的吞吐量表达式为：_ e -('+a )C P [ aGPe：a C P + (1 + a) GP(1 ~,可得到P -坚
统功率为：
Pr .P I
E T
MP i (20)
，）](1 + a ) GP (1-i (17)2)基于前面的分析，对系统进行的是
(I , B U , T )平均循环周期的划分，因此在一个平1.2平均功率分析
均传输周期内，信道发生碰撞的系统功率为：
为了求得系统功耗的数学表达式，对信道在P =
EnP + | M -! |P 1 (21)
以下3种不同状态下所需功率进行设定。

B B s l E b 0 r J
E T p
1)处于发送状态时功率为P s ;其中，
2)处于侦听状态时功率为P i ;E B = E B U - E U (1 + a)
(22)
3)处于接收状态时功率为P r 。

因此，在一个平均传输周期内,系统的平均系统功率也分为以下3种情况。

功率为：
1)假设系统中的节点总数为M ，当空闲时隙P A = P U + P B + P I (23)a 内决定发送分组的终端数量为1时，此时系统功 率为：
2
电路架构及核心模块设计-aGP GP
P s +(M -1)P r (18)
那么在一个平均传输周期内，分组成功发送 所需要的功率为：
E
P u
=E U [P s +(M — 1)P r]
(19)
当空闲时隙a 内无终端决定发送分组的时候, 所有终端站点都在侦听信道，系统功率为M P ,，则 在一个平均传输周期内，信道处于空闲状态的系
2. 1
电路架构
根据F P G A 自顶向下的设计特点，对P -坚持
C SM A 协议接入的通信系统的实现需要进行模块化 设计。

根据协议原理，在设计的过程中将系统划 分为数据存储、时隙长度控制、信息分组处理和 吞吐量检测4个模块。

图2为基于F P G A 的P -坚 持C SM A 协议设计的系统电路架构图。

图2系统电路架构图
从图2中可看到由M A T L A B 软件产生泊松数 需要借助其他软件生成泊松数据流。

据流引入到Quartus I I 软件中，经过数据存储模块 图3即初站点生成图，首先由M A T L A B 软件和时隙控制模块后生成信息站点；随后信息站点 中的泊松函数生成到达率为G 的泊松数据流，然的数据经过信息分组处理模块后可实现P -坚持 C S M A 的控制机理；吞吐量检测模块是对整个电路 的结果进行数量统计，便于计算系统传输过程中 的吞吐量；而根据吞吐量的理论值和统计值的比 较可判断硬件电路是否设计成功。

2.2数据存储模块
从P -坚持C SM A 协议的算法中已经得知，信 道上的信息分组到达过程都必须满足独立参数为G 后通过Q uartusH 中内核RO M 模块对该数据流进行 读写存储，将存储的泊松数据流经过8分频时钟控 制生成拟定的信息分组数据(1代表信道空闲，8代表 数据发送成功，9代表信息冲突），最终生成初 站点。

初站点
图3初站点生成图
的泊松分布，但是在Quartus I I 中并没有相关的内 2.3时隙长度控制模块
核或者模块能够产生泊松分布的数据流，因此就
由数据存储模块可以产生初站点，该站点的
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徐智，等：基于FPGA 的P -坚持CSMA 协议设计与实现
• 25 •
'‘
'到&率’
图7 P -坚持CSMA 协议与其他协议平均功率比较
到达率
图
6 P -
坚持
CSMA 协议与其他协议吞吐量比较
在系统平均功率的测试中，根据已设定的条 件，经仿真得到P -坚持C S M A 与其他协议系统的 平均功率对比图如图7所示。

从图中可知在系统到 达率变化范围内，P -坚持C S M A 协议系统始终比 其他两种M A C 协议的平均功率低，且系统平均功 率统计值均在理论值曲线上，证实了该协议能够 有效降低通信系统的能耗。

