无线通信链路数据的分布式融合存储系统设计

张明辉， 张劲波

(广东创新科技职业学院 信息工程学院， 广东 东莞 523960)

0 引言

无线通信具有通信容量大、发射功率小、抗电磁干扰能力强等优势[1]，广泛应用于加密数据的通信过程中。无线链路作为无线通信的载体，对其存储容量的研究与设计是极其必要的。大容量的无线链路数据存储，能够更加快速、准确地实现数据通信。

为提升无线链路系统的存储容量，诸多学者进行了一系列研究，并设计了基于负载均衡数据存储系统[2]、无线激光数据存储系统[3]、基于流量密度的数据融合方法[4]等数据存储方案。上述方案均能完成无线链路数据的通信任务，但数据结构的日益复杂、数据量的不断增多[5]，在实际通信过程中这些方法均不能达到理想的数据存储效果，严重限制了无线链路系统的进一步应用与发展。

针对上述问题，本研究采用了极大似然估计法，设计了一种无线通信链路数据的分布式融合存储系统。设计系统硬件，在此基础上构建无线链路数据的分布式融合存储系统软件框架。为验证该系统的实际应用性能，进行仿真实验，仿真结果表明该系统可以满足无线通信链路数据的实时存储与通信要求，有效提高了系统的数据存储能力，且系统稳定性较好。

1 分布式融合存储系统框架设计

无线通信链路数据作为一种异步数据，不具有线性特征，因此首先计算数据的节点，并将数据节点作为整合矩阵。利用极大似然估计法[6]，对数据矩阵进行融合计算，实现数据的分布式融合存储。此次设计的无线通信数据分布式融合存储系统整体框架，如图1所示。

图1 系统框架图

由图1可知，无线通信链路数据分布式融合存储系统为三层架构，即业务应用层、平台服务层和基础存储层。存储平台是整个系统的核心部分，其中，链路数据的分布式融合存储形式如图2所示。

图2 链路数据存储形式

如图2所示，每个链路数据都是单独存在的个体，面向整个系统呈随机分布状态，因此在系统设计中根据数据这一结构特征，使每个链路数据的存储方式都以主节点引导融合的方式存储。利用无线通信时，采取主节点负载传输的方式，将该节点上的所有数据面向无线链路进行通信，实现链路数据的快速通信。

2 分布式融合存储系统硬件设计

2.1 存储载体设计

此次系统设计是以硬盘为数据存储载体，以其为存储介质。无线链路数据到达SSD SATA 2.5电子硬盘时，传输速度可达150 bit/s，其数据的存储格式如表1所示。

表1 电子硬盘数据存储格式

表1中，G-1与G-2分别代表两种不同指示符，无实际意义。将SSD SATA 2.5电子硬盘脱离系统主机安装，并使硬盘的盘头组件分离在硬盘内部，以独立的形式存在，使数据在存储时，系统的稳定性能可以达到最优。

2.2 多路选通开关设计

开关选择SATA和ATA相结合的存储芯片，采用高速串行传输方式，并将复杂的编码方式和检错方法用于系统的核心控制机制中[7]。采用可编程逻辑器件将开关接入电路，并设置其载荷形式与选通特性。如表2所示。

表2 多路选通开关载荷形式与特性

如表2所示，多路选通开关的载荷形式具有一定的复杂特征，因此本次设计将物理电气特性也作为考量标准。使用SATA开关实现并行ATA的设备协议，再将SATA与ATA协议转换为芯片形式接入开关接口。

当开关处于闭合状态时，系统内所有硬件被唤醒，处于随时工作状态，进而提高系统的数据存储效率。当核心控制器派发数据存储口令时[8]，多路选通开关首先判断任务需求，若存储任务为链路数据，则开关将同时闭合多个线路，并接入双向转接芯片。同时，多路选通开关能够将这些存储任务在ATA与SATA接口处分离出来，解析后转换成单一任务形式，以命令的方式传输给外部装置[9]。通过ATA与SATA结合多路选通开关，能够实时传输未响应的无线链路数据，并经过自身的解码处理，将数据存储任务迅速传输给主机，进而达到快速存储无线链路数据的目的。

