一种基于蜂窝Adhoc的芯片间无线互连系统组网方法

一种基于蜂窝Ad hoc的芯片间无线互连系统组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种PCB板上实现的芯片间无线互连系统，特别是涉及该系统的一种 组网方法。
【背景技术】
[0002] 当今计算机硬件电路日益复杂化，而传统的PCB板电路中，芯片间仍靠金属线互 连且管脚数目较多，随着电路集成度、工作频率和时钟速率的不断提高，芯片间互扰耦合将 越来越强，不仅占据大量面积，还引起了电路中功耗、延时、压降、电磁串扰等问题，严重制 约了高速集成电路的设计与制造。随着CMOS技术的发展，使得片上天线和射频电路的尺寸 越来越小，成本显著降低，诸多学者提出了芯片内/间无线互连技术，即采用射频/无线通 信方式取代传统金属互连线，实现芯片内/间某些功能模块的无线连接，有效缓解金属布 线和芯片管脚的极限问题。
[0003] 超宽带互连（UWB-I)技术因其具有低成本、低功耗、高带宽、结构简单、抗多径和 保密性强等特点，被广泛的应用于芯片内/间无线互连系统中，
[0004] 芯片内/间进行无线通信构成的局域网络则称为无线芯片域网络（WirelessChip AreaNetwork,WCAN)。
[0005] 目前国外研究者在三维垂直耦合技术、片上集成天线、无线互连通信技术等方面 取得了显著进展，但总体研究仍侧重于芯片内/间无线互连单一功能单一信道的发射与接 收，对于多用户网络的总体模型和通信机制并没有深入研究。虽然一些研究者提出了无线 片上网络（WiNoC，WirelessNetworkOnChip)的组网方案，但只是针对SoC设计的片内无 线网络架构，是在封装严实的单个芯片内集成的系统，且片内各处理核的位置相对固定，概 念上它属于WCAN中芯片内无线互连系统。
[0006] 附图1总结了PCB板上实现芯片间无线互连的优势，附图2则为PCB板上采用纯 无线代替有线连接的芯片间无线互连系统，将有助于解决PCB上传统共享总线结构并行和 扩展性差、延迟和功耗较高、通信效率低下的问题，同时可以减少芯片管脚数量，提高设计 灵活度。相比于SoC系统，其芯片布局是根据产品特点来设计的，将更加开放和灵活，从产 业化和实用化的角度来看，WCAN中芯片间无线互连系统组网方案的设计也极具研究价值。 因此，设计出一种适用于PCB板上芯片间无线互连系统的简洁高效的组网方法是十分必 要的。

【发明内容】

[0007] 本发明立足WCAN中PCB上芯片间无线互连的特殊应用场景，通过融合蜂窝通信系 统和Ad-hoc自组织网络的技术优势，并采用跨层协同设计的思想，提出一种可在PCB板上 实现无缝覆盖、网络结构灵活简单、通信协议宜于标准化、可靠性高且成本与能耗较低的芯 片间无线互连系统组网方法。
[0008] 为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案： 首先，如图3所示，为了实现无线信号在PCB板上的全范围覆盖，有效利用无线频谱资 源，将选择更节省空间面积，并能实现无缝连接的蜂窝结构进行网络覆盖，即将整个PCB板 划分为多个蜂窝小区，并通过不同频率加以区分；结合片上天线的功率特性和PCB板的常 用物理尺寸，从网络规划的角度研究并设计合理的芯片布局位置，并确定最优的蜂窝半径 以及频率复用方案。 其次，明确芯片间无线互连系统中节点的功能，并对其结构进行设计。如图3所示，以 单层PCB板上空间为传播环境，建立一般的网络通信模型。把需要进行无线互连的芯片看 作RF节点，且每个RF节点对应一个变频天线，该天线可以是单独设置的片上天线，也可以 是具有天线功能的芯片管脚。该方法采用纯无线互连方式实现芯片间通信，区别于纯有线 互连或采用有线和无线混合的网络架构，而且其研究成果也可推广至多层PCB板、电气设 备之间和无线片上网络组网的情形。 再次，进行网络通信模型的设计：将蜂窝通信和自组网技术的核心思想加以融合，取长 补短，抽取适用于WCAN的合理要素。在网络架构上保留蜂窝系统中MS-BS的无线接入结构， 结合Ad-hoc的多跳自组织思想，提出蜂窝与自组网结合的扁平化网络结构，构建基于蜂窝 覆盖的Ad-hoc无线芯片域网络模型。 最后，采用跨层协同设计方法，确定各层通信机制，并通过增加协议栈各层之间的垂直 交互来保证芯片间无线互连资源的高效利用和信息的可靠传输。
