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摘要：為解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)存在速度較低、容量較小且運行不穩(wěn)定的問題，設計了無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲系統(tǒng)，分析了無線通信鏈路數(shù)據(jù)特征，并構建了系統(tǒng)硬件與軟件框架。系統(tǒng)硬件方面優(yōu)化設計了電子硬盤、多路選通開關、控制電路和橋接電路；系統(tǒng)軟件為設計的核心部分，使用最小二乘法配準無線鏈路數(shù)據(jù)的時間參數(shù)，校準鏈路數(shù)據(jù)的坐標系空間狀態(tài)，在無線鏈路數(shù)據(jù)的時間參數(shù)和空間校準值的基礎上，結合極大似然估計法，進行融合存儲計算。經(jīng)對比實驗驗證，該系統(tǒng)提高了無線通信鏈路數(shù)據(jù)存儲速度，存儲過程中運行穩(wěn)定性高，與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具備較大的優(yōu)勢。

關鍵詞：無線通信；分布式融合存儲；鏈路數(shù)據(jù)；極大似然估計；系統(tǒng)設計

無線通信具有通信容量大、發(fā)射功率小、抗電磁干擾能力強等優(yōu)勢［1］，廣泛應用于加密數(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(shù)據(jù)存儲，能夠更加快速、準確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為提升無線鏈路系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)［2］、無線激光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)［3］、基于流量密度的數(shù)據(jù)融合方法［4］等數(shù)據(jù)存儲方案。上述方案均能完成無線鏈路數(shù)據(jù)的通信任務，但數(shù)據(jù)結構的日益復雜、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲效果，嚴重限制了無線鏈路系統(tǒng)的進一步應用與發(fā)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(shù)據(jù)的分布式融合存儲系統(tǒng)。設計系統(tǒng)硬件，在此基礎上構建無線鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲系統(tǒng)軟件框架。為驗證該系統(tǒng)的實際應用性能，進行仿真實驗，仿真結果表明該系統(tǒng)可以滿足無線通信鏈路數(shù)據(jù)的實時存儲與通信要求，有效提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

1分布式融合存儲系統(tǒng)框架設計

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，因此首先計算數(shù)據(jù)的節(jié)點，并將數(shù)據(jù)節(jié)點作為整合矩陣。利用極大似然估計法［6］，對數(shù)據(jù)矩陣進行融合計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式融合存儲。此次設計的無線通信數(shù)據(jù)分布式融合存儲系統(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)分布式融合存儲系統(tǒng)為三層架構，即業(yè)務應用層、平臺服務層和基礎存儲層。存儲·601·平臺是整個系統(tǒng)的核心部分，其中，鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲形式如圖2所示。如圖2所示，每個鏈路數(shù)據(jù)都是單獨存在的個體，面向整個系統(tǒng)呈隨機分布狀態(tài)，因此在系統(tǒng)設計中根據(jù)數(shù)據(jù)這一結構特征，使每個鏈路數(shù)據(jù)的存儲方式都以主節(jié)點引導融合的方式存儲。利用無線通信時，采取主節(jié)點負載傳輸?shù)姆绞?，將該?jié)點上的所有數(shù)據(jù)面向無線鏈路進行通信，實現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)的快速通信。

2分布式融合存儲系統(tǒng)硬件設計

2．1存儲載體設計

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

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(tǒng)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。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(xiàn)并行ATA的設備協(xié)議，再將SATA與ATA協(xié)議轉換為芯片形式接入開關接口。當開關處于閉合狀態(tài)時，系統(tǒng)內(nèi)所有硬件被喚醒，處于隨時工作狀態(tài)，進而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲效率。當核心控制器派發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，并經(jīng)過自身的解碼處理，將數(shù)據(jù)存儲任務迅速傳輸給主機，進而達到快速存儲無線鏈路數(shù)據(jù)的目的。

2．3控制電路設計

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150MHz，具有32位內(nèi)核處理器，采用總線結構接入系統(tǒng)，且外圍有多個分線形式的電路與之并聯(lián)，共同接入一個CPU內(nèi)［10］。當控制電路的開關處于閉合狀態(tài)時，該總線結構能夠在一個工作周期內(nèi)完成多個無線鏈路數(shù)據(jù)的讀取、傳輸、存儲任務。同時應用流水線技術，使得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲的實時性與效率。TMS320芯片接入系統(tǒng)的電路結構如圖3所示。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(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，作為多路選通開關的備用傳輸載體。當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，控制電路接口直接與系統(tǒng)主機連接。同時，省去了插件環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲要求直接通過控制電路傳輸至調(diào)試設備上，調(diào)試設備采用DSP連接，能夠達到30MHz振動頻率［12］。當系統(tǒng)主機的振動頻率達到最高時，系統(tǒng)內(nèi)部就會有大量空余位置，為無線鏈路數(shù)據(jù)的存儲提供充足的存儲條件，以滿足數(shù)據(jù)的高速存儲需求。

2．4橋接電路設計

無線通信數(shù)據(jù)分布式融合存儲系統(tǒng)作為一種嵌入式系統(tǒng)，能夠在同一節(jié)點中完成無線鏈路數(shù)據(jù)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1．5GSATA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、計算與處理工作。當橋接電路處于閉合狀態(tài)時，直接使用SSDSATA2．5電子硬盤與PC機主板相連接，將無線鏈路數(shù)據(jù)融合存儲的過程看作一個數(shù)據(jù)矩陣的存儲過程。橋接電路的使用，大大減少了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲時間，并且利用標準接口進行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)計算，利用橋接電路進行數(shù)據(jù)傳輸時，最快速率達到560MHz。同時，還能對無線鏈路數(shù)據(jù)的存儲方式進行歸類［14］，每一類數(shù)據(jù)選擇一種橋接電路傳輸，使結構大且復雜的數(shù)據(jù)先存入系統(tǒng)內(nèi)。而小結構的數(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)存儲更多無線鏈路數(shù)據(jù)。

