李學(xué)華，張永斌，王宜文

（北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100101）

研究與開發(fā)

無(wú)線芯片域網(wǎng)絡(luò)中PCB上的組網(wǎng)策略

李學(xué)華，張永斌，王宜文

（北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100101）

針對(duì)無(wú)線芯片域網(wǎng)絡(luò)（wireless chip area network，WCAN）中PCB上芯片內(nèi)/間高速無(wú)線互連場(chǎng)景，提出了基于蜂窩Ad Hoc的組網(wǎng)策略，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)模型、無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、多址接入、路由和流量控制策略展開研究，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)無(wú)線Mesh組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，得到比其更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)、更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下也能保持較低的分組丟失率。驗(yàn)證了所提策略的優(yōu)越性，對(duì)今后WCAN組網(wǎng)架構(gòu)的研究及未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

5G技術(shù)；芯片無(wú)線互連；蜂窩自組網(wǎng)；無(wú)線芯片域網(wǎng)絡(luò)；PCB

1 引言

伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，5G技術(shù)研究熱潮持續(xù)升溫，未來(lái)的移動(dòng)通信不再只是人與人之間的通信，還將擴(kuò)展到人與物、海量傳感器件間、智能芯片間、機(jī)器間（M2M）、設(shè)備間（D2D）的智能互聯(lián)，并將超越前者占據(jù)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%以上［1］。目前5G技術(shù)的研究主要集中在密集網(wǎng)絡(luò)、終端直通技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、高頻段通信、新型多天線多分布式傳輸技術(shù)等方向，旨在將現(xiàn)有4G速率提高10～1 000倍、時(shí)延降低5～10倍，并實(shí)現(xiàn)低能耗、高頻譜效率的無(wú)線通信［1，2］。近年來(lái)基于高頻段UWB和60 GHz毫米波的芯片內(nèi)/間無(wú)線互連技術(shù)愈發(fā)趨于成熟［3-5］，將為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供一定的技術(shù)支持，今后具有無(wú)線收發(fā)及路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的可集成芯片將作為“無(wú)線接口”實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互連。

芯片內(nèi)/間無(wú)線互連技術(shù)，即采用射頻/無(wú)線通信方式取代傳統(tǒng)金屬互連線，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)/間某些功能模塊的無(wú)線連接，可有效緩解金屬布線和芯片管腳的極限問(wèn)題，并能集成在終端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互連。其中高頻段超寬帶互連（ultra wideband interconnection，UWB-I）和60 GHz毫米波技術(shù)因其具有低成本、低功耗、高帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗多徑和保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于芯片內(nèi)/間無(wú)線互連系統(tǒng)中［3-5］，而芯片內(nèi)/間進(jìn)行無(wú)線通信所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)則稱為無(wú)線芯片域網(wǎng)絡(luò)（wireless chip area network，WCAN）［3］。WCAN的提出為5G超密集網(wǎng)絡(luò)提供了具體的應(yīng)用場(chǎng)景，如實(shí)現(xiàn)集成電路內(nèi)部、PCB板上芯片內(nèi)/間、SoC內(nèi)多處理核間、智能家電間、手機(jī)終端間高速無(wú)線互連及高效組網(wǎng)。

本文將主要針對(duì)WCAN中PCB板上芯片內(nèi)/間高速無(wú)線互連（WCAN-PCB）場(chǎng)景，研究高效的組網(wǎng)方法，旨在解決PCB上傳統(tǒng)共享總線結(jié)構(gòu)并行和擴(kuò)展性差、延遲和功耗較高、通信效率低下的問(wèn)題，通過(guò)引入蜂窩自組網(wǎng)技術(shù)，探究一種適應(yīng)于WCAN-PCB的簡(jiǎn)潔高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)模型、無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、多址接入和流量控制策略展開研究。