【附图说明】 [0009]
[0010] 图1为背景中提到的PCB板上实现芯片间无线互连的优势
[0011] 图2为背景中提到PCB板上实现的芯片间纯无线互连系统
[0012] 图3是本发明中基于蜂窝Ad-Hoc的PCB示意图；
[0013] 图4是本发明基于蜂窝覆盖的AdHoc-WCAN示意图；
[0014] 图5是本发明中每个芯片RF节点的结构设计图；
【具体实施方式】
[0015] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明 上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范 围。
[0016] 具体组网方案如图4所示，整个PCB板由多个大小相同的正六边形蜂窝状小区组 成，相邻小区使用不同的频率，并通过合理选取频分复用因子实现无缝覆盖，图示的是复用 因子为3的情形。
[0017] 在每个蜂窝小区中放置一定数量的芯片，该数目由芯片的面积，芯片间距离D及 小区半径R决定，一般情况下芯片面积要小于小区面积，而芯片间距离D为发送芯片的发射 天线到接收芯片的接收天线的距离。
[0018] 假设芯片的面积足够小，相比小区的面积可忽略不计，且每个小区中芯片间距离D 都是相同的，则编号为i的小区容纳的最大用户量队可由小区半径R及芯片间距离Di决定， J表示向下取整，则％=3><4+3/7/+1，但为了降低小区内干扰程度、减少 跳数，需令
[0019] 在具体组网时，R可根据PCB板的大小适当进行调整，蜂窝小区面积可表示 %
，若PCB板面积为SrcB，则可确定PCB板上可容纳的最大小区数k，其中
表示向上取整，若每小区中可容纳的最大芯片数目队确定，便可确定 整个PCB板上可容纳的最大芯片数C为
[0020] 参阅图5,对RF节点结构及功能进行设计说明：
[0021] 每个芯片可看做一个RF节点，除完成自身无线收发功能之外，还需附加路由、数 据存储、转发等功能。
[0022] 每个RF节点需配备一个RF接口模块和路由数据存储处理单元。
[0023] 其中RF接口模块由一个具有低功耗和低成本的UWB收发机和可变频的片上天线 组成。
[0024] RF节点的物理层引入IR-UWB中的TH-PPM多址调制技术，采用不同的伪随机跳时 码区分用户，可实现用户间同步传输。
[0025] 路由数据存储处理单元由路由决策、信道仲裁、虚拟缓存控制和流量控制等模块 组成。
[0026] 路由决策模块用于决定源节点到目的节点通信经过的路径，并根据相应的路由算 法确定以最小的跳数实现，最大限度的减少通信延迟；
[0027] 信道仲裁模块可通过设计相应的MAC协议完成，主要解决无线信道中节点竞争， 信道分配和信 号碰撞问题；
[0028] 本发明中，RF节点采用多信道接入机制，将控制信道与数据信道分离，改善网络的 整体性能：通过CSMA/CA的随机接入方式、RTS-CTS-Data-ACK握手机制和令牌环协议来适 应突发业务和网络用户容量变化的WCAN网络，避免节点间冲突。
[0029] 缓存控制模块采用虚拟通道技术实现，在其每个输入端口设有一定数目的缓存队 列，数据包可以分别存入不同的虚拟通道并轮流输出数据，从而避免死锁的发生；
[0030] 流量控制模块采用分布式流量控制策略，对数据流赋予不同的优先级，并在源端 进行数据流控制，调节注入WCAN中的数据速率，减少延迟并提高吞吐率。
[0031] 如图4所示，在具体布局时，芯片的位置是根据其功能和与其他芯片相互通信频 繁程度进行布局的，应尽量将相互通信比较频繁的节点安置在同一蜂窝小区，若节点数目 较多，则可放置在与其临近的同频小区；而不经常通信的节点不应放置在同一小区，应安置 在非同频小区中，且每个小区中芯片位置服从均匀分布，两两距离近似相等，并把相互关联 程度最高的芯片放置在中心位置作为小区的簇头，其他成员则视为簇成员。
[0032] 每个小区可视为一个簇，由一个处在中心的中央节点（簇头）及其周围的其他处 理节点（簇成员）组成。
