即使如此，STAC依然可以在相同的系统速率与 误码率条件下，显著降低系统的发送功率。
[0053] 能量效率和带宽效率实数据中心网络最重要的指标之一。选择不同的STAC传输 方式，可以达到不同的能量效率和带宽效率。比如，在一个基本通信单元中，所有的源节点 可以选择用STAC-次传输完成，也可以选择分组使用STAC传输方式多次完成传输任务。理 论上研宄不同的系数wi情况下，采用不同的传输方式，达到最佳的能量效率与带宽效率折 中。
[0054] 网络模型与网络容量：由于高频无线信号传输距离有限，而且DCN内部同时会有 大量并发业务，所以多线多跳SATC网络方案是必须的。我们首先需要基于基本STAC通信 单元，建立网络STAC数学模型。基于图1中物理层的反射LoS和3D波束成型技术，不同链 路之间的干扰可以基本避免；同一个节点只能采用半双工方式。假设MAC层和网络层都使 用最优的调度与路由策略，即可根据此模型研宄STAC网络可以提供的最优网络吞吐量、时 延以及能量损耗等。
[0055] 核心调度、路由算法及分析：由于STAC完全不同的物理层传输方式，在网络层必 须使用完全不同的调度和路由算法。下图3显示了一个单线多跳STAC的例子。可以看到， 图中包括两个基本STAC单元，而且STAC单元越靠近源节点，越会降低后面传输的代价。假 设每条传输路径都有给定的代价，那么最小代价STAC路由算法即是一个最小Steiner树问 题，该问题为NP-hard。所以STAC路由也是NP-hard问题，寻找最佳路由并不可行。进一 步，可以发现多跳STAC的路由是无线多播（multicast)路由的逆向路由，所以我们可以借 用多播路由的算法，来设计STAC的路由算法。对多线多跳传输计算网络，虽然路由设计算 法和节点调度算法是集中式算法，但是由于NP-hard，所以依然非常复杂，其复杂度以及性 能界都需要深入研宄。
[0056] 随着数据中心规模不断扩大，STAC必须支持在大规模数据中心网络的应用，本发 明将深入研宄STAC随着网络规模增加的扩展性，尤其是能量可扩展性、复杂度可扩展性、 以及控制成本的可扩展性等。具体而言，将计算所提出算法的上述参数随着计算节点数目 的增加而如何改变，期望都是多项式速度增加，最好是线性增加。
[0057] 基于DCN的特点，本发明提出增强的软件定义网络架构（图4)来实现物理层同步 要求和网络管理功能。在MAC层采用TDMA的方式来协调各个收发节点行为；节点路由和调 度采用集中式算法，由网络控制器集中计算得到路由与调度算法。该网络构架除了SDN的 基本结构外，还具有下面3个特点：（1)有线控制信道：由于DCN网络空间较小，排列整齐， 可以使用有线网络将所有节点连接起来作为控制网络。该控制网络既可以传输DCN原有服 务器的控制信号，比如来自Job-Scheduler等服务器的，也可以传输我们专门增加的网络 控制器的控制信号。（2)外部参考信号：利用有线控制信道，提供统一的外部参考信号，该 信号可以提供精确的时间信号、频率信号。各个无线收发节点可以直接利用这个参考信号 实现准确的频率同步、天线校准等。（3)链路信道信息地图：各个节点之间的信道信息，包 括传播时延、相位和衰减系数全部存储于网络控制器的信息地图中。在控制各个发送节点 发送之前，网络控制器根据信息地图里的信道信息，通知各个发送节点的预处理系数^和 发送时间。
[0058] 本发明首次针对无线DCN，提出了空中传输计算的概念，并对此进行深入系统的研 宄。具体的创新点包括：（1)提出空中传输计算概念；(2)提出适用于STAC的增强SDN网络 架构；（3)提出STAC通信模型与算法分析；（4)提出STAC网络算法与理论分析。
[0059] 本发明建立一个STAC基本通信单元的数学模型，既能抓住实际STAC通信系统的 需要，又能简化系统参数，便于信道容量的分析研宄；分析STAC最优的能量效率与带宽效 率的折中曲线，分析STAC方案对DCN系统性能的改进；设计低复杂度的次优多线多跳STAC 路由算法和调度算法，以及分析其理论性能，为STAC在无线DCN的应用铺平道路。
[0060] 本发明是一个全新的无线DCN传输机制，其基本思想在本项目的研宄内容中提出 来，而且项目的前期理论结果和仿真结果都表明：STAC可以在现有无线技术下实现，并且 具有非常显著的性能增益。
[0061] 在图1中，天线排列在机架上方，通过屋顶反射和3D波束成形实现间接LoS信道。 STAC方案中，左边三个源节点同时发送数据到右边的接收节点，在空中实现所需信号的求 和操作。
