李學華，張永斌，王宜文

（北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京100101）

研究與開發(fā)

無線芯片域網(wǎng)絡(luò)中PCB上的組網(wǎng)策略

李學華，張永斌，王宜文

（北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京100101）

針對無線芯片域網(wǎng)絡(luò)（wireless chip area network，WCAN）中PCB上芯片內(nèi)/間高速無線互連場景，提出了基于蜂窩Ad Hoc的組網(wǎng)策略，并對其網(wǎng)絡(luò)模型、無線節(jié)點設(shè)計、多址接入、路由和流量控制策略展開研究，最后通過仿真實驗與傳統(tǒng)無線Mesh組網(wǎng)架構(gòu)進行對比分析，得到比其更低的網(wǎng)絡(luò)時延和抖動、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。驗證了所提策略的優(yōu)越性，對今后WCAN組網(wǎng)架構(gòu)的研究及未來5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

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

1 引言

伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)市場的迅猛發(fā)展，5G技術(shù)研究熱潮持續(xù)升溫，未來的移動通信不再只是人與人之間的通信，還將擴展到人與物、海量傳感器件間、智能芯片間、機器間（M2M）、設(shè)備間（D2D）的智能互聯(lián)，并將超越前者占據(jù)移動數(shù)據(jù)業(yè)務的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、時延降低5～10倍，并實現(xiàn)低能耗、高頻譜效率的無線通信［1，2］。近年來基于高頻段UWB和60 GHz毫米波的芯片內(nèi)/間無線互連技術(shù)愈發(fā)趨于成熟［3-5］，將為上述目標的實現(xiàn)提供一定的技術(shù)支持，今后具有無線收發(fā)及路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的可集成芯片將作為“無線接口”實現(xiàn)萬物互連。

芯片內(nèi)/間無線互連技術(shù)，即采用射頻/無線通信方式取代傳統(tǒng)金屬互連線，實現(xiàn)芯片內(nèi)/間某些功能模塊的無線連接，可有效緩解金屬布線和芯片管腳的極限問題，并能集成在終端設(shè)備中實現(xiàn)萬物互連。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)簡單、抗多徑和保密性強等特點，被廣泛地應用于芯片內(nèi)/間無線互連系統(tǒng)中［3-5］，而芯片內(nèi)/間進行無線通信所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)則稱為無線芯片域網(wǎng)絡(luò)（wireless chip area network，WCAN）［3］。WCAN的提出為5G超密集網(wǎng)絡(luò)提供了具體的應用場景，如實現(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、手機終端間高速無線互連及高效組網(wǎng)。

本文將主要針對WCAN中PCB板上芯片內(nèi)/間高速無線互連（WCAN-PCB）場景，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)并行和擴展性差、延遲和功耗較高、通信效率低下的問題，通過引入蜂窩自組網(wǎng)技術(shù)，探究一種適應于WCAN-PCB的簡潔高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對其網(wǎng)絡(luò)模型、無線節(jié)點設(shè)計、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)點設(shè)計

WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于解決以下問題：芯片節(jié)點設(shè)計、多址接入機制，無線路由能力、通信容量、功耗、面積占用和成本。事實上，WCAN-PCB可看作一個微小范圍內(nèi)無線局域網(wǎng)與無線傳感網(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，芯片內(nèi)各處理核之間甚至在μm級，且數(shù)據(jù)傳輸速率通常保持在Gbit/s級以上，可靠性要求高，同時還要保證良好的硬件實現(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)的無線片上網(wǎng)絡(luò)（wireless network-on-chip，WNoC）設(shè)計方案，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，信令開銷過多，仲裁制度不完善，而且是針對SoC（system-on-chip）設(shè)計的新型片上無線通信系統(tǒng)，屬于WCAN-PCB中芯片內(nèi)無線互連的范疇。對于在PCB上建立的芯片間無線互連系統(tǒng)，其芯片布局是根據(jù)產(chǎn)品特點來設(shè)計的，比SoC的布局更加開放和靈活。本文將對WCAN-PCB組網(wǎng)方案進行設(shè)計，以單層PCB板上空間為傳播環(huán)境，每個芯片額外增加一個具有無線數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲和路由功能的RF模塊，這樣便可根據(jù)芯片各自功能對其合理布局，并通過一跳或多跳的方式完成與目標節(jié)點的通信，不僅減少了有線布線復雜的困擾，還提高了主板設(shè)計的靈活性。

