一种基于蜂窝Ad hoc的芯片间无线互连系统组网方法技术方案

本发明专利技术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。此外本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种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。
技术介绍
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。 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， 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)。 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。 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。
技术实现思路
本专利技术立足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。 为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案： 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】 图1为背景中提到的PCB板上实现芯片间无线互连的优势 图2为背景中提到PCB板上实现的芯片间纯无线互连系统 图3是本专利技术中基于蜂窝Ad-Hoc的PCB示意图； 图4是本专利技术基于蜂窝覆盖的AdHoc-WCAN示意图； 图5是本专利技术中每个芯片RF节点的结构设计图；【具体实施方式】 下面结合【具体实施方式】对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术 上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范 围。 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。 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。 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 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 参阅图5,对RF节点结构及功能进行设计说明： 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。 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。 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。 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。 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。 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； 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， 信道分配和信当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李学华，王宜文，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11