一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别模块及其方法与流程

本发明属于集成电路芯片的设计领域，特别是一种无线片上网络中针对无线节点拥塞的低功耗模块及其方法。

背景技术：

随着集成电路技术的不断发展，传统的基于总线架构的片上系统(System-on-Chip，SoC)出现了可扩展性差，通信效率低等问题。为了克服这些弊端，片上网络(Network-on-Chip，NoC)应运而生。NoC作为一种新型通信架构，具有高带宽，可扩展性强等优良特性。但是，当NoC网络规模增大时，多跳节点之间的通信延迟增加，网络性能受到了较大制约。基于此，国内外研究者提出了一种新的解决方案—无线片上网络(Wireless Network-on-Chip，WiNoC)。

WiNoC作为一种新型互连技术，可以有效解决片上网络多跳节点之间高延迟的问题。依托当前的微电子工艺，无线片上路由器的zig-zag天线和无线接口(Wireless Interface，WI)可以集成在芯片上，WiNoC的研究具有了现实依据。研究者针对WiNoC提出了若干可行的互连方案，Ganguly A等提出了一种small-world通信架构，作为一种典型的无线互连方案，其将整个网络划分为若干个子网，子网之间采用无线路由器(Wireless Router，WR)进行数据通信，降低了多跳节点之间的数据通信延迟。Wang L等提出了一种基于无线多跳的混合无线NoC(2-Level Hybrid Mesh，2LHM-WiNoC)，并提出了一种竞争避免的路由算法。Deb S等提出了一种基于毫米波(mm-wave)技术的无线NoC架构mWNoC，通过高效路由算法和无线节点最优放置，提高了网络性能。

但是，WiNoC也面临着网络拥塞等问题。有线节点往多跳之外的目的节点发送数据时，需要先将数据发送至相邻的无线路由器，然后由无线路由器将数据发送至目的节点相邻的无线路由器，最后发送至其子网内的目的节点。显然，WR承载着长距离多跳节点之间的数据收发任务，具有较大的数据流量，易出现节点拥塞，形成网络热点。Wang L等针对WiNoC中易出现拥塞问题，提出了一种端到端的流控机制，实时反馈网络中的拥塞程度，从而动态调整数据包注入率。Dai P等采用了一种基于p-坚持的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的通信机制，每个无线接口在发送数据帧之前进行载波监听，当通道空闲时，以p的概率发送数据，这在一定程度上降低了链路冲突。Wang C等以有线/无线拓扑为基础，构建了一种NePA无线NoC阵列(NePA-WiNoC)，通过设置双向数据通道，提高了网络吞吐率。Mansoor N提出了一种MAC协议，可以根据WI实时需求动态分配令牌，通过历史流量预测，动态分配链路带宽。上述机制均有效降低了网络拥塞，但是没有考虑网络全局中各无线节点中无线接口的拥塞程度，若无线接口本身出现拥塞，会导致丢包现象的发生，降低网络性能。

功耗问题也是WiNoC中不可忽视的重要问题。在WiNoC中，相较于传统有线路由器，无线路由器添加了无线接口，具有更大的功耗开销。基于该问题，Mineo A等设计了一种在线闭环可调节功率机制，节省了功耗开销，但是增大了数据误码率。Mondal H K等提出了一种基于广播的粗粒度休眠机制，WR将数据广播至其他WR，经过地址校验后，非目的地址的WR将进入休眠模式。该机制节省了一定的功耗开销，但是硬件结构较为复杂。Mineo A等通过模拟仿真，设计了一种可调节天线功率机制，减小了系统的功耗，但是未考虑到实际应用时的复杂状况。

技术实现要素：

本发明是为了避免上述现有研究存在的不足之处，提出了一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别模块及其方法，以期保证网络的整体性能，并降低网络功耗。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别模块，是应用于由若干个子网构成的无线片上网络中，任意一个子网是由若干个无线路由器WR和若干个有线路由器构成；任意一个无线路由器WR是由有线路由器和无线接口WI构成；所述无线接口WI包括：发送端的功率放大器PA和发送数据缓冲区TDB、接收端的低噪放大器LNA和接收数据缓冲区RDB；其特点是，所述拥塞判别模块CJU与每个子网的无线路由器中的无线接口WI互连，所述拥塞判别模块CJU包括：读写单元RWU、拥塞信息表、算法单元AU、信号产生单元SGU和译码单元decoder；在所述无线接口的发送端中设置地址解析单元ARU和发送微片计数单元FCUt；在所述无线接口的接收端中设置接收微片计数单元FCUr；在所述发送端的功率放大器和接收端的低噪放大器之间设置有休眠控制单元SCU；