3分布式融合存儲系統(tǒng)軟件設計

利用極大似然估計法設計系統(tǒng)的軟件部分，并進行無線通信數(shù)據(jù)的分布式融合存儲推演，軟件的實現(xiàn)以硬件為載體。

3．1確定無線鏈路時間配準

無線數(shù)據(jù)鏈路存儲周期具有一定的時間特征，若時間參數(shù)出現(xiàn)偏差，則會導致最終的數(shù)據(jù)存儲出現(xiàn)異常。因此利用最小二乘法［15］，對無線鏈路數(shù)據(jù)的時間參數(shù)進行配準，以使其偏差項為零。設無線鏈路數(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)融合時間配準為式（1）。C＝2n∑ni＝1（Tn－T1）i＋Cin＋［］1（1）確定時間配準條件，融合配準方差為式（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var（C）取最小值時，即認為無線鏈路數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)備份保存，為數(shù)據(jù)分布式融合存儲系數(shù)的計算提供準確的時間參數(shù)。

3．2無線鏈路數(shù)據(jù)空間校準處理

將無線鏈路數(shù)據(jù)利用橋接電路進行傳輸，使其形成一個數(shù)據(jù)矩陣。將這個數(shù)據(jù)矩陣放到同一坐標系中進行數(shù)據(jù)空間校準處理。校準時，目標數(shù)據(jù)需經(jīng)過多次空間坐標轉換，從無線鏈路數(shù)據(jù)的收集、整理、校準三個環(huán)節(jié)分別進行坐標轉換［16］，轉換過程如圖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)作為空間坐標變換的固定量［17］，便能實現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)的獲取。經(jīng)過坐標系轉換后，得到關于無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準位置，如式（3）。（3）式中，x、y、z分別代表鏈路數(shù)據(jù)空間橫坐標、縱坐標和高度坐標；a代表坐標轉換系數(shù)，此次計算只做參數(shù)引入，不做定向分析；h代表無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準位置。得到無線鏈路數(shù)據(jù)的空間校準值后，再與本機的無線鏈路數(shù)據(jù)進行融合處理，將目標數(shù)據(jù)轉換為統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)下的校準函數(shù)，進而快速獲取無線鏈路數(shù)據(jù)的準確位置。

3．3實現(xiàn)無線鏈路數(shù)據(jù)融合存儲

采用極大似然估計法對無線鏈路數(shù)據(jù)進行融合計算，將鏈路數(shù)據(jù)時間參數(shù)與空間校準值作為系數(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(shù)據(jù)的融合系數(shù)，同時簡化計算步驟，實現(xiàn)無線通信鏈路數(shù)據(jù)的高效存儲。

4實驗結果與分析

4．1實驗環(huán)境

為了驗證無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲系統(tǒng)的有效性，在NAND（NANDflashmemory）環(huán)境下對無線鏈路數(shù)據(jù)進行分布式融合存儲仿真實驗。實驗過程中，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，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(tǒng)與本研究所提系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲實驗，對比系統(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)存儲的鏈路數(shù)據(jù)進行收集與整理，并將結果導入MATLAB平臺內(nèi)進行測試實驗。

4．2數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)速度實驗

為驗證此次設計系統(tǒng)的存儲速度，對比本研究所提系統(tǒng)與上述3種系統(tǒng)存儲速度。代表存儲系統(tǒng)的最大并發(fā)數(shù)，完成目標數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)時，系統(tǒng)的用時越少，代表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力越高。如圖5所示。由圖5可知，提出系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲任務僅需125s，而其他三種系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲任務則超過250s。因本研究所提系統(tǒng)在硬件控制電路的設計以及在軟件設計中對數(shù)據(jù)空間的校準處理，使數(shù)據(jù)存儲時間較其他傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲時間降低了125s，說明該方法在數(shù)據(jù)存儲速度上具有優(yōu)勢。

4．3數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗

數(shù)據(jù)存儲量是驗證存儲系統(tǒng)性能的重要指標，為進一步驗證本研究所提系統(tǒng)的存儲穩(wěn)定性和有效性，基于上述實驗環(huán)境，對比其他三種系統(tǒng)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(tǒng)進行無線鏈路數(shù)據(jù)存儲時，呈平穩(wěn)的態(tài)勢逐漸增長，進而達到預期的存儲目標。而文獻［2］系統(tǒng)、文獻［3］系統(tǒng)、文獻［4］系統(tǒng)分別在3：00、17：00與11：00就已經(jīng)出現(xiàn)了懈怠存儲的現(xiàn)象。經(jīng)過上述分析，可以驗證無線通信鏈路數(shù)據(jù)的分布式融合存儲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，具備極強的數(shù)據(jù)存儲能力。

5總結

本研究設計的無線通信鏈路數(shù)據(jù)分布式融合存儲系統(tǒng)，構建系統(tǒng)框架。在優(yōu)化的系統(tǒng)硬件基礎上，配準無線鏈路數(shù)據(jù)的時間參數(shù)，校準無線鏈路數(shù)據(jù)的坐標系空間狀態(tài)。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(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設計。采用極大似然估計法，并在仿真平臺內(nèi)驗證了該系統(tǒng)的有效性，這對無線通信數(shù)據(jù)的存儲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，進一步完善本研究。

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