張鳴皓　趙成龍

摘要：由于片上微型天線的成功研制，片上系統(tǒng)（SoC）內(nèi)部的無(wú)線通信得到了實(shí)現(xiàn)。為無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)的思想提供了基礎(chǔ)的支持，已有研究證明無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)概念正是應(yīng)對(duì)有線片上網(wǎng)絡(luò)局限性而提出的新的解決方案。文章對(duì)基于柏拉圖立體模型為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)中的功耗和延遲能性能并與傳統(tǒng)的有線片上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；柏拉圖立體；功耗；延遲 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）34-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.010

隨著技術(shù)的進(jìn)步、集成電路工藝的發(fā)展，早期片上系統(tǒng)（SoC）由于使用共享和專用總線的特性而使得片上互連結(jié)構(gòu)面臨擴(kuò)展性差和延遲高等性能問題?；跓o(wú)線片上網(wǎng)路的高帶寬無(wú)線長(zhǎng)距離單跳鏈接代替多跳有線鏈接可以顯著地減少延遲，加快芯片內(nèi)部的通信速度。同時(shí)無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)對(duì)于片上系統(tǒng)的擴(kuò)展性和適用性明顯優(yōu)于有線的片上網(wǎng)絡(luò)，那么如何正確地構(gòu)建合理的無(wú)線片上網(wǎng)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就顯得尤為重要了。

1 無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)

本文提出了一種基于柏拉圖立體思想的六面體架構(gòu)。在這個(gè)基于柏拉圖立體的正六面體結(jié)構(gòu)中，將無(wú)線節(jié)點(diǎn)安放在正六面體的頂點(diǎn)上。在基于無(wú)線的3D-mesh結(jié)構(gòu)中，正六面體的八個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的柏拉圖立體。至此，基于柏拉圖立體的三維無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)中，存在無(wú)線節(jié)點(diǎn)的層間消息傳送就可以依靠無(wú)線路由器進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)包傳輸。本文同時(shí)提出了使用于此正六面體無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的路由算法。

2 拓?fù)浼奥酚伤惴?/p>

2.1 柏拉圖立體

本文中我們使用的是最基礎(chǔ)的正六面體結(jié)構(gòu)。本文所研究的是一個(gè)8×8的4層一共256個(gè)IP Cores的同構(gòu)片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這樣通過(guò)多層架構(gòu)很適合研究柏拉圖立體在無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)這樣設(shè)計(jì)的架構(gòu)，采用了目前比較流行的同構(gòu)片上網(wǎng)絡(luò)仿真器AccessNoxim_v2.0。改進(jìn)為在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中選取第一和第四層在這兩層之間建立無(wú)線連接，同時(shí)這兩層中分別建立四個(gè)無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)。正六面體的柏拉圖立體即為立方體，修改后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每個(gè)無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)即為正六面體中的各個(gè)頂點(diǎn)。將第一層和第四層8×8的Mesh結(jié)構(gòu)分別分為四個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)為4×4的結(jié)構(gòu)并且每個(gè)子網(wǎng)中分配一個(gè)無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)如圖1所示。在Noxim仿真器中現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)和無(wú)線連接構(gòu)成柏拉圖立體中的正六面體，使其可以應(yīng)用到混合無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)中。

定義節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為N（x，y，z）。其中第一層的節(jié)點(diǎn)（2，2，0）、（5，2，0）、（2，5，0）、（5，5，0）和第四層的（2，2，3）、（5，2，3）、（2，5，3）、（5，5，3）八個(gè)節(jié)點(diǎn)為無(wú)線節(jié)點(diǎn)，分別記為：WR0-WR7。中間兩層不存在無(wú)線節(jié)點(diǎn)。

2.2 路由算法

基于本文提出的柏拉圖立體架構(gòu)，傳統(tǒng)的XYZ路由算法顯然不適合該架構(gòu)下的節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，因此提出了一種基于XYZ路由算法的適用于無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新型算法。無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間是可以兩兩任意通信的，在提出的路由算法中，運(yùn)用柏拉圖立體模型的對(duì)稱性，規(guī)定無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間只能在垂直方向通信，具體描述如下：

2.2.1 判斷初始節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)是否在同一子網(wǎng)中。如果在同一子網(wǎng)中，則用基礎(chǔ)的XY路由算法實(shí)現(xiàn)初始節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸。若不在，執(zhí)行下一步。

2.2.2 如果不在同一子網(wǎng)中，判斷源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的層數(shù)差是否大于1，即通過(guò)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)之差得到。若層數(shù)之差大于1執(zhí)行下一步，若層數(shù)之差等于1，則實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)的XYZ路由算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的通信。

2.2.3 對(duì)于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之差大于1的情況，則源節(jié)點(diǎn)的信息先傳輸?shù)綗o(wú)線節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。