2 WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及RF節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于解決以下問(wèn)題：芯片節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、多址接入機(jī)制，無(wú)線路由能力、通信容量、功耗、面積占用和成本。事實(shí)上，WCAN-PCB可看作一個(gè)微小范圍內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)與無(wú)線傳感網(wǎng)的融合，但它又具有一定的特殊性，如各芯片間傳輸距離通常在mm和cm級(jí)，芯片內(nèi)各處理核之間甚至在μm級(jí)，且數(shù)據(jù)傳輸速率通常保持在Gbit/s級(jí)以上，可靠性要求高，同時(shí)還要保證良好的硬件實(shí)現(xiàn)性、低功耗和盡可能小的面積體積占用。

目前一些研究者提出了基于Mesh架構(gòu)的無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)（wireless network-on-chip，WNoC）設(shè)計(jì)方案，可提高傳統(tǒng)NoC（network-on-chip）網(wǎng)絡(luò)的吞吐容量，并減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞度［6，7］。但這些方案采用的是平面自組織架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限，信令開銷過(guò)多，仲裁制度不完善，而且是針對(duì)SoC（system-on-chip）設(shè)計(jì)的新型片上無(wú)線通信系統(tǒng)，屬于WCAN-PCB中芯片內(nèi)無(wú)線互連的范疇。對(duì)于在PCB上建立的芯片間無(wú)線互連系統(tǒng)，其芯片布局是根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，比SoC的布局更加開放和靈活。本文將對(duì)WCAN-PCB組網(wǎng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以單層PCB板上空間為傳播環(huán)境，每個(gè)芯片額外增加一個(gè)具有無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲(chǔ)和路由功能的RF模塊，這樣便可根據(jù)芯片各自功能對(duì)其合理布局，并通過(guò)一跳或多跳的方式完成與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信，不僅減少了有線布線復(fù)雜的困擾，還提高了主板設(shè)計(jì)的靈活性。

基于上述RF節(jié)點(diǎn)功能的要求，將對(duì)其組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示，每個(gè)RF節(jié)點(diǎn)需配備一個(gè)RF接口模塊和路由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理單元。其中RF接口模塊由一個(gè)具有低功耗和低成本的UWB收發(fā)機(jī)和可變頻的UWB或60 GHz毫米波片上天線組成，而路由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理單元由路由決策、信道仲裁、緩存和流量控制等模塊組成［8］。其中RF接口模塊用于信號(hào)的發(fā)送、接收及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程；路由決策模塊用于決定源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通信經(jīng)過(guò)的路徑，并根據(jù)相應(yīng)的路由算法確定以最小的跳數(shù)實(shí)現(xiàn)，最大限度地減少通信時(shí)延；信道仲裁可通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的MAC協(xié)議完成，主要解決無(wú)線信道中節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)、信道分配和信號(hào)碰撞問(wèn)題；緩存控制模塊則采用虛擬通道技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在其每個(gè)輸入端口設(shè)有數(shù)目一定的緩存隊(duì)列，數(shù)據(jù)分組可以分別存入不同的虛擬通道并輪流輸出數(shù)據(jù)，以避免死鎖的發(fā)生；而流量控制模塊則通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流賦予不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的控制，調(diào)節(jié)注入WCAN-PCB中的數(shù)據(jù)速率，以減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。具體通信時(shí)芯片可通過(guò)調(diào)節(jié)功率范圍，以廣播方式向其傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，并通過(guò)一跳或多跳方式實(shí)現(xiàn)與板上目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB組網(wǎng)方案

遵循目前WNoC組網(wǎng)和通信機(jī)制設(shè)計(jì)的先進(jìn)思想，同時(shí)吸收Ad Hoc技術(shù)在短距離高速組網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)以及蜂窩無(wú)縫覆蓋的特點(diǎn)［9-11］，本文將建立基于蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB組網(wǎng)模型（Cadhoc）?；舅悸肥牵簩d Hoc技術(shù)中分簇分層的組網(wǎng)架構(gòu)和分布式算法與蜂窩無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)WCAN的自組織運(yùn)行和無(wú)縫覆蓋。這種組網(wǎng)方式既能解決目前采用平面結(jié)構(gòu)面臨的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限的問(wèn)題，又避免了蜂窩系統(tǒng)多級(jí)管理不利于近距離通信的弊端，還可以將片上天線的功率限制在很小范圍，使WCAN-PCB中無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的通信變得簡(jiǎn)潔高效。