2.3 控制电路设计

选用TMS320作为系统控制电路的核心处理芯片，该芯片的工作频率高达150 MHz，具有32位内核处理器，采用总线结构接入系统，且外围有多个分线形式的电路与之并联，共同接入一个CPU内[10]。当控制电路的开关处于闭合状态时，该总线结构能够在一个工作周期内完成多个无线链路数据的读取、传输、存储任务。同时应用流水线技术，使得数据的存储服务能够在控制电路的传输过程中进一步完成，保证数据存储的实时性与效率。

TMS320芯片接入系统的电路结构如图3所示。

图3 数据读写接口控制电路图

由图3可知，TMS320芯片为14位电路结构，其中，占主要结构位的是VSS和NC线路，其他电路数据由COM引出[11]。此外，电路中的电阻分别连接主控芯片的I/O口和PC口，作为多路选通开关的备用传输载体。

当系统处于工作状态时，控制电路接口直接与系统主机连接。同时，省去了插件环节，将系统的数据存储要求直接通过控制电路传输至调试设备上，调试设备采用DSP连接，能够达到30 MHz振动频率[12]。当系统主机的振动频率达到最高时，系统内部就会有大量空余位置，为无线链路数据的存储提供充足的存储条件，以满足数据的高速存储需求。

2.4 桥接电路设计

无线通信数据分布式融合存储系统作为一种嵌入式系统，能够在同一节点中完成无线链路数据的采集与存储，此时桥接电路的设计就显得尤为重要。桥接电路以SPIF215A芯片为核心[13]，通过USB与主机相连，并利用USB通道和1.5G SATA通道将无线链路数据传输至PC接口，以完成数据分析、计算与处理工作。

当桥接电路处于闭合状态时，直接使用SSD SATA 2.5电子硬盘与PC机主板相连接，将无线链路数据融合存储的过程看作一个数据矩阵的存储过程。桥接电路的使用，大大减少了系统的数据存储时间，并且利用标准接口进行数据传输。经计算，利用桥接电路进行数据传输时，最快速率达到560 MHz。同时，还能对无线链路数据的存储方式进行归类[14]，每一类数据选择一种桥接电路传输，使结构大且复杂的数据先存入系统内。而小结构的数据存入大数据中，使得能在有限的系统空间内存储更多无线链路数据。

3 分布式融合存储系统软件设计

利用极大似然估计法设计系统的软件部分，并进行无线通信数据的分布式融合存储推演，软件的实现以硬件为载体。

3.1 确定无线链路时间配准

无线数据链路存储周期具有一定的时间特征，若时间参数出现偏差，则会导致最终的数据存储出现异常。因此利用最小二乘法[15]，对无线链路数据的时间参数进行配准，以使其偏差项为零。

设无线链路数据的采样周期为T1，采样次数为m，系统在T1周期内的时间同步次数为1。Tn代表数据的同步采样周期。根据链路数据的采样周期，得到基于最小二乘法的无线链路数据融合时间配准为式(1)。

(1)

确定时间配准条件，融合配准方差为式(2)。

(2)

式中，C代表无线链路数据的目标距离；Ci代表无线链路数据的方位角；var(C)代表数据融合方差；σ代表无线链路数据俯仰角。当var(C)取最小值时，即认为无线链路数据融合时间已配准，否则重新进行配准，直到融合配准方差为最小值。

将配准的分布式融合数据备份保存，为数据分布式融合存储系数的计算提供准确的时间参数。

3.2 无线链路数据空间校准处理

将无线链路数据利用桥接电路进行传输，使其形成一个数据矩阵。将这个数据矩阵放到同一坐标系中进行数据空间校准处理。校准时，目标数据需经过多次空间坐标转换，从无线链路数据的收集、整理、校准三个环节分别进行坐标转换[16]，转换过程如图4所示。

图4 无线链路数据坐标转换过程示意图

由图4可知，无线链路数据收集主要包括数据定位和矩阵生成两部分，只需获取目标数据的距离、速度、方位角和角速度信息，并将这些参数作为空间坐标变换的固定量[17]，便能实现链路数据的获取。经过坐标系转换后，得到关于无线链路数据的空间校准位置，如式(3)。