[0033] 簇头一般为高级芯片（如CPU、数据处理中心），也可以是微型基站；
[0034] 簇成员一般是低级芯片、存储器、LED灯、预警装置、传感类芯片，也可是无线接口 或芯片管脚。
[0035] 每个小区中簇头和处在小区边缘簇成员的无线发射器可工作在不同频率，在具体 通信时可进行切换。
[0036] 每个小区的簇头具有双频率，即f?和F，其中f?用于小区内通信，F用于簇头间通信
[0037] 处在两小区边缘（不包含顶点）的节点具有双频率，即fl和f2,其中fl用于与小 区1中成员通信，f2用于相邻小区2中成员通信
[0038] 处在相邻三小区交界顶点的节点具有3种频率，即具有相邻三小区频率；小区一： n，小区二：f2,小区三：f3。
[0039] 对小区各节点频率切换的要求能方便快捷地找到目的节点并实现全网覆盖，需要 说明的是，当芯片布局合理的情况下，处在各小区边缘和交界顶点的芯片功能将变简单，例 如，处在两相邻非同频小区中的簇成员彼此不进行通信，则处在两小区边缘或3小区交界 顶点的节点将不再进行多频切换，只具有单一的频率，即所处小区的频率f。
[0040] 芯片以自组织的方式实现自动接入。对簇头和簇成员的分级管理机制采用分簇的 方法构造分级结构，实现分布式和集中控制的混合管理机制。
[0041] 同小区的簇成员（包括簇头）可以通过相同的小区频率f进行自组织的多跳通 f目。
[0042] 处在相邻不同频小区的簇成员间进行通信，需将两小区边缘的节点作为入口节点 并进行自组织传递。
[0043] 簇头除了可以与本小区簇成员进行多跳自组织通信之外，还具有与其他同频小区 的簇头进行通信的权限，且簇头节点间也是通过多跳方式通信。
[0044] 处在相邻同频小区的节点进行通信时，需将各自小区的簇头作为入口节点，通过 两级自组织多跳方式进行传递；
[0045] 如图4所示，基于蜂窝Adhoc的无线芯片域网络便形成了一个普通节点和高级节 点两级自组织结构的分级网络。
[0046] 采用跨层协同的设计方法对网络中物理层、数据链路层、网络层和传输层进行统 一协同管理，使得每层协议都能在系统整体约束和整体性能要求下进行联合优化设计，保 证网络性能的最优化和高灵活度。
[0047] 对于物理层和数据链路层相关设计已在[0024]和[0028]中提到。
[0048] 在路由算法的选择上，考虑到UWB芯片超强的定位功能，本发明将采用区域辅助 路由这种确定性路由算法，通过查询路由表的方式快速筛选出最短路径，减轻WCAN中控制 报文的数量，并确保数据包高效传送。
[0049] 路由算法基本策略是：首先对整个网络的路径进行合理的规划，为每对节点选择 一条最短路径并记录到路由表中，当节点进行通信时，数据包根据目标节点的位置查询路 由表，沿着事先确定的路径路由。
[0050] 针对不同芯片间通信的4种场景，路由算法在具体设计时还需按以下规定实现： ① 同一小区内的节点间通信，应选择跳数最小的路径，当跳数相同时，应尽量避免通过 簇头转发，以减轻簇头的负担。 ② 处在相邻同频小区的节点间进行通信时，需将各自小区的簇头作为入口节点，结合 ①计算出最小跳数实现数据的传递。 ③ 相邻的2个不同频小区的节点间通信时，需将2小区相邻边界的节点作为入口节点， 计算出最短路径。 ④ 相距较远的不同频小区的节点间通信时，需经过②③计算出最短路径。
[0051] 在流量控制策略上，本发明将依据上述网络架构采用令牌和分布式流量控制机制 实现对WCAN网络数据速率的监控。
[0052] 本发明中流量控制的基本思想为：采用一个分级控制机制，首先由一个全局控制 器收集整个WCAN网络的信息，获取网络全局的状态，并对数据流赋予不同的优先级，直接 实现对各小区簇头的控制管理，使数据流能尽快离开网络；当小区簇头接收到来自全局控 制器的分配指令后，采用逐步反馈的方式对其小区内每个簇成员的数据注入速率进性调 节，以使整个网络保持稳定状态。
[0053] 从图2和图4可以看到，采用蜂窝自组织的WCAN组网方式带来的好处包括：
[0054] ①以无线互连方式代替PCB板上传统有线互连结构，提高设计灵活度，尤其可以 减轻多层PCB板设计的复杂度。