圖1 RF節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)架

3.1 蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB模型

具體組網(wǎng)方案如圖2所示，將整個(gè)PCB板劃分成多個(gè)大小相同的正六邊形蜂窩狀小區(qū)并實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋，相鄰小區(qū)通過(guò)使用不同的頻率減少彼此干擾，并引入頻率復(fù)用技術(shù)節(jié)省頻率資源，圖2為復(fù)用因子為3的情形。而且每個(gè)小區(qū)所容納的最大用戶量可由小區(qū)半徑R及各芯片間距離D（芯片的發(fā)射天線到接收芯片的接收天線的距離）決定，一般情況下芯片面積要足夠小于小區(qū)面積，且每個(gè)小區(qū)中芯片間距離D都近似相同（便于實(shí)現(xiàn)功率控制），則編號(hào)為i的小區(qū)容納的最大用戶量Ni可由小區(qū)半徑R及芯片間距離Di決定。令ni=■R/Di」，■」表示向下取整，則Ni=3ni2+3ni+1。但為了降低小區(qū)內(nèi)干擾程度、減少通信跳數(shù)，需令ni≤2。在具體組網(wǎng)時(shí)，R可根據(jù)PCB板的大小適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，蜂窩小區(qū)面積可表示為，若PCB板面積為SPCB，則可確定PCB板上可容納的最大小區(qū)數(shù)k=表示向上取整，若每小區(qū)中可容納的最大芯片數(shù)目Ni確定，便可確定整個(gè)PCB板上可容納的最大芯片數(shù)為

另外，每個(gè)小區(qū)由一個(gè)處在中心的中央節(jié)點(diǎn)（簇頭）及其周圍的其他處理節(jié)點(diǎn)（簇成員）組成。在具體布局時(shí)，芯片位置的選取主要依賴其所具備的功能以及與其他芯片通信的頻繁程度，目的是優(yōu)化傳輸路徑，減少信號(hào)傳輸?shù)哪芎暮蜁r(shí)延。應(yīng)盡量將相互通信比較頻繁的節(jié)點(diǎn)安放在同一小區(qū)，若節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，則可放置在與其相鄰的同頻小區(qū)，而不經(jīng)常通信的節(jié)點(diǎn)不應(yīng)放置在同一小區(qū)，一般放置在非同頻小區(qū)中，且每個(gè)小區(qū)中芯片位置服從均勻分布，兩兩距離近似相等，并把高級(jí)節(jié)點(diǎn)或相互通信頻率最高的芯片放置在中心位置作為小區(qū)的簇頭，其他成員則視為簇成員。其中簇頭一般為高級(jí)芯片（如CPU、數(shù)據(jù)處理中心），也可以是微型基站，用于統(tǒng)一協(xié)調(diào)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和資源分配；簇成員一般是低級(jí)芯片、存儲(chǔ)器、LED燈、預(yù)警裝置、傳感類芯片，也可是無(wú)線接口或芯片管腳。

圖2 基于蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

每小區(qū)中簇頭和處在小區(qū)邊緣的簇成員節(jié)點(diǎn)可工作在不同頻率，如簇頭具有雙頻率f和F，除了可以與同小區(qū)成員進(jìn)行多跳的通信之外，還能與其他同頻小區(qū)簇頭進(jìn)行通信，其中f用于小區(qū)內(nèi)通信，F(xiàn)用于同頻小區(qū)簇頭間通信；處在兩小區(qū)邊緣（不包含頂點(diǎn)）的簇成員節(jié)點(diǎn)也具有雙頻率f1和f2，其中f1用于與小區(qū)1中成員通信，f2用于相鄰小區(qū)2中成員通信；而處在相鄰三小區(qū)交界頂點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)具有3種頻率可實(shí)現(xiàn)與之相鄰的3個(gè)小區(qū)簇成員之間的通信。在具體通信時(shí)，這3類具有多頻工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口，通過(guò)相應(yīng)的頻率切換機(jī)制完成數(shù)據(jù)分組的分組轉(zhuǎn)發(fā)和自組織多跳通信，這樣便形成了一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和高級(jí)節(jié)點(diǎn)兩級(jí)自組織結(jié)構(gòu)的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)，類似Wi-Fi中的自動(dòng)配置，使得WCAN-PCB的組網(wǎng)簡(jiǎn)單易行。需要說(shuō)明的是，在芯片布局合理的情況下，處在各小區(qū)邊緣和交界頂點(diǎn)的芯片功能將變簡(jiǎn)單，可不用進(jìn)行多頻切換。

