無線通信鏈路數據的分布式融合存儲系統設計

張明輝， 張勁波

(廣東創新科技職業學院 信息工程學院， 廣東 東莞 523960)

0 引言

無線通信具有通信容量大、發射功率小、抗電磁干擾能力強等優勢[1]，廣泛應用于加密數據的通信過程中。無線鏈路作為無線通信的載體，對其存儲容量的研究與設計是極其必要的。大容量的無線鏈路數據存儲，能夠更加快速、準確地實現數據通信。

為提升無線鏈路系統的存儲容量，諸多學者進行了一系列研究，并設計了基于負載均衡數據存儲系統[2]、無線激光數據存儲系統[3]、基于流量密度的數據融合方法[4]等數據存儲方案。上述方案均能完成無線鏈路數據的通信任務，但數據結構的日益復雜、數據量的不斷增多[5]，在實際通信過程中這些方法均不能達到理想的數據存儲效果，嚴重限制了無線鏈路系統的進一步應用與發展。

針對上述問題，本研究采用了極大似然估計法，設計了一種無線通信鏈路數據的分布式融合存儲系統。設計系統硬件，在此基礎上構建無線鏈路數據的分布式融合存儲系統軟件框架。為驗證該系統的實際應用性能，進行仿真實驗，仿真結果表明該系統可以滿足無線通信鏈路數據的實時存儲與通信要求，有效提高了系統的數據存儲能力，且系統穩定性較好。

1 分布式融合存儲系統框架設計

無線通信鏈路數據作為一種異步數據，不具有線性特征，因此首先計算數據的節點，并將數據節點作為整合矩陣。利用極大似然估計法[6]，對數據矩陣進行融合計算，實現數據的分布式融合存儲。此次設計的無線通信數據分布式融合存儲系統整體框架，如圖1所示。

圖1 系統框架圖

由圖1可知，無線通信鏈路數據分布式融合存儲系統為三層架構，即業務應用層、平臺服務層和基礎存儲層。存儲平臺是整個系統的核心部分，其中，鏈路數據的分布式融合存儲形式如圖2所示。

圖2 鏈路數據存儲形式

如圖2所示，每個鏈路數據都是單獨存在的個體，面向整個系統呈隨機分布狀態，因此在系統設計中根據數據這一結構特征，使每個鏈路數據的存儲方式都以主節點引導融合的方式存儲。利用無線通信時，采取主節點負載傳輸的方式，將該節點上的所有數據面向無線鏈路進行通信，實現鏈路數據的快速通信。

2 分布式融合存儲系統硬件設計

2.1 存儲載體設計

此次系統設計是以硬盤為數據存儲載體，以其為存儲介質。無線鏈路數據到達SSD SATA 2.5電子硬盤時，傳輸速度可達150 bit/s，其數據的存儲格式如表1所示。

表1 電子硬盤數據存儲格式

表1中，G-1與G-2分別代表兩種不同指示符，無實際意義。將SSD SATA 2.5電子硬盤脫離系統主機安裝，并使硬盤的盤頭組件分離在硬盤內部，以獨立的形式存在，使數據在存儲時，系統的穩定性能可以達到最優。

2.2 多路選通開關設計

開關選擇SATA和ATA相結合的存儲芯片，采用高速串行傳輸方式，并將復雜的編碼方式和檢錯方法用于系統的核心控制機制中[7]。采用可編程邏輯器件將開關接入電路，并設置其載荷形式與選通特性。如表2所示。

表2 多路選通開關載荷形式與特性

如表2所示，多路選通開關的載荷形式具有一定的復雜特征，因此本次設計將物理電氣特性也作為考量標準。使用SATA開關實現并行ATA的設備協議，再將SATA與ATA協議轉換為芯片形式接入開關接口。

當開關處于閉合狀態時，系統內所有硬件被喚醒，處于隨時工作狀態，進而提高系統的數據存儲效率。當核心控制器派發數據存儲口令時[8]，多路選通開關首先判斷任務需求，若存儲任務為鏈路數據，則開關將同時閉合多個線路，并接入雙向轉接芯片。同時，多路選通開關能夠將這些存儲任務在ATA與SATA接口處分離出來，解析后轉換成單一任務形式，以命令的方式傳輸給外部裝置[9]。通過ATA與SATA結合多路選通開關，能夠實時傳輸未響應的無線鏈路數據，并經過自身的解碼處理，將數據存儲任務迅速傳輸給主機，進而達到快速存儲無線鏈路數據的目的。