[0055] ②自组织的方式类似WIFI中的自动配置，可实现芯片的自动接入，布网快捷，使 得WCAN的组网简单易行；
[0056] ③由于划分为蜂窝结构，实现无缝覆盖，使得组网具有通用性；
[0057] ④由于对PCB上芯片位置进行了合理的布局，优化了最短路径，显著减少了信号 传输的能耗和延时；
[0058] ⑤各小区的簇头可以在网络规划时指定，从而简化簇头选择的算法，同时簇成员 可以通过TDMA、CDMA等多址方案加以区别，各成员节点不需要维护复杂的路由信息，大大 减少了各类控制开销，降低了延迟和功耗；
[0059] ⑥各蜂窝小区之间可以采用同频复用等策略节省频率资源，使系统具有更好的可 扩充性；
[0060] ⑦片上天线的功率限制在很小的范围内，减少了功耗并保证了传输质量，还可以 统一设计，便于形成标准化规范。
[0061] 本方法的特点在于把Ad-hoc技术中分级的组网架构和分布式算法与蜂窝无线接 入方式相结合，使WCAN中芯片间无线互连能够像无线用户接入WIFI网络一样方便快速，并 实现网络的自组织运行和无缝覆盖。既能解决WCAN采用平面结构面临的网络规模受限的 问题，又避免了蜂窝系统多级管理不利于近距离通信的弊端。同时能够高效利用空间资源 和频率资源，提高网络总体吞吐量，降低网络延迟和能耗，减轻了网络拥塞程度，使得WCAN 的组网简单易行。为芯片无线互连技术的进一步实用化奠定理论基础，为今后工 业界在实 用化过程中进行无线节点设计标准化和芯片间无线组网设计提供技术参考。此外本发明所 采用的方案也可适用于多层PCB板电路，电气设备之间、WiNoC组网的设计。
[0062] 以上对本发明所提供的一种基于蜂窝Adhoc的芯片间无线互连系统组网方案进 行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人 员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种基于蜂窝Ad hoc的芯片间无线互连系统组网方法，该方法在PCB板上实现芯片 间纯无线互连组网，其特征在于，该方法组网过程如下： a) 将PCB板划分为多个蜂窝状小区并通过频分复用方式实现无缝覆盖； b) 在每个蜂窝小区中放置一定数量的芯片，并确定每个芯片节点的结构及功能； c) 对PCB上芯片的位置进行合理布局并确定每个小区中的簇头和簇成员； d) 芯片以自组织的方式实现自动接入，并通过对簇成员及簇头进行分布式和集中的混 合控制，实现对芯片间无线互连网络的分极化管理； e) 采用跨层协同设计方法，确定各层通信机制，并通过增加协议栈各层之间的垂直交 互来保证芯片间资源的高效利用和信息的可靠传输。2. 如权利要求1所述的组网方法，其特征是：在PCB板上采用纯无线互连方式实现芯 片间通信，区别于纯有线互连或采用有线和无线混合的网络架构。3. 如权利要求1所述的组网方法，其特征是：该方法适用于单层或多层PCB板、电气设 备之间和无线片上网络的组网。4. 如权利要求1中所述的组网方法，其特征是：将PCB板划分为多个大小相同的蜂窝 状小区并通过频分复用方式实现无缝覆盖，其中每个蜂窝小区的半径可根据PCB板的大小 合理进行调整，相邻小区通过不同频率加以区分，并通过合理选取频率复用因子实现无缝 覆盖。5. 如权利要求1中所述的组网方法，其特征是：在每个蜂窝小区中放置一定数量的芯 片，该数量由芯片的面积，芯片间距离D及小区半径R决定，其中D为发送芯片的发射天线 到接收芯片的接收天线的距离，正常情况下芯片面积要小于小区面积。6. 如权利要求1或5中所述的组网方法，其特征是：在芯片面积相比于小区面积足够 小，且各自小区中芯片间的距离D都相同时，编号为i的小区中容纳的最大用户量N i可由 小区半径尺及芯片间距离01决定，令《,.=|_及/9」，1_」表示向下取整，则％=3><?, 2+3%+1， 但为了降低小区内干扰程度、减少跳数，需令Iii < 2。7. 如权利要求1或6中所述的组网方法，其特征是：当每小区容纳的最大用户量Ni确 定后，便可求得PCB板上可容纳的最大用户数C = ，其中^ = 为PCB上可容 纳小区的最大个数，其中「1表示向上取整，SrcB为PCB板面积，为蜂窝小区面 积。8. 