基于上述RF節(jié)點功能的要求，將對其組成結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。如圖1所示，每個RF節(jié)點需配備一個RF接口模塊和路由數(shù)據(jù)存儲處理單元。其中RF接口模塊由一個具有低功耗和低成本的UWB收發(fā)機和可變頻的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接口模塊用于信號的發(fā)送、接收及相應的數(shù)據(jù)處理過程；路由決策模塊用于決定源節(jié)點到目的節(jié)點通信經(jīng)過的路徑，并根據(jù)相應的路由算法確定以最小的跳數(shù)實現(xiàn)，最大限度地減少通信時延；信道仲裁可通過設(shè)計相應的MAC協(xié)議完成，主要解決無線信道中節(jié)點競爭、信道分配和信號碰撞問題；緩存控制模塊則采用虛擬通道技術(shù)來實現(xiàn)，在其每個輸入端口設(shè)有數(shù)目一定的緩存隊列，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對數(shù)據(jù)流賦予不同的優(yōu)先級，實現(xiàn)對數(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。具體通信時芯片可通過調(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)點發(fā)送信號，并通過一跳或多跳方式實現(xiàn)與板上目的節(jié)點的數(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)和通信機制設(shè)計的先進思想，同時吸收Ad Hoc技術(shù)在短距離高速組網(wǎng)中的優(yōu)勢以及蜂窩無縫覆蓋的特點［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線通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)WCAN的自組織運行和無縫覆蓋。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)模受限的問題，又避免了蜂窩系統(tǒng)多級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中無線節(jié)點間的通信變得簡潔高效。

圖1 RF節(jié)點的設(shè)計構(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PCB板劃分成多個大小相同的正六邊形蜂窩狀小區(qū)并實現(xiàn)無縫覆蓋，相鄰小區(qū)通過使用不同的頻率減少彼此干擾，并引入頻率復用技術(shù)節(jié)省頻率資源，圖2為復用因子為3的情形。而且每個小區(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，且每個小區(qū)中芯片間距離D都近似相同（便于實現(xiàn)功率控制），則編號為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，R可根據(jù)PCB板的大小適當進行調(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PCB板上可容納的最大芯片數(shù)為

另外，每個小區(qū)由一個處在中心的中央節(jié)點（簇頭）及其周圍的其他處理節(jié)點（簇成員）組成。在具體布局時，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，減少信號傳輸?shù)哪芎暮蜁r延。應盡量將相互通信比較頻繁的節(jié)點安放在同一小區(qū)，若節(jié)點數(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)點不應放置在同一小區(qū)，一般放置在非同頻小區(qū)中，且每個小區(qū)中芯片位置服從均勻分布，兩兩距離近似相等，并把高級節(jié)點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)點的數(shù)據(jù)傳輸和資源分配；簇成員一般是低級芯片、存儲器、LED燈、預警裝置、傳感類芯片，也可是無線接口或芯片管腳。

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)成員進行多跳的通信之外，還能與其他同頻小區(qū)簇頭進行通信，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）的簇成員節(jié)點也具有雙頻率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)交界頂點的節(jié)點具有3種頻率可實現(xiàn)與之相鄰的3個小區(qū)簇成員之間的通信。在具體通信時，這3類具有多頻工作狀態(tài)的節(jié)點可作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口，通過相應的頻率切換機制完成數(shù)據(jù)分組的分組轉(zhuǎn)發(fā)和自組織多跳通信，這樣便形成了一個普通節(jié)點和高級節(jié)點兩級自組織結(jié)構(gòu)的分級網(wǎng)絡(luò)，類似Wi-Fi中的自動配置，使得WCAN-PCB的組網(wǎng)簡單易行。需要說明的是，在芯片布局合理的情況下，處在各小區(qū)邊緣和交界頂點的芯片功能將變簡單，可不用進行多頻切換。

3.2 基于蜂窩Ad Hoc的WCAN-PCB通信機制

為了解決網(wǎng)絡(luò)中多用戶接入時產(chǎn)生的多址干擾、信道競爭、資源共享、節(jié)能和流量控制等問題，本文將基于蜂窩自組網(wǎng)模型，對WCAN-PCB中相關(guān)通信機制展開研究。由于節(jié)點需具備路由決策、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)鏈路層的接入機制以及網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)管理機制進行縱向綜合考慮。