___________________________________________________|-»-P 坚持 C SMA
时隙 A loha -*■连续 A loha
时系统复位，高电平时系统正常工作，得到仿真 结果如图5所示。

图
5
系统仿真测试结果
如图5所示，U 为信道总线上数据传输成功事件 时隙的个数，为3 236。

在T =500呷，a =0.1, G =2, P =0.5, M =2, P K =70 mW , P r =40mW , P i =16mW 的条件下对该电路进行仿真，经计算，系统吞吐 量的仿真值为0. 470 7 ,与理论值0. 470 9相符; 根据系统吞吐量仿真值后，可计算系统仿真过程 中节点平均功率值为34.131 m W ,与理论值 34. 132 m W 相符，证明了该协议设计正确。

P -坚持C SM A 与其他协议系统的吞吐量理论 值与统计值的对比如图6所示，各M A C 层协议硬 件测试的吞吐量统计值点均在理论值曲线上。

从 图中可清晰看到P -坚持C SM A 协议不仅有着较高 的吞吐量，并且在系统到达率增大的情况下能保 持较高的吞吐量，展现了其较强的稳定性与实 用性。

数据流满足泊松分布；在P -坚持C S M A 协议中空
闲事件时隙长度为a ,而忙事件的时隙长度为单位1, 是a 的整数倍，但是初站点的数据流中空闲事件与 忙事件的时隙长度是一样的，并没有倍数关系, 因此需要对时隙长度进行控制。

图4即为F P G A 时隙长度控制模块，该模块由 异步F IF O 和反馈信号模块组成。

异步F IF O 对初 站点信息流进行读写控制；反馈信号模块具有监 测与延时功能，实际上是由一个计数器完成时隙 长度控制功能。

由于异步F IF O 模块读使能从有效 变为无效时，输出的信息会保持最后读到的数据, 根据这一特性，当反馈模块检测到初站点信息流 数据为忙碌数据时，暂停读使能，通过计数控制 恢复读使能的时间，这个恢复的时间就是忙碌事 件的时隙长度，故最终实现了时隙长度可控的 功能。

图
4 FPGA 时隙长度控制模块
2.4信息分组处理模块
已知信道中存在信道空闲和信道忙碌（成功与 碰撞的联合事件）两种状态。

在硬件实现过程中为 了体现这两种事件，将一个信息站点划分为空闲 站点和忙碌站点。

这两个站点数据分别来自MAT -
LAB 软件中两个泊松数据流， 到达率分别为 G 1 和
G 2
,且G 1 + G 2 = G ,这样一个到达率为G 的泊松
数据站点便生成了。

而信息分组处理模块根据信 道总线上实时数据1、8、9来选择性读取空闲或忙 碌站点的信息数据，这样系统即完成了侦听信道 的功能又实现了满足P -坚持协议控制的机理。

2.5吞吐量检测模块
该模块由计数器组成，对系统信息分组发送 成功的个数进行数值统计，然后根据成功个数所 占整个仿真时间的比例来计算吞吐量的仿真值。

3
实验结果与分析
运用Quartus II 9. 0进行综合与布局布线，系
统工作最小时钟周期为10 n s ,站点发送的信息长 度为8 b it ,空闲时隙a =0. 1,空闲信息所占时隙 长度为80 n s ,忙碌信息所占时隙长度为800 n s , 设定仿真时间为500 ms ,系统信息总到达率G =2,
G 1 =0.5,G 2 =0.75,选择性侦听概率P =0.5。

根据
以上系数设定进行电路仿真，复位信号r s t 低电平
^
s /d -^^i ^
t
• 26 •实验科学与技术2018年8月
5结束语
本文根据P-坚持C SM A协议的信息站点工作 特点与需求，运用F P G A对该策略接入控制协议的 系统进行设计。

该设计可适用于信息分组到达率 不断变化的现实通信系统中，能有效地减少信道 空闲资源的浪费与能量消耗，提高整个系统的通 信效益。

通过对设计的P-坚持C SM A协议的仿真 测试与实验统计分析，验证了所设计的硬件电路 能够按照协议规则实现相关控制功能，有效提高 信道利用率，减少能量消耗，且具有较强的稳定 性与实用性，可广泛应用于无线传感器网络[11]和移动通信网络[12]等领域。

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