基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法技术

一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法，该三维分层拓扑结构由若干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均由六个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。本发明专利技术能够使得天线在60GHz无线信号的传输范围内可以尽可能多地与周围的天线建立连接，提高数据中心连通性，从而大大改善数据中心的表现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种无线网络领域的技术，具体是一种60GHz基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法。
技术介绍
受限于传统有线数据中心网络的布线复杂、可扩展性差、散热困难等，无线数据中心网络的构建成为一个新的研究方向。60GHz无线通信技术日益成熟，这段频谱对于绝大多数国家而言是免许可的，且有着传统的2.4GHz和5GHz无法比拟的优越性。首先，可免费试用的57GHz至64GHz之间的7Gbps的频段可以实现高速无线通信。其次，60GHz频率高，可以调制出波束角很小的电磁波，天线的方向性得到了增强，同时较窄的波面使得无线连接之间的干扰很小，所以可将多个60GHz射频发送接收装置安装在同样的机架顶端，即使它们工作在同一频段。最后尽管60GHz无线信号波宽窄，但是借助于简单的可视化调整工具可以实现精确调整，部署容易。在波束赋形技术的帮助下，60GHz无线传输能量得到集中，传输方向可以很好地校准，目前成型的天线有号角天线和天线阵列，价格并不昂贵。若配合机械及电机械装置，这些天线可以取得细粒度的方向控制。虽然60GHz应用于无线数据中心优势众多，但是其随距离增加衰减快、传播易被障碍物阻挡等问题成为有效利用60GHz无线通信技术的最大障碍，合理解决这些问题尤为重要。经过对现有技术的检索发现，目前的技术并没有很好地解决以上问题。ShinJ等在”Onthefeasibilityofcompletelywirelessdatacenters”提出的使用圆柱形的机架以及扇形的服务器来充分利用无线连接，然而这样的设计仍然囿于平面拓扑结构且机架密度较大，如果大部分连接位于同一个平面中，那么信号阻挡问题发生的频率会明显提高，且60GHz无线信号的传输范围会限制邻居节点的通信，网络连通性受到了干扰。KandulaS等在”Flywaystode-congestdatacenternetworks”中对路由及天线布置进行了优化，但是仍然没有摆脱平面结构的限制。周夏在”Mirrormirrorontheceiling：flexiblewirelesslinksfordatacenters”创造性地提出了利用天花板反射建立任意两个机架之间的非直线连接，有效解决了信号阻断问题，然而在现代数据中心中考虑到散热等需求，天花板往往很高，此时该技术难以奏效且由于反射的存在而显著减小了天线在水平面上的有效通信范围。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法，能够使得天线在60GHz无线信号的传输范围内可以尽可能多地与周围的天线建立连接，提高数据中心连通性，从而大大改善数据中心的表现。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构，该三维分层拓扑结构由若干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均由六个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。所述的网状网络中任意相邻两层网状网络之间的距离为其中：s为层数，t＝max(x，y)，a为号角天线的直径，x、y为无线网状网络的大小。所述的网状网络中，每一行和每一列避免三个以上的所述定向号角天线位于同一层网状网络中。所述的高度方向可调的60GHz定向号角天线通过设置于三维活动机架上得以实现其高度可调、头部可旋转、角度可调节。本专利技术涉及上述拓扑结构的实现方法，包括以下步骤：步骤1、确定网状网络规模，即考虑机架体积等因素，一个R×R的方形区域中最大的三维机架阵列规模，用m×n表示。步骤2、确定实际部署中，相邻两层之间的距离范围，即为了防止天线布置过密而引起的信号阻断，相邻两层之间的层距大于最小间距值。步骤3、确定数据中心需要多少层来避免信号阻断，即位于某天线信号传输范围内的其它天线与该天线之间的直线连线上有除此两个天线之外的其它天线出现，从而阻断了60GHz信号在此两天线之间的传输，其关键为：每一行和每一列都要避免三个或者三个以上的天线位于同一层，这种条件可保证信号阻断被完全避免。步骤4、利用石墨结构构造算法，确定无线网状网络中每个机架天线的高度，即整个无线中心石墨拓扑结构中某机架所在的层的序号。步骤5、根据已确定的天线各层之间的高度差、各天线应在的高度，将顶部安装有号角天线的三维机架布置到数据中心中。技术效果与现有技术相比，本专利技术可以显著提高数据中心中各节点的平均点度，提高一跳内节点覆盖率，提高二分带宽，从而极大地提高数据中心的连通性；同时本专利技术结构简单易部署、易扩展。附图说明图1为本专利技术天线头部及天线头部与支架整体示意图；图中：a为天线头部示意图；b为支架及天线示意图；图2为石墨结构基本结构模型示意图；图中：a为本专利技术网格示意图；b为双层石墨结构示意图；c为三层石墨结构示意；d为四层石墨结构示意图；图3为石墨结构两层之间的距离示意图，即两层之间的垂直高度差示意图；图中，dk为两层之间的垂直距离，a表示天线的半径；图4为实施例中的网络节点度热点图对比图；图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为双层石墨结构效果示意图；d为三层石墨结构效果示意图；图5为实施例中不考虑边界效应时，无线数据中心中节点度随机架行距列距变化结果对比图；图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为石墨结构效果示意图；图6为实施例中不考虑边界效应时，一跳内节点覆盖率对比图；图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为石墨结构效果示意图；图7为实施例中二分网络带宽对比图。具体实施方式如图1所示，本实施例包括以下步骤：第一步、确定网状网络的规模：根据数据中心实际区域平面的长、宽以及天线机架的体积确定网状网络的规模，以一个R×R的方形区域为例，设该区域内最大的机架阵列规模为m×n，即网状网络的规模为m×n，用δrow(δcolumn)来表示位于相邻行(列)的机架之间的距离，此距离与机架体积的大小关系密切，即满足其中：[]为取整。第二步、确定相邻两层之间的高度差：天线本身有一定的体积，存在阻挡信号的可能，由此可知天线的大小势必会影响各层之间的间距，当无线网状网络的大小为x×y，则第s层与第s+1层之间的垂直距离，即高度差，ds满足：其中：t＝max(x，y)，a为号角直径，ds本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构，其特征在于，该三维分层拓扑结构由若干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均由六个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构，其特征在于，该三维分层拓扑结构
由若干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均
由六个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。
2.根据权利要求1所述的无线数据中心分层拓扑结构，其特征是，所述的网状网络中任
意相邻两层网状网络之间的距离为其中：s为层数，
t＝max(x,y)，a为号角天线的直径，x、y为无线网状网络的大小。
3.根据权利要求1所述的无线数据中心分层拓扑结构，其特征是，所述的网状网络中，
每一行和每一列避免三个以上的所述定向号角天线位于同一层网状网络中。
4.根据权利要求1所述的无线数据中心分层拓扑结构，其特征是，所述的网状网络中，
位于第i行j列(0≤i<x，0≤j<y)的天线的层数hij为％为取模运算。
5.根据上述任一权利要求所述的无线数据中心分层拓扑结构，其特征是，所述的高度方
向可调的60GHz定向号角天线通过设置于三维活动机架上得以实现其高度可调、头部可旋转、
角度可调节。
6.一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构构建方法，其特征在于，包括以下步
骤：
步骤1、确定网状...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴帆，张超利，李旸，孔令和，高晓沨，陈贵海，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31