任意一个子网中的无线路由器的无线接口的地址解析单元ARU解析所述发送数据缓冲区中下一个微片的目的地址并发送给所述拥塞判别模块CJU；所述发送微片计数单元FCUt计算所述发送数据缓冲区中的发送区微片数量T并发送给所述拥塞判别模块CJU，所述接收微片计数单元FCUr计算所述接收数据缓冲区中的接收区微片数量R并发送给所述拥塞判别模块CJU；

所述拥塞判别模块CJU中的读写单元RWU接收到所有子网中的无线路由器的无线接口发送的目的地址、发送区微片数量T和接收区微片数量R并依次写入所述拥塞信息表中；所述算法单元AU读取所述拥塞信息表中所有的信息并进行拥塞判别，确定优先级最高的无线接口的发送端后通过所述信号产生单元SGU产生相应的使能信号，所述使能信号经过所述译码单元的处理后得到译码信号ack再分别发送给相应无线接口中的休眠控制单元SCU；

每个无线接口中的休眠控制单元SCU根据各自所接收的译码信号ack控制相应的发送端的功率放大器和接收端的低噪放大器开启或关闭，从而实现所述无线片上网络的低功耗控制和拥塞缓解。

本发明所述的无线片上网络中无线节点的拥塞判别模块的特点也在于，所述拥塞判别模块CJU中的算法单元AU是按如下步骤进行拥塞判别：

步骤1、记所述拥塞信息表中任意一个发送区微片数量为Ti、任意一个接收区微片数量为Ri；记所述发送数据缓冲区和接收数据缓冲区的深度为B；定义接收数据缓冲区的剩余位数阈值为a；

步骤2、判断B-Ri＝0是否成立，若成立，则表明所述接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率为100％，并将所述接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最低优先级；否则，执行步骤3；

步骤3、判断B-Ri>a是否成立，若成立，则表明所述接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率较低，并将所述接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级；否则，执行步骤4；

步骤4、计算拥塞度量值C_i＝T_i+B-R_i，从而得到所有无线接口的拥塞度量值，并从中选取最大值，将最大值所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级。

本发明一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别方法，是应用于由若干个子网构成的无线片上网络中，任意一个子网是由若干个无线路由器和若干个有线路由器构成；任意一个无线路由器是由有线路由器和无线接口构成；所述无线接口包括：发送端的功率放大器和发送数据缓冲区、接收端的低噪放大器和接收数据缓冲区；其特点是按如下步骤进行：

步骤1、在所述无线片上网络中设置拥塞判别模块CJU，且所述拥塞判别模块CJU与每个子网的无线路由器中的无线接口互连；

步骤2、所述无线接口的发送端解析所述发送数据缓冲区中下一个微片的目的地址，并计算所述发送数据缓冲区中的发送区微片数量T、计算所述接收数据缓冲区中的接收区微片数量R后，一起发送给所述拥塞判别模块CJU；

步骤3、所述拥塞判别模块CJU接收所有无线接口发送的信息并进行拥塞判别，确定优先级最高的无线接口的发送端后产生相应的使能信号；

步骤4、所述拥塞判别模块CJU对所述使能信号进行处理后得到译码信号ack并发送给相应的无线接口；

步骤5、每个无线接口根据各自所接收的译码信号ack控制相应的发送端的功率放大器和接收端的低噪放大器开启或关闭，从而使得各自的无线接口处于正常通信状态或休眠状态。

本发明所述的无线片上网络中无线节点的拥塞判别方法的特点也在于，所述拥塞判别模块CJU是按如下步骤进行拥塞判别：

步骤1、记任意一个子网中的一个无线接口发送的发送区微片数量为Ti、接收区微片数量为Ri；记所述发送数据缓冲区和接收数据缓冲区的深度为B；定义接收数据缓冲区的剩余位数阈值为a；

步骤2、判断B-Ri＝0是否成立，若成立，则表明所述接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率为100％，并将所述接收区微片数量Ri所对应的无线接口的发送端设置为最低优先级；否则，执行步骤3；

步骤3、判断B-Ri>a是否成立，若成立，则表明所述接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率较低，并将所述接收区微片数量Ri所对应的无线接口的发送端设置为最高优先级；否则，执行步骤4；

步骤4、计算拥塞度量值C_i＝T_i+B-R_i，从而得到所有无线接口的拥塞度量值，并从中选取最大值，将最大值所对应的无线接口的发送端设置为最高优先级。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明在无线接口内部与网络全局添加相应模块单元，能实时感知各个无线节点的拥塞信息，确定最优的无线节点对进行数据通信，从而有效的缓解了无线节点的拥塞；并充分考虑了各无线节点的工作状态，对各无线节点进行细粒度休眠，从而保证了网络的整体性能并降低了网络功耗。