3.2 基于蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB通信機(jī)制

為了解決網(wǎng)絡(luò)中多用戶接入時(shí)產(chǎn)生的多址干擾、信道競(jìng)爭(zhēng)、資源共享、節(jié)能和流量控制等問(wèn)題，本文將基于蜂窩自組網(wǎng)模型，對(duì)WCAN-PCB中相關(guān)通信機(jī)制展開研究。由于節(jié)點(diǎn)需具備路由決策、信道仲裁、緩存和流量控制等多種功能，就需要把物理層的調(diào)制技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層的接入機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)管理機(jī)制進(jìn)行縱向綜合考慮。

3.2.1 基于多用戶接入的WCAN-PCB物理層設(shè)計(jì)

為克服WCAN-PCB中多用戶大數(shù)據(jù)量通信產(chǎn)生的多用戶干擾和碼間串?dāng)_，在物理層需引入多址技術(shù)。由于WCAN-PCB中芯片間收發(fā)天線的距離在mm級(jí)，其多徑時(shí)延可忽略不計(jì)，對(duì)發(fā)送功率要求也相對(duì)較低，所以從減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和功耗的角度出發(fā)，基于無(wú)載波超短脈沖的IR-UWB多址調(diào)制技術(shù)便成為最佳選擇。目前基于TH-PPM的UWB收發(fā)機(jī)芯片生產(chǎn)工藝已趨于成熟，其采用不同的偽隨機(jī)跳時(shí)碼區(qū)分用戶，并根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)控制脈沖位置，不需進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度在極短距離實(shí)現(xiàn)多I/O口設(shè)備或多芯片間的高速通信，本文將采用TH-PPM的多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)WCAN-PCB中用戶數(shù)據(jù)的區(qū)分。在WCAN-PCB中，用戶k的TH-PPM信號(hào)可表示為［12，13］：

其中，Ptr（t）為能量歸一化單周期脈沖波形。Tc為碼片時(shí)間，Tf表示幀長(zhǎng)，Cj（k）為用戶k的偽隨機(jī)跳時(shí)碼序列（即用戶地址碼），dj（k）表示用戶k第j個(gè)脈沖傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)值，δ表示PPM偏移，Ew表示歸一化單周期脈沖波形能量。

此外，在參考文獻(xiàn)［13，14］中，還分析了WCAN中基于UWB和60 GHz毫米波芯片內(nèi)/間電磁波傳播的無(wú)線信道特性，干擾噪聲源及BER性能，并提出了自適應(yīng)TH-PPM的多址調(diào)制方案，在保證QoS可靠的同時(shí)，合理地分配功率、速率資源，提高了系統(tǒng)的傳輸性能，為WCAN-PCB物理層通信機(jī)制的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

3.2.2 基于多信道的多址接入策略

WCAN-PCB系統(tǒng)的頑健性不能僅靠物理層提供的擴(kuò)頻增益，還必須引入額外的MAC控制機(jī)制解決信道分配和接入控制的問(wèn)題。研究者對(duì)WNoC中MAC層協(xié)議展開了研究，提出了基于分布式同步訪問(wèn)（synchronization based on distributed multiple access control，SD-MAC）［15］和CDMA［16］的控制協(xié)議，主要對(duì)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、信道分配、共享方式及數(shù)據(jù)分組幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是這些協(xié)議對(duì)同步要求非常高，而且沒(méi)有與物理層主流多址技術(shù)相結(jié)合，控制信令和數(shù)據(jù)仍然在同一信道下傳輸，傳輸帶寬較小，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸延遲都不理想。故本文將結(jié)合物理層TH-PPM技術(shù)和目前提出的UWB協(xié)議［12］，采用多信道接入機(jī)制將控制信道與數(shù)據(jù)信道分離，改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能?；静呗允牵翰捎没诙嘈诺垒d波監(jiān)聽(tīng)（CSMA）的隨機(jī)接入和RTS-CTS-Data-ACK 4次握手機(jī)制來(lái)適應(yīng)WCAN-PCB突發(fā)業(yè)務(wù)和用戶容量變化，采用公共TH碼完成控制信令，建立連接后再用私有TH碼完成數(shù)據(jù)分組的傳送。

