一种基于蜂窝Ad hoc的芯片间无线互连系统组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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，
[0004] 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)。
[0005] 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。
[0006] 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。
【发明内容】
[0007] 本发明立足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。
[0008] 为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案： 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】 [0009]
[0010] 图1为背景中提到的PCB板上实现芯片间无线互连的优势
[0011] 图2为背景中提到PCB板上实现的芯片间纯无线互连系统
[0012] 图3是本发明中基于蜂窝Ad-Hoc的PCB示意图；
[0013] 图4是本发明基于蜂窝覆盖的AdHoc-WCAN示意图；
[0014] 图5是本发明中每个芯片RF节点的结构设计图；
【具体实施方式】
[0015] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明 上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范 围。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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
[0019] 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
[0020] 参阅图5,对RF节点结构及功能进行设计说明：
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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；
[0027] 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