[0062] 在图3中，实心点表示源节点，格子点为目的节点，其他节点可以作中继。
[0063] 在图4中，增强软件定义网络，控制平面为有线网络，而数据平面为无线传输。
[0064] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种空中传输计算的通信方法，其特征在于；K个发送节点通过调整自己的发送时 间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的 信号直接解调为目标数巧，Si是发送节点发送的数据，Wi是加权系数，K大于等于 2。2. 根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：在网络架构中，MAC层采用TDMA的方 式来协调各个收发节点行为；节点路由和调度采用集中式算法，由网络控制器集中计算得 到路由与调度算法。3. 根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于；在网络架构中，使用有线网络将所有 节点连接起来作为控制网络，该控制网络既能够传输DCN原有服务器的控制信号，同时也 能够传输专口增加的网络控制器的控制信号。4. 根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于；在网络架构中，利用有线控制信道， 提供统一的外部参考信号，该外部参考信号可W提供精确的时间信号、频率信号，各个无线 收发节点能够直接利用外部参考信号实现准确的频率同步、天线校准。5. 根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于；在网络架构中，各个节点之间的信道 信息存储于网络控制器的信息地图中，在控制各个发送节点发送之前，网络控制器根据信 息地图里的信道信息，通知各个发送节点的预处理系数&和发送时间。6. -种空中传输计算的通信系统，其特征在于；K个发送节点通过调整自己的发送时 间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的 信号直接解调为目标数捐Si是发送节点发送的数据，Wi是加权系数，K大于等于 2。7. 根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于：在网络架构中，MAC层采用TDMA的方 式来协调各个收发节点行为；节点路由和调度采用集中式算法，由网络控制器集中计算得 到路由与调度算法。8. 根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于；在网络架构中，使用有线网络将所有 节点连接起来作为控制网络，该控制网络既能够传输DCN原有服务器的控制信号，同时也 能够传输专口增加的网络控制器的控制信号。9. 根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于；在网络架构中，利用有线控制信道， 提供统一的外部参考信号，该外部参考信号可W提供精确的时间信号、频率信号，各个无线 收发节点能够直接利用外部参考信号实现准确的频率同步、天线校准。10. 根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于；在网络架构中，各个节点之间的信 道信息存储于网络控制器的信息地图中，在控制各个发送节点发送之前，网络控制器根据 信息地图里的信道信息，通知各个发送节点的预处理系数&和发送时间。
【专利摘要】本发明提供了一种空中传输计算的通信方法，K个发送节点通过调整自己的发送时间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的信号直接解调为目标数据。本发明的有益效果是：本发明仅仅使用一次信道传输，直接在空中完成求和操作，实现了传输和计算的结合；将传输效率提高K倍，减少了1次相加计算，减少了K-1次数据接收操作，从而提高数据中心的网络性能和计算性能。
【IPC分类】H04B1/00, H04L29/08
【公开号】CN104935350
【申请号】CN201510315238
【发明人】张胜利, 黄梦芝
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月10日