節(jié)點(diǎn)間成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組需經(jīng)過(guò)：RTS發(fā)送請(qǐng)求、CTS收方響應(yīng)、Data數(shù)據(jù)分組和ACK確認(rèn)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 WCAN中基于多信道接入的MAC協(xié)議

（1）假設(shè)節(jié)點(diǎn)R空閑，此時(shí)若節(jié)點(diǎn)T1要向R發(fā)送數(shù)據(jù)，就以R的公用跳時(shí)碼（THS）向R發(fā)RTS（使用最低碼率RN）。

（2）R以速率RN通過(guò)T1-R私有THS形成的專用信道向T1發(fā)送CTS響應(yīng)信息（包含后續(xù)數(shù)據(jù)傳送要使用的碼率Ri）。

（3）當(dāng)T1收到CTS，就以速率Ri通過(guò)T1-R私有THS來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，發(fā)送完畢后便等待來(lái)自R的ACK確定信息（碼率RN，采用T1-R私有THS）。

（4）如果收到NACK，T1就增加冗余度Rj進(jìn)行下一次傳輸，直至收到ACK確認(rèn)，此時(shí)Ri＞Rj≥RN。若沒(méi)有收到回饋，T1將經(jīng)歷一個(gè)隨機(jī)的退避過(guò)程，重新進(jìn)行嘗試，但嘗試次數(shù)有限。

（5）發(fā)送結(jié)束后，T1和R將通過(guò)各自的公共THS向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送空閑信號(hào)。

此外，若在T1與R正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，T2也要向R發(fā)送數(shù)據(jù)，并以R的公共THS向R發(fā)送RTS控制信令，此時(shí)由于THS間的正交性將不影響T1-R專用通道上信號(hào)的傳輸，但T2需要等待一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間等候R釋放的空閑信號(hào)，當(dāng)確認(rèn)R空閑后，T2將與R建立通信。

3.2.3 基于虛擬通道的路由存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

在WCAN-PCB中，路由存儲(chǔ)模塊用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)功耗、時(shí)延、硬件開銷等要求較高?？紤]到芯片設(shè)計(jì)的硬件資源有限，對(duì)功耗的要求極為嚴(yán)格，存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)一般都采用虛擬通道策略［15-18］。基本策略是：根據(jù)物理層TH-PPM的特點(diǎn)，將存儲(chǔ)模塊各輸入端口原有的單個(gè)緩存隊(duì)列（虛擬通道）通過(guò)TDMA的方式劃分成多個(gè)緩存隊(duì)列，分別存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)分組。若有某個(gè)數(shù)據(jù)分組阻塞等待時(shí)，其他數(shù)據(jù)分組便可以通過(guò)其余空閑的虛擬通道繼續(xù)傳輸，避免了受阻數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)期擁塞通道。任意一個(gè)芯片存儲(chǔ)模塊輸入端虛擬通道均通過(guò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通路與輸出端相連，當(dāng)多個(gè)虛擬通道同時(shí)請(qǐng)求一個(gè)輸出端口時(shí)，仲裁模塊將通過(guò)輪詢或令牌環(huán)算法，將輸出端口均勻的分配給各輸入端口。此外為了盡量減少緩沖模塊的設(shè)計(jì)成本，還需在避免死鎖的前提下確定最小緩沖槽的大小。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有Nc個(gè)預(yù)定槽來(lái)存儲(chǔ)其來(lái)自其N鄰個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)分組，最差的情況是N鄰個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流同時(shí)通過(guò)同一節(jié)點(diǎn)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)下一跳的資格，這將需要（N鄰-1）×Nc個(gè)緩沖單元，同樣節(jié)點(diǎn)本身也可以作為其相鄰節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)，又需要（N鄰-1）×Nc個(gè)緩沖單元，此外還需要Nc個(gè)緩沖單元完成自身數(shù)據(jù)分組的處理，這樣總共需要（2N鄰-1）×Nc個(gè)緩沖單元來(lái)避免死鎖。