節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸方式大致分為三種方式，下文一一舉例來(lái)說(shuō)明。對(duì)于同一層的情況（實(shí)例1），如圖3所示，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為A（1，1，0），目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是B（2，0，3），那么信息傳輸?shù)穆窂骄蜑锳（1，1，0）→WR0→WR4→B（2，0，3）。其中從節(jié)點(diǎn)（2，2，0）（WR0）到（2，2，3）（WR4）是無(wú)線傳輸，可以看出因?yàn)闊o(wú)線傳輸?shù)拇嬖?，從源?jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)節(jié)省了從第一層慢慢通過(guò)一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)降谒膶舆@個(gè)步驟，當(dāng)片上系統(tǒng)規(guī)模較大的時(shí)候，會(huì)取得巨大的延遲改進(jìn)。對(duì)于相鄰兩層之間的傳輸我們統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)的XYZ路由算法。對(duì)于最后一種中間相隔一層的情況（實(shí)例2），如圖4所示，從源節(jié)點(diǎn)M（1，1，1）要發(fā)送信息到N（2，0，3），此時(shí)應(yīng)用論文中提出的算法，首先不在同一層，將計(jì)算|Mz-Nz|=2，此時(shí)Z軸的坐標(biāo)差是大于2的，所以此時(shí)應(yīng)該將源節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)包首先傳輸?shù)骄嚯xA較近的擁有無(wú)線節(jié)點(diǎn)的第一層，然后再通過(guò)第一層的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。傳輸路徑如下：M→WR0→WR2→WR6→WR4→N。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是在AccessNoxim_v2.0仿真器上實(shí)現(xiàn)的，該仿真器的默認(rèn)架構(gòu)是同構(gòu)的3D-mesh架構(gòu)，運(yùn)行于Ubuntu13操作系統(tǒng)下，操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)基于AccessNoxim2.0原先的四層Mesh的三維結(jié)構(gòu)，我們將其改成基于柏拉圖立體的混合無(wú)線的三維片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的新型的無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)在功耗和延遲方面與傳統(tǒng)的3D-mesh片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有了顯著的性能改善。

3.1 平均時(shí)延

片上網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的延遲（D）主要是來(lái)自于輸入和輸出延遲，即從數(shù)據(jù)流輸入信道進(jìn)入到從輸出信道輸出所用的時(shí)間。為了計(jì)算片上網(wǎng)絡(luò)中的延遲，用下面的延遲模型計(jì)算。

D=Di+Do （1）

AD=D/SP （2）

式（1）中：D為總延遲值；Di為輸入端延遲；Do為輸出端延遲，總的延遲等于輸入信道產(chǎn)生的延遲和輸出信道產(chǎn)生的延遲的和。式（2）中：AD為平均延遲；SP為數(shù)據(jù)包大小，平均延遲的值等于平均每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸產(chǎn)生的延遲，即總延遲值除以數(shù)據(jù)包總量。

有關(guān)平均時(shí)延的仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在注入率較低的情況下，性能并沒有顯著的提升。但當(dāng)注入率逐漸增大，有線片上網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延差距越來(lái)越明顯。

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以看出，混合無(wú)線片網(wǎng)的延遲在較低數(shù)據(jù)流注入率的情況下差別不大，當(dāng)注入率大于0.03后，改進(jìn)后的仿真器在延遲方面的性能表現(xiàn)明顯優(yōu)于之前的有線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2 總功耗

仿真器運(yùn)行的功耗主要來(lái)自于處理機(jī)產(chǎn)生的功耗和片上網(wǎng)路中數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生的功耗。

P=Pn+Ppe （3）

式（3）中：P為總功耗值；Pn為片上網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生的耗能值；Ppe為處理器產(chǎn)生的耗能值。

實(shí)驗(yàn)表明，基于無(wú)線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功耗性能上也要優(yōu)于有線片網(wǎng)，注入率大于0.13后功耗趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)論與展望

本文主要研究柏拉圖立體結(jié)構(gòu)在無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及其性能分析。我們深入研究并改進(jìn)了意大利Catania大學(xué)基于SystemC的三維片上網(wǎng)絡(luò)仿真器AccessNoxim中關(guān)于片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)部分，將原有的用于有線三維片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)為可用于無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)的混合無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可應(yīng)用于正六面體柏拉圖立體結(jié)構(gòu)。然后在仿真器中利用該混合無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射系統(tǒng)任務(wù)并分別得出其延遲等性能參數(shù)并分析其與之前混合無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異。

本文提出了一種基于柏拉圖立體的無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，這種架構(gòu)在功耗和時(shí)延上都取得了很大的改善。目前只做了一種柏拉圖立體模型，在后續(xù)的工作中將對(duì)其他幾種柏拉圖立體模型在片上網(wǎng)中的應(yīng)用做進(jìn)一步的研究。本次提出的無(wú)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于規(guī)則的3D-mesh結(jié)構(gòu)，對(duì)于不規(guī)則的片上網(wǎng)絡(luò)還沒有更好的解決辦法，這都是下一步需要研究的

方向。

作者簡(jiǎn)介：張鳴皓（1993-），男，山西太原人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：三維片上網(wǎng)絡(luò)；趙成龍（1994-），男，山西人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：三維片上網(wǎng)絡(luò)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）