2.3 控制電路設計

選用TMS320作為系統控制電路的核心處理芯片，該芯片的工作頻率高達150 MHz，具有32位內核處理器，采用總線結構接入系統，且外圍有多個分線形式的電路與之并聯，共同接入一個CPU內[10]。當控制電路的開關處于閉合狀態時，該總線結構能夠在一個工作周期內完成多個無線鏈路數據的讀取、傳輸、存儲任務。同時應用流水線技術，使得數據的存儲服務能夠在控制電路的傳輸過程中進一步完成，保證數據存儲的實時性與效率。

TMS320芯片接入系統的電路結構如圖3所示。

圖3 數據讀寫接口控制電路圖

由圖3可知，TMS320芯片為14位電路結構，其中，占主要結構位的是VSS和NC線路，其他電路數據由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，作為多路選通開關的備用傳輸載體。

當系統處于工作狀態時，控制電路接口直接與系統主機連接。同時，省去了插件環節，將系統的數據存儲要求直接通過控制電路傳輸至調試設備上，調試設備采用DSP連接，能夠達到30 MHz振動頻率[12]。當系統主機的振動頻率達到最高時，系統內部就會有大量空余位置，為無線鏈路數據的存儲提供充足的存儲條件，以滿足數據的高速存儲需求。

2.4 橋接電路設計

無線通信數據分布式融合存儲系統作為一種嵌入式系統，能夠在同一節點中完成無線鏈路數據的采集與存儲，此時橋接電路的設計就顯得尤為重要。橋接電路以SPIF215A芯片為核心[13]，通過USB與主機相連，并利用USB通道和1.5G SATA通道將無線鏈路數據傳輸至PC接口，以完成數據分析、計算與處理工作。

當橋接電路處于閉合狀態時，直接使用SSD SATA 2.5電子硬盤與PC機主板相連接，將無線鏈路數據融合存儲的過程看作一個數據矩陣的存儲過程。橋接電路的使用，大大減少了系統的數據存儲時間，并且利用標準接口進行數據傳輸。經計算，利用橋接電路進行數據傳輸時，最快速率達到560 MHz。同時，還能對無線鏈路數據的存儲方式進行歸類[14]，每一類數據選擇一種橋接電路傳輸，使結構大且復雜的數據先存入系統內。而小結構的數據存入大數據中，使得能在有限的系統空間內存儲更多無線鏈路數據。

3 分布式融合存儲系統軟件設計

利用極大似然估計法設計系統的軟件部分，并進行無線通信數據的分布式融合存儲推演，軟件的實現以硬件為載體。

3.1 確定無線鏈路時間配準

無線數據鏈路存儲周期具有一定的時間特征，若時間參數出現偏差，則會導致最終的數據存儲出現異常。因此利用最小二乘法[15]，對無線鏈路數據的時間參數進行配準，以使其偏差項為零。

設無線鏈路數據的采樣周期為T1，采樣次數為m，系統在T1周期內的時間同步次數為1。Tn代表數據的同步采樣周期。根據鏈路數據的采樣周期，得到基于最小二乘法的無線鏈路數據融合時間配準為式(1)。

(1)

確定時間配準條件，融合配準方差為式(2)。

(2)

式中，C代表無線鏈路數據的目標距離；Ci代表無線鏈路數據的方位角；var(C)代表數據融合方差；σ代表無線鏈路數據俯仰角。當var(C)取最小值時，即認為無線鏈路數據融合時間已配準，否則重新進行配準，直到融合配準方差為最小值。

將配準的分布式融合數據備份保存，為數據分布式融合存儲系數的計算提供準確的時間參數。

3.2 無線鏈路數據空間校準處理

將無線鏈路數據利用橋接電路進行傳輸，使其形成一個數據矩陣。將這個數據矩陣放到同一坐標系中進行數據空間校準處理。校準時，目標數據需經過多次空間坐標轉換，從無線鏈路數據的收集、整理、校準三個環節分別進行坐標轉換[16]，轉換過程如圖4所示。

圖4 無線鏈路數據坐標轉換過程示意圖

由圖4可知，無線鏈路數據收集主要包括數據定位和矩陣生成兩部分，只需獲取目標數據的距離、速度、方位角和角速度信息，并將這些參數作為空間坐標變換的固定量[17]，便能實現鏈路數據的獲取。經過坐標系轉換后，得到關于無線鏈路數據的空間校準位置，如式(3)。