3.2.4 基于位置的AODV路由協(xié)議策略

AODV（Ad Hoc on demand distance vector）路由協(xié)議綜合了DSDV和DSR特點(diǎn)，即采用了DSDV中的序列號(hào)概念和DSR中的路由發(fā)現(xiàn)及路由維護(hù)過(guò)程。由于DSDV是先應(yīng)式路由協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中有任何變化時(shí)都會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)的廣播，所以網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較嚴(yán)重。而AODV通過(guò)隨選路由來(lái)降低DSDV中控制報(bào)文的數(shù)目，從而能夠提高系統(tǒng)效率。同時(shí)AODV中的路由建立不需要像DSR那樣在請(qǐng)求分組和數(shù)據(jù)分組中包含完整的路由，因此能夠減小對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。AODV路由協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，能夠使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)、自啟動(dòng)地建立和維護(hù)具有多跳路由的網(wǎng)絡(luò)。AODV不需要節(jié)點(diǎn)不間斷地維護(hù)到每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的路由，只是在需要時(shí)才進(jìn)行查找和維護(hù)。同時(shí)，依靠每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)序列號(hào)，AODV能夠避免形成環(huán)路，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變（一般是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)中）時(shí)達(dá)到快速收斂。因此每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)的路由表，及時(shí)地對(duì)鏈路中斷和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化做出反應(yīng)，降低處理開銷以及內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

3.2.5 集中和分布式混合流量控制策略

由于無(wú)線媒介相互競(jìng)爭(zhēng)，數(shù)據(jù)流量過(guò)載，將對(duì)WCAN-PCB的性能產(chǎn)生一定影響，因此一個(gè)高效的流量控制和擁塞緩解策略是必不可少的。WNoC常見(jiàn)的流控制策略主要是通過(guò)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的源端進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)源端向網(wǎng)絡(luò)中注入數(shù)據(jù)的速率，改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和吞吐率等性能指標(biāo)的及時(shí)監(jiān)控［19］。本文將基于集中和分布式混合流量控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率的監(jiān)控?；静呗詾椋翰捎靡粋€(gè)分級(jí)控制機(jī)制，首先由一個(gè)全局控制器收集整個(gè)WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)的信息，獲取網(wǎng)絡(luò)全局的狀態(tài)，并對(duì)不同小區(qū)的數(shù)據(jù)流賦予不同的優(yōu)先級(jí)，通過(guò)對(duì)各小區(qū)簇頭的管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制，當(dāng)小區(qū)簇頭接收到來(lái)自全局控制器的分配指令后，采用逐步反饋的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其小區(qū)內(nèi)的每個(gè)簇成員的分布式流量控制，通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)注入速率使簇內(nèi)數(shù)據(jù)流量，進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了更好地模擬真實(shí)場(chǎng)景，檢驗(yàn)所提組網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能，本文采用NS2仿真平臺(tái)對(duì)Cadhoc和Mesh架構(gòu)下的UDP/CBR端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、抖動(dòng)、吞吐量、分組丟失率4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比仿真，所設(shè)環(huán)境如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)見(jiàn)表1，在一塊10 cm×10 cm的PCB板上進(jìn)行，對(duì)25個(gè)芯片分別采用5×5同頻Cadhoc架構(gòu)和5×5 Mesh架構(gòu)布局，芯片間距離R=10 mm，發(fā)送端為0號(hào)節(jié)點(diǎn)，接收端為24號(hào)節(jié)點(diǎn)，兩者相距40mm。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)