3.2.1 基于多用戶接入的WCAN-PCB物理層設(shè)計

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擾，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，其多徑時延可忽略不計，對發(fā)送功率要求也相對較低，所以從減少系統(tǒng)設(shè)計復雜度和功耗的角度出發(fā)，基于無載波超短脈沖的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)機芯片生產(chǎn)工藝已趨于成熟，其采用不同的偽隨機跳時碼區(qū)分用戶，并根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需進行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復雜度在極短距離實現(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為碼片時間，Tf表示幀長，Cj（k）為用戶k的偽隨機跳時碼序列（即用戶地址碼），dj（k）表示用戶k第j個脈沖傳輸?shù)亩M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［13，14］中，還分析了WCAN中基于UWB和60 GHz毫米波芯片內(nèi)/間電磁波傳播的無線信道特性，干擾噪聲源及BER性能，并提出了自適應TH-PPM的多址調(diào)制方案，在保證QoS可靠的同時，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物理層通信機制的設(shè)計奠定了理論基礎(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頻增益，還必須引入額外的MAC控制機制解決信道分配和接入控制的問題。研究者對WNoC中MAC層協(xié)議展開了研究，提出了基于分布式同步訪問（synchronization based on distributed multiple access control，SD-MAC）［15］和CDMA［16］的控制協(xié)議，主要對競爭機制、信道分配、共享方式及數(shù)據(jù)分組幀結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，但是這些協(xié)議對同步要求非常高，而且沒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（CSMA）的隨機接入和RTS-CTS-Data-ACK 4次握手機制來適應WCAN-PCB突發(fā)業(yè)務和用戶容量變化，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)點間成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組需經(jīng)過：RTS發(fā)送請求、CTS收方響應、Data數(shù)據(jù)分組和ACK確認。具體實現(xiàn)過程如圖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R空閑，此時若節(jié)點T1要向R發(fā)送數(shù)據(jù)，就以R的公用跳時碼（THS）向R發(fā)RTS（使用最低碼率RN）。

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

（3）當T1收到CTS，就以速率Ri通過T1-R私有THS來發(fā)送數(shù)據(jù)分組，發(fā)送完畢后便等待來自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進行下一次傳輸，直至收到ACK確認，此時Ri＞Rj≥RN。若沒有收到回饋，T1將經(jīng)歷一個隨機的退避過程，重新進行嘗試，但嘗試次數(shù)有限。

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

此外，若在T1與R正在進行數(shù)據(jù)傳遞時，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，此時由于THS間的正交性將不影響T1-R專用通道上信號的傳輸，但T2需要等待一個隨機的退避時間等候R釋放的空閑信號，當確認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模塊設(shè)計

在WCAN-PCB中，路由存儲模塊用來臨時存儲并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，對功耗、時延、硬件開銷等要求較高?？紤]到芯片設(shè)計的硬件資源有限，對功耗的要求極為嚴格，存儲模塊的設(shè)計一般都采用虛擬通道策略［15-18］?；静呗允牵焊鶕?jù)物理層TH-PPM的特點，將存儲模塊各輸入端口原有的單個緩存隊列（虛擬通道）通過TDMA的方式劃分成多個緩存隊列，分別存儲不同的數(shù)據(jù)分組。若有某個數(shù)據(jù)分組阻塞等待時，其他數(shù)據(jù)分組便可以通過其余空閑的虛擬通道繼續(xù)傳輸，避免了受阻數(shù)據(jù)分組長期擁塞通道。任意一個芯片存儲模塊輸入端虛擬通道均通過對應的數(shù)據(jù)通路與輸出端相連，當多個虛擬通道同時請求一個輸出端口時，仲裁模塊將通過輪詢或令牌環(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)每個節(jié)點有Nc個預定槽來存儲其來自其N鄰個鄰節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)分組，最差的情況是N鄰個節(jié)點的數(shù)據(jù)流同時通過同一節(jié)點來競爭下一跳的資格，這將需要（N鄰-1）×Nc個緩沖單元，同樣節(jié)點本身也可以作為其相鄰節(jié)點的下一跳節(jié)點，又需要（N鄰-1）×Nc個緩沖單元，此外還需要Nc個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個緩沖單元來避免死鎖。

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，即采用了DSDV中的序列號概念和DSR中的路由發(fā)現(xiàn)及路由維護過程。由于DSDV是先應式路由協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中有任何變化時都會導致全網(wǎng)的廣播，所以網(wǎng)絡(luò)負荷比較嚴重。而AODV通過隨選路由來降低DSDV中控制報文的數(shù)目，從而能夠提高系統(tǒng)效率。同時AODV中的路由建立不需要像DSR那樣在請求分組和數(shù)據(jù)分組中包含完整的路由，因此能夠減小對網(wǎng)絡(luò)的負荷。AODV路由協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點，能夠使移動節(jié)點動態(tài)、自啟動地建立和維護具有多跳路由的網(wǎng)絡(luò)。AODV不需要節(jié)點不間斷地維護到每個目的節(jié)點的路由，只是在需要時才進行查找和維護。同時，依靠每個節(jié)點維護序列號，AODV能夠避免形成環(huán)路，在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變（一般是節(jié)點移動到網(wǎng)絡(luò)中）時達到快速收斂。因此每個移動節(jié)點需要維護一個動態(tài)的路由表，及時地對鏈路中斷和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化做出反應，降低處理開銷以及內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)的負荷。