(3)

式中，x、y、z分別代表鏈路數據空間橫坐標、縱坐標和高度坐標；a代表坐標轉換系數，此次計算只做參數引入，不做定向分析;h代表無線鏈路數據的空間校準位置。

得到無線鏈路數據的空間校準值后，再與本機的無線鏈路數據進行融合處理，將目標數據轉換為統一狀態參數下的校準函數，進而快速獲取無線鏈路數據的準確位置。

3.3 實現無線鏈路數據融合存儲

采用極大似然估計法對無線鏈路數據進行融合計算，將鏈路數據時間參數與空間校準值作為系數引入[18]，得到無線鏈路數據的融合方程為式(4)。

(4)

式中，γ代表數據的融合系數；d代表無線鏈路數據觀測值；Ri代表數據的狀態向量；θ為無線鏈路數據的傳輸角度。

結合極大似然估計法，將鏈路數據融合系數進行導出計算，進而得到數據融合存儲為式(5)。

(5)

式中，κ代表無線鏈路數據的存儲函數；Mj代表觀測矩陣；Ni為零均值。

在確定無線鏈路數據時間和空間校準值的基礎上，結合極大似然估計法，計算鏈路數據的融合系數，同時簡化計算步驟，實現無線通信鏈路數據的高效存儲。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗環境

為了驗證無線通信鏈路數據的分布式融合存儲系統的有效性，在NAND(NAND flash memory)環境下對無線鏈路數據進行分布式融合存儲仿真實驗。實驗過程中，無線鏈路數據來自于Storagcll數據庫中，采用的磁盤格式為cxt5。同時，為了增強實驗結果的說明性，對比參考文獻[2]、參考文獻[3]及參考文獻[4]的系統與本研究所提系統進行數據存儲實驗，對比系統所能容納的最大無線鏈路數據量。

采用二項分布來計算無線鏈路數據的存儲空間，如式(6)：

(6)

式中，k代表激光鏈路數據相同配置的概率；r代表數據屬性。根據式(6)的計算，鏈路數據分布式融合存儲時的速度和空間消耗如表3所示。

表3 實驗數據存儲速度及空間消耗

利用ARM軟件將系統存儲的鏈路數據進行收集與整理，并將結果導入MATLAB平臺內進行測試實驗。

4.2 數據存儲系統速度實驗

為驗證此次設計系統的存儲速度，對比本研究所提系統與上述3種系統存儲速度。代表存儲系統的最大并發數，完成目標數據并發數時，系統的用時越少，代表系統的數據存儲能力越高。如圖5所示。

圖5 不同存儲系統的最大并發數對比

由圖5可知，提出系統完成數據存儲任務僅需125 s，而其他三種系統完成數據存儲任務則超過250 s。因本研究所提系統在硬件控制電路的設計以及在軟件設計中對數據空間的校準處理，使數據存儲時間較其他傳統系統的數據存儲時間降低了125 s，說明該方法在數據存儲速度上具有優勢。

4.3 數據存儲系統穩定性實驗

數據存儲量是驗證存儲系統性能的重要指標，為進一步驗證本研究所提系統的存儲穩定性和有效性，基于上述實驗環境，對比其他三種系統的存儲效果。具體實驗結果如圖6所示。

由圖6可知，本研究所提系統進行無線鏈路數據存儲時，呈平穩的態勢逐漸增長，進而達到預期的存儲目標。而文獻[2]系統、文獻[3]系統、文獻[4]系統分別在3:00、17:00與11:00就已經出現了懈怠存儲的現象。經過上述分析，可以驗證無線通信鏈路數據的分布式融合存儲系統的穩定性和有效性，具備極強的數據存儲能力。

圖6 不同系統最大數據存儲量對比

5 總結

本研究設計的無線通信鏈路數據分布式融合存儲系統，構建系統框架。在優化的系統硬件基礎上，配準無線鏈路數據的時間參數，校準無線鏈路數據的坐標系空間狀態。結合極大似然估計法，進行融合存儲計算，完成無線通信鏈路數據存儲系統設計。采用極大似然估計法，并在仿真平臺內驗證了該系統的有效性，這對無線通信數據的存儲與傳輸提供了有利依據。未來將考慮無線通信數據傳輸的質量，進一步完善本研究。