圖4 兩種組網(wǎng)方式下25個(gè)節(jié)點(diǎn)的WCAN-PCB

仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）反映了2種組網(wǎng)方法下網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時(shí)延隨仿真時(shí)間推進(jìn)的變化情況，表示的是數(shù)據(jù)分組的平均端到端時(shí)延，可以看出：基于Mesh架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨著時(shí)間推移逐漸增長(zhǎng)，并在大約1 s后趨于相對(duì)穩(wěn)定，而基于蜂窩Ad Hoc架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延則較為穩(wěn)定，基本維持在0.1 s左右，當(dāng)2種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延穩(wěn)定后，蜂窩Ad Hoc架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要比Mesh架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低0.2 s左右。證明基于蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳輸實(shí)時(shí)性比基于Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳輸實(shí)時(shí)性好。

圖5（b）則為網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)率的仿真結(jié)果，反映了由于發(fā)生擁塞，排隊(duì)延遲，造成鏈路建立后分組時(shí)延發(fā)生變化的程度，可以看出，基于蜂窩Ad Hoc結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)幅度要比Mesh網(wǎng)絡(luò)小，證明其網(wǎng)絡(luò)相對(duì)頑健、穩(wěn)定。

圖5（c）則為網(wǎng)絡(luò)吞吐量的仿真結(jié)果，反映了單位時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量。可以看出，基于蜂窩Ad Hoc架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量要比基于Mesh架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量大。

圖5（d）為網(wǎng)絡(luò)分組丟失率的仿真結(jié)果，反映了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性，可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)速率在10 Mbit/s以下時(shí)蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Mesh網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率基本相同，都保持在較低水平，但是隨著傳輸速率進(jìn)一步提升，Mesh網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率呈線性上升趨勢(shì)，在500 Mbit/s時(shí)其分組丟失率已經(jīng)達(dá)到了14%左右，而蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率則維持在2%附近，可見(jiàn)在低速傳輸情況下，2種網(wǎng)絡(luò)的可靠性能相差并不明顯，但當(dāng)數(shù)據(jù)分組在高速傳輸時(shí)基于蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)將比Mesh網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性，這是由于蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用了FDMA、TDMA、CDMA技術(shù)減少了小區(qū)間干擾和同小區(qū)用戶間的干擾，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

由此可見(jiàn)，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，驗(yàn)證了本文所提方案的可行性，并相比Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有一定的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于蜂窩Ad Hoc技術(shù)提出了一種可在PCB上WCAN中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單、通信協(xié)議宜于標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性高且成本與能耗較低的組網(wǎng)策略。通過(guò)對(duì)芯片節(jié)點(diǎn)功能、WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)通信機(jī)制的設(shè)計(jì)，為芯片無(wú)線互連技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)今后WCAN組網(wǎng)架構(gòu)研究及未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展有一定的參考價(jià)值。

圖5 基于蜂窩Ad Hoc和Mesh架構(gòu)的對(duì)比仿真結(jié)果

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Networking strategy for w / chip area network on PCB

LI Xuehua，ZHANG Yongbin，WANG Yiwen
School of Informationamp;Communication Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China

According to the special scene of intra/inter chip wireless interconnection system on PCB in WCAN，an efficient networking scheme based on cellular Ad Hoc was proposed，the network model of WCAN-PCB，multiple access，wireless nodes design，routing，and flow control strategy were analyzed.Finally，the network performance comparison with the wireless Mesh scheme was also given.The simulation and computation results show that the proposed scheme could keep a lower network delay and jitter，a higher throughput of network，also maintain a relatively low packet loss rate in the high speed data transmission，primarily serves as a reference value to the future research of WCAN networking architecture and 5G technology.

5G technology，chip wireless interconnection，cellular Ad Hoc，wireless chip area network，PCB

s：The National Natural Science Foundation of China Under Grant（No.61171039），The Science and Technology Project of Beijing Municipal Education Commission（No.KM201511232010），The Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions（No.CITamp;TCD201404114）

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016064

2015-04-21；

2016-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61171039）；北京市教科委面上項(xiàng)目（No.KM201511232010）；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（No.CITamp;TCD201404114）

李學(xué)華（1977-），女，博士，北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副院長(zhǎng)、副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)。

張永斌（1991-），男，北京信息科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樯漕l通信及高速電路傳輸。

王宜文（1990-），男，北京信息科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樯漕l通信及高速電路傳輸。