如权利要求1所述的组网方法，其特征是：每个芯片除完成自身的无线收发功能之 外，还需附加路由、数据存储、转发等功能，并以小的代价完成。9. 如权利要求1或8所述的组网方法，每个芯片的结构由一个RF接口模块和路由数 据存储单元组成，其中RF接口模块由一个低功耗和低成本的UWB收发机和变频片上天线组 成，路由数据存储单元由路由决策、信道仲裁、虚拟缓存和流量控制等模块组成。。10. 如权利要求1所述的组网方法，其特征在于：对芯片位置的布局中，芯片的位置是 根据其功能和与其他芯片相互通信频繁程度进行布局的；将相互通信比较频繁的节点放置 在同一小区或相邻的同频小区中，而不经常通信的节点安置在非同频小区中，且每个小区 中芯片位置服从均匀分布，两两距离近似相等，并把相互关联程度最高的芯片放在小区中 心位置作为小区的簇头，其他成员则视为簇成员。11. 如权利要求1或10所述的组网方法，其特征是：所述确定小区中簇头及簇成员中 采用分簇的方法构造分级结构，每个小区可视为一个簇，由簇头和簇成员组成，其中簇头为 高级芯片，如CPU、数据处理中心或微型基站；而簇成员可以是一些低级芯片、存储器、LED 灯、预警装置、传感类芯片、无线接口或芯片管脚；且每小区簇头和处在2小区边缘和3小区 交界顶点的簇成员可切换到不同频率下工作，并且其频率切换的要求有所不同。12. 如权利要求1或11所述的组网方法，其特征是：对小区各节点频率切换的要求能 方便快捷地找到目的节点并实现全网覆盖，而当芯片布局理想的情况下，还可以简化处在 各小区边缘和交界顶点的芯片频率切换功能。13. 如权利要求1或11所述的组网方法，其特征是：芯片以自组织的方式实现自动接 入，对簇头和簇成员的分级管理机制采用分簇的方法构造分级结构，实现分布式和集中控 制的混合管理机制，形成了一个普通节点和高级节点两级自组织结构的分级网络。14. 如权利要求1所述的组网方法，其特征是：采用跨层协同设计的方法，将对网络中 物理层、数据链路层、网络层和传输层进行统一协同管理，各层之间垂直交互，保证网络性 能的最优化和高灵活度。15. 如权利要求1或14所述的组网方法，其特征是：在对物理层、链路层、传输层的设 计中，可沿用目前IR-UWB中常用的多址调制技术，采用不同的伪随机码区分用户，并通过 CSMA/CA载波监听、RTS-CTS-Data-ACK握手机制和令牌环协议来适应突发业务和网络用户 容量变化的WCAN网络，控制网络中流量注入速率，避免节点间冲突。16. 如权利要求1或14所述的组网方法，其特征是：在对网络层方案的设计中，基于 UWB芯片超强的定位功能，采用驱动路由表方式的区域辅助路由算法，并针对不同芯片间通 信的4种场景，快速筛选出最短路径，实现数据包的高效传送；这四种场景包括： ① 同一小区内的节点间通信，应选择跳数最小的路径，当跳数相同时，避免通过簇头转 发； ② 处在相邻同频小区的节点间进行通信时，需将各自小区的簇头作为入口节点，结合 ①计算出最小跳数实现数据的传递； ③ 相邻的2个不同频小区的节点间通信时，需将2小区相邻边界的节点作为入口节点， 计算出最短路径； ④ 相距较远的不同频小区的节点间通信时，需经过②③计算出最短路径。
【专利摘要】本发明提供了一种芯片间无线互连系统的组网方法，基于蜂窝Ad hoc技术和跨层协同设计的先进理念提出了一种可在PCB板上实现无缝覆盖、网络结构灵活简单、通信协议宜于标准化、可靠性高且成本与能耗较低的芯片间无线互连系统组网方法。通过对芯片节点功能的设计以及网络架构的设计使得芯片间无线互连能够像无线用户接入WIFI网络一样方便快速，为芯片无线互连技术的进一步实用化奠定理论基础，同时为今后工业界在实用化过程中进行无线节点设计标准化和芯片间无线组网设计提供技术参考。此外本发明所采用的方法也可适用于多层PCB板电路，电气设备之间、WiNoC组网的设计。
【IPC分类】H04W16/18, H04W84/18, H04B1/7163, G06F15/173
【公开号】CN104883694
【申请号】CN201410292596
【发明人】李学华, 王宜文
【申请人】北京信息科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年6月24日