2、本发明设计了一种新型片上路由器无线接口，在无线接口内添加微片计数单元与目的地址解析单元，实时感知无线接口buffer中的微片数量与目的地址信息，以与CJU进行下一步的拥塞信息传递。在无线接口内添加休眠控制单元，对竞争无线信道失败的无线接口进行细粒度休眠，有效的降低了网络功耗。

3、本发明在网络全局添加拥塞判别模块，其接收上一级模块的微片数量信息与地址信息，通过算法分析，确定最优的无线传输节点对，有效的缓解了网络拥塞。

4、本发明使用了一种无线节点的拥塞判别方法，通过接收上一级模块传递的拥塞信息，对各无线接口中buffer的拥塞状态进行判别分析，设置具有最高通信优先级的无线收发对，优先占用无线信道资源，有效降低了网络拥塞。同时，对竞争信道失败的无线节点进行细粒度的休眠，减小了网络功耗。

附图说明

图1是本发明中无线路由器架构图；

图2是本发明中网络拓扑图；

图3是本发明中无线接口互连图；

图4是本发明中CJU模块架构图；

图5是本发明中低开销模块示意图；

图6是本发明中细粒度休眠示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别模块，是应用于由若干个子网构成的无线片上网络中，任意一个子网是由若干个无线路由器WR和若干个有线路由器构成；如图1所示，任意一个无线路由器WR是由有线路由器和无线接口WI构成；其中无线接口WI包括：发送端的功率放大器PA和发送数据缓冲区TDB、接收端的低噪放大器LNA和接收数据缓冲区RDB。在无线接口的发送端中设置地址解析单元ARU和发送微片计数单元FCUt；在无线接口的接收端中设置接收微片计数单元FCUr；在发送端的功率放大器和接收端的低噪放大器之间设置有休眠控制单元SCU。

本发明的拓扑结构如图2所示，将传统的n×n的2D mesh划分为若干子网，每个子网称为簇，簇与簇之间通过无线链路或有线链路进行通信，在网络全局添加拥塞判别模块CJU，以进行各个无线接口的拥塞判别。设某路由器坐标为(x，y，z)，x坐标代表其所在簇的序数，y坐标代表簇内该路由器所在的行数，z坐标代表簇内该路由器所在的列数，如坐标(1，2，1)代表该路由器在簇1中的第2行第1列。本发明展示了一种10×10的2D mesh网络，并划分为4个5×5的簇，每个簇内设置一个无线路由器，且无线路由器放置在簇的中心位置，并以此为例，进行拥塞判别方法的阐述。

如图3所示，拥塞判别模块CJU与每个子网的无线路由器中的无线接口互连，形成一个完整的WI互连结构。任意一个子网中的无线路由器的无线接口的地址解析单元ARU解析发送数据缓冲区中下一个微片的目的地址并发送给拥塞判别模块CJU；发送微片计数单元FCUt计算发送数据缓冲区中的发送区微片数量T，当本地路由器写入一个微片至发送数据缓冲区，T的值加1；发送数据缓冲区每向外发送1个微片，T减1，并将微片数量信息发送给拥塞判别模块CJU；接收微片计数单元FCUr计算接收数据缓冲区中的接收区微片数量R，接收数据缓冲区通过片上天线，每接收一个微片，R值加1；每往本地路由器发送一个微片，R值减1，并将微片数量信息发送给拥塞判别模块CJU；

拥塞判别模块CJU内部结构如图4所示，包括读写单元RWU、拥塞信息表、算法单元AU、信号产生单元SGU和译码单元decoder；拥塞判别模块CJU中的读写单元RWU接收到所有子网中的无线路由器的无线接口发送的目的地址信号signal_addr、发送区微片数量T信号counter_t和接收区微片数量R信号counter_r，并依次写入拥塞信息表中；拥塞信息表的Addr_s列代表源WR中发送数据缓冲区中存储的微片数量T，Addr_d列代表下一个微片所对应目的WR中接收数据缓冲区所存储的微片数量R，第一至第四列分别代表网络中的四个无线路由器WR₀、WR₁、WR₂、WR₃、。如对于WR₀，发送数据缓冲区中微片数量为T₀，且此发送数据缓冲区下一个微片所对应目的WR中接收数据缓冲区的微片数量为R₀。每个周期，该表中的值会进行更新。算法单元AU读取拥塞信息表中所有的信息并按照以下工作流程进行拥塞判别：