(3)

式中，x、y、z分别代表链路数据空间横坐标、纵坐标和高度坐标；a代表坐标转换系数，此次计算只做参数引入，不做定向分析;h代表无线链路数据的空间校准位置。

得到无线链路数据的空间校准值后，再与本机的无线链路数据进行融合处理，将目标数据转换为统一状态参数下的校准函数，进而快速获取无线链路数据的准确位置。

3.3 实现无线链路数据融合存储

采用极大似然估计法对无线链路数据进行融合计算，将链路数据时间参数与空间校准值作为系数引入[18]，得到无线链路数据的融合方程为式(4)。

(4)

式中，γ代表数据的融合系数；d代表无线链路数据观测值；Ri代表数据的状态向量；θ为无线链路数据的传输角度。

结合极大似然估计法，将链路数据融合系数进行导出计算，进而得到数据融合存储为式(5)。

(5)

式中，κ代表无线链路数据的存储函数；Mj代表观测矩阵；Ni为零均值。

在确定无线链路数据时间和空间校准值的基础上，结合极大似然估计法，计算链路数据的融合系数，同时简化计算步骤，实现无线通信链路数据的高效存储。

4 实验结果与分析

4.1 实验环境

为了验证无线通信链路数据的分布式融合存储系统的有效性，在NAND(NAND flash memory)环境下对无线链路数据进行分布式融合存储仿真实验。实验过程中，无线链路数据来自于Storagcll数据库中，采用的磁盘格式为cxt5。同时，为了增强实验结果的说明性，对比参考文献[2]、参考文献[3]及参考文献[4]的系统与本研究所提系统进行数据存储实验，对比系统所能容纳的最大无线链路数据量。

采用二项分布来计算无线链路数据的存储空间，如式(6)：

(6)

式中，k代表激光链路数据相同配置的概率；r代表数据属性。根据式(6)的计算，链路数据分布式融合存储时的速度和空间消耗如表3所示。

表3 实验数据存储速度及空间消耗

利用ARM软件将系统存储的链路数据进行收集与整理，并将结果导入MATLAB平台内进行测试实验。

4.2 数据存储系统速度实验

为验证此次设计系统的存储速度，对比本研究所提系统与上述3种系统存储速度。代表存储系统的最大并发数，完成目标数据并发数时，系统的用时越少，代表系统的数据存储能力越高。如图5所示。

图5 不同存储系统的最大并发数对比

由图5可知，提出系统完成数据存储任务仅需125 s，而其他三种系统完成数据存储任务则超过250 s。因本研究所提系统在硬件控制电路的设计以及在软件设计中对数据空间的校准处理，使数据存储时间较其他传统系统的数据存储时间降低了125 s，说明该方法在数据存储速度上具有优势。

4.3 数据存储系统稳定性实验

数据存储量是验证存储系统性能的重要指标，为进一步验证本研究所提系统的存储稳定性和有效性，基于上述实验环境，对比其他三种系统的存储效果。具体实验结果如图6所示。

由图6可知，本研究所提系统进行无线链路数据存储时，呈平稳的态势逐渐增长，进而达到预期的存储目标。而文献[2]系统、文献[3]系统、文献[4]系统分别在3:00、17:00与11:00就已经出现了懈怠存储的现象。经过上述分析，可以验证无线通信链路数据的分布式融合存储系统的稳定性和有效性，具备极强的数据存储能力。

图6 不同系统最大数据存储量对比

5 总结

本研究设计的无线通信链路数据分布式融合存储系统，构建系统框架。在优化的系统硬件基础上，配准无线链路数据的时间参数，校准无线链路数据的坐标系空间状态。结合极大似然估计法，进行融合存储计算，完成无线通信链路数据存储系统设计。采用极大似然估计法，并在仿真平台内验证了该系统的有效性，这对无线通信数据的存储与传输提供了有利依据。未来将考虑无线通信数据传输的质量，进一步完善本研究。