3.2.5 集中和分布式混合流量控制策略

由于無線媒介相互競爭，數(shù)據(jù)流量過載，將對WCAN-PCB的性能產(chǎn)生一定影響，因此一個高效的流量控制和擁塞緩解策略是必不可少的。WNoC常見的流控制策略主要是通過對發(fā)送數(shù)據(jù)的源端進行控制，調(diào)節(jié)源端向網(wǎng)絡(luò)中注入數(shù)據(jù)的速率，改變整個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，以期實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐率等性能指標的及時監(jiān)控［19］。本文將基于集中和分布式混合流量控制機制實現(xiàn)對WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率的監(jiān)控。基本策略為：采用一個分級控制機制，首先由一個全局控制器收集整個WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)的信息，獲取網(wǎng)絡(luò)全局的狀態(tài)，并對不同小區(qū)的數(shù)據(jù)流賦予不同的優(yōu)先級，通過對各小區(qū)簇頭的管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制，當小區(qū)簇頭接收到來自全局控制器的分配指令后，采用逐步反饋的方式實現(xiàn)對其小區(qū)內(nèi)的每個簇成員的分布式流量控制，通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)注入速率使簇內(nèi)數(shù)據(jù)流量，進而使整個網(wǎng)絡(luò)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 仿真實驗及結(jié)果分析

為了更好地模擬真實場景，檢驗所提組網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能，本文采用NS2仿真平臺對Cadhoc和Mesh架構(gòu)下的UDP/CBR端到端網(wǎng)絡(luò)時延、抖動、吞吐量、分組丟失率4個指標進行對比仿真，所設(shè)環(huán)境如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)見表1，在一塊10 cm×10 cm的PCB板上進行，對25個芯片分別采用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號節(jié)點，接收端為24號節(jié)點，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個節(jié)點的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)平均傳輸時延隨仿真時間推進的變化情況，表示的是數(shù)據(jù)分組的平均端到端時延，可以看出：基于Mesh架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時延隨著時間推移逐漸增長，并在大約1 s后趨于相對穩(wěn)定，而基于蜂窩Ad Hoc架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時延則較為穩(wěn)定，基本維持在0.1 s左右，當2種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時延穩(wěn)定后，蜂窩Ad Hoc架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時延要比Mesh架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時延低0.2 s左右。證明基于蜂窩Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳輸實時性比基于Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的傳輸實時性好。

圖5（b）則為網(wǎng)絡(luò)抖動率的仿真結(jié)果，反映了由于發(fā)生擁塞，排隊延遲，造成鏈路建立后分組時延發(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)抖動幅度要比Mesh網(wǎng)絡(luò)小，證明其網(wǎng)絡(luò)相對頑健、穩(wěn)定。

圖5（c）則為網(wǎng)絡(luò)吞吐量的仿真結(jié)果，反映了單位時間內(nèi)，節(jié)點發(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，反映了整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性，可以看出，當節(jié)點速率在10 Mbit/s以下時蜂窩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一步提升，Mesh網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率呈線性上升趨勢，在500 Mbit/s時其分組丟失率已經(jīng)達到了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，但當數(shù)據(jù)分組在高速傳輸時基于蜂窩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，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

由此可見，理論分析與實驗結(jié)果是一致的，驗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

本文基于蜂窩Ad Hoc技術(shù)提出了一種可在PCB上WCAN中實現(xiàn)無縫覆蓋、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活簡單、通信協(xié)議宜于標準化、可靠性高且成本與能耗較低的組網(wǎng)策略。通過對芯片節(jié)點功能、WCAN-PCB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)通信機制的設(shè)計，為芯片無線互連技術(shù)的進一步實用化奠定理論基礎(chǔ)，對今后WCAN組網(wǎng)架構(gòu)研究及未來5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展有一定的參考價值。

圖5 基于蜂窩Ad Hoc和Mesh架構(gòu)的對比仿真結(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

國家自然科學基金資助項目（No.61171039）；北京市教科委面上項目（No.KM201511232010）；北京市屬高等學校高層次人才引進與培養(yǎng)計劃項目（No.CITamp;TCD201404114）

李學華（1977-），女，博士，北京信息科技大學信息與通信工程學院副院長、副教授，主要研究方向為無線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)。

張永斌（1991-），男，北京信息科技大學碩士生，主要研究方向為射頻通信及高速電路傳輸。

王宜文（1990-），男，北京信息科技大學碩士生，主要研究方向為射頻通信及高速電路傳輸。