步骤1、记拥塞信息表中任意一个发送区微片数量为Ti、任意一个接收区微片数量为Ri；记发送数据缓冲区和接收数据缓冲区的深度为B；定义接收数据缓冲区的剩余位数阈值为a；

步骤2、判断B-Ri＝0是否成立，若成立，则表明接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率为100％，并将接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最低优先级；否则，执行步骤3；

步骤3、判断B-Ri>a是否成立，若成立，则表明接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率较低，并将接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级；否则，执行步骤4；

步骤4、计算拥塞度量值C_i＝T_i+B-R_i，从而得到所有无线接口的拥塞度量值，并从中选取最大值，将最大值所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级。

通过以上分析判断，拥塞判别模块CJU确定优先级最高的无线接口的发送端后，通过信号产生单元SGU产生相应的使能信号signal_t与signal_r，使能信号signal_t与signal_r经过译码单元的处理后得到译码信号ack_t与ack_r，再分别发送给相应无线接口中的休眠控制单元SCU；

由于功率放大器PA和低噪声放大器LNA在无线接口功耗中占据了比较大的比例，且发送数据缓冲区和接收数据缓冲区需要与CJU进行拥塞状态信息传递，所以本发明只对发送端的PA和接收端的LNA进行细粒度休眠管理。如图5所示，每个无线接口中的休眠控制单元SCU根据各自所接收的译码信号ack_t与ack_r，生成相应的off_t与off_r开关电流，控制相应的发送端的功率放大器PA和接收端的低噪放大器LNA开启或关闭，从而实现无线片上网络的低功耗控制和拥塞缓解。通过举例对本方法进行说明，若WR₀被判别为最高发送优先级，且其发送数据缓冲区中下一个微片的目的节点为WR₁，CJU发送signal_t信号00至decoder0，通过译码产生四位1000信号，加载至SCU通过off_t控制信号选通WR₀的PA，并关闭其余空闲WR的PA；同理，CJU发送signal_r信号01，经decoder1译码为0100信号，通过off_r控制信号选通WR₁的LNA，关闭其余WR的LNA。该实例休眠示意图如图6所示，WI₁、WI₂、WI₃中的PA以及WI₀、WI₂、WI₃中的LNA均被设置为休眠模式，而WI₀中的PA和WI₁中的LNA处于正常通信状态。通过细粒度的休眠方法，节省了一定的功耗开销。

本实施例中，一种无线片上网络中无线节点的拥塞判别方法，是应用于由若干个子网构成的无线片上网络中，任意一个子网是由若干个无线路由器和若干个有线路由器构成；任意一个无线路由器是由有线路由器和无线接口构成；无线接口包括：发送端的功率放大器PA和发送数据缓冲区、接收端的低噪放大器LNA和接收数据缓冲区；按如下步骤进行：

步骤1、在无线片上网络中设置拥塞判别模块CJU，且拥塞判别模块CJU与每个子网的无线路由器中的无线接口互连；

步骤2、无线接口的发送端解析发送数据缓冲区中下一个微片的目的地址，并计算数据缓冲区中的发送区微片数量T、计算接收数据缓冲区中的接收区微片数量R后，一起发送给拥塞判别模块CJU；

步骤3、拥塞判别模块CJU接收所有无线接口发送信息并进行拥塞判别，确定优先级最高的无线接口的发送端后产生相应的使能信号；具体的说，

步骤3.1、记任意一个子网中的一个无线接口发送的发送区微片数量为Ti、接收区微片数量为Ri；记发送数据缓冲区和接收数据缓冲区的深度为B；定义接收数据缓冲区的剩余位数阈值为a；

步骤3.2、判断B-Ri＝0是否成立，若成立，则表明接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率为100％，并将接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最低优先级；否则，执行步骤3；

步骤3.3、判断B-Ri>a是否成立，若成立，则表明接收区微片数量Ri所对应的接收数据缓冲区的占用率较低，并将接收区微片数量Ri所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级；否则，执行步骤4；

步骤3.4、计算拥塞度量值C_i＝T_i+B-R_i，从而得到所有无线接口的拥塞度量值，并从中选取最大值，将最大值所对应的源路由器无线接口的发送端设置为最高优先级。

步骤4、拥塞判别模块CJU对使能信号进行处理后得到译码信号ack并发送给相应的无线接口；

步骤5、每个无线接口根据各自所接收的译码信号ack控制相应的发送端的功率放大器和接收端的低噪放大器开启或关闭，从而使得各自的无线接口处于正常通信状态或休眠状态。