基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法及架构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信领域，特别涉及基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法 及架构。
【背景技术】
[0002] 片上网络（多核阵列，network on chip)是为了解决基于总线结构的片上系统 (SoC，system on chip)网络传输瓶颈而提出的高效互联架构。随着并行处理的高速发展， 多核阵列上承载的应用包含越来越多的通信需求。随着SoC规模的增大，片上金属连线的 速度无法跟上系统规模的增长，片上有线连接成为制约多核阵列网络性能的瓶颈。而无线 多核阵列凭借其高带宽、可重构和广播等优点，为高性能多核架构提供了可行的设计方案。 然而，无线多核阵列中的通信业务量分布不均，导致网络中产生热点，加速了芯片的非均匀 老化与故障。
[0003] 为了应对这些挑战，业界将网络编码（NC，network coding)技术引入到多核阵列 设计以改善多核阵列性能。因为一旦多核阵列上承载的应用确定，任务流图与多核阵列平 台的映射关系也随之确定，所以多核阵列中业务图案（或数据图案）也相应确定，这为在多 核阵列中采用确定性网络编码和解码提供了可行性。
[0004] 2000年Ahlswede等首次提出了网络编码理论，通过网络编码可以实现网络流量 的最大化，2003年，Li，Yeung和Cai证明了线性网络编码就可以实现网络的最大流。随后 Ho等提出了随机网络编码理论，其思想是在网络中参与传输的节点，其输出信道上传输的 数据是该点多条输入信道上传输的数据的随机线性组合，他们并且证明了接收节点能以 很大的概率正确恢复出信源所发送的信息。
[0005] Hu等人提出了基于局部总线的多核阵列架构，为有线多核阵列提供了局部广播能 力，使其满足网络编码应用的可行性条件。Shalaby和Vonbun等人证明了在多核阵列上采 用蝶形网络编码能够获得路由跳数的性能改善。蝶形网络编码的结构参考本发明说明书附 图1所示，蝶形网络编码的系统模型：源节点si和s2发送的数据通过中继节点r进行编码 后，同时送到相应的目的节点。目的节点dl通过接收到的两个数据包b和a ? b恢复出原 始信息a，目的节点d2通过接收到的两个数据包a和a ? b还原出原始信息b。但是，现有 技术中的有线连接限制了有线多核阵列中网络编码应用的灵活性和扩展性；并且，这些设 计中多核阵列架构里只用了一个蝶形网络编码，远远不能解决片上复杂业务负载引起的多 热点问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供基于蝶形网络编码的 无线多核阵列热点消除方法及及架构。通过构造多个独立的蝶形网络编码以提高多核阵列 的吞吐率，以较小的开销缓解网络热点问题。
[0007] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0008] 基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，通过构造多个独立的蝶形网络 编码以提高多核阵列的吞吐率，实现以较小的开销缓解热点问题。
[0009] 基于蝶形网络编码的无线多核阵列架构是由多个分布在互不相交局部区域的蝶 形网络编码构成的，一个蝶形网络编码只能缓解一个热点的拥塞，所以本发明在多核阵列 中采用多个蝶形网络编码，同时解决多个热点的拥塞问题。
[0010] 定义热点为多核阵列中业务量较拥塞的节点；在通信繁忙的多核阵列中，绝大多 数节点都可能发生拥塞，但蝶形网络编码的结构限制了网络中可进行网络编码的热点区域 的数目。在通信较空闲的多核阵列中，网络中的大部分节点比较空闲，但当多条链路竞争同 一信道时仍会发生冲突，造成一些节点的任务流量拥塞，因而也需要将流量最拥塞的那些 节点作为热点进行优化，以提高网络吞吐率。
[0011] 把整个网路划分为若干个互不相交的子区域，每个区域的大小随着它内部的通信 业务量情况而变化，并且包含至少一个热点，这些区域称为热点区域。
[0012] 为了解决网络的流量拥堵情况，减低热点的发生几率，为每个热点区域分配一个 蝶形网络编码结构以缓解其中热点的拥塞。在Mesh多核阵列中，最简单的蝶形网络编码占 据3X3的正方形区域，两条冲突的业务流构成十字叉，而交叉节点对应为蝶形网络编码的 中继节点。
[0013] 为了提供网络编码的可行性，无线多核阵列中的每个路由节点上配置一个片上天 线，进行数据的局部广播；天线的广播范围决定了无线多核阵列的扑拓结构；分布在芯片 上的多个无线路由节点构成了多跳的无线网络。
[0014] 当节点以网格形式放置，并且天线的传输距离为网格中相邻两个节点之间的距离 时，该网络的拓扑变成了有线多核阵列中最常用的Mesh拓扑。本发明以Mesh拓扑为例进 行介绍，不失一般性，该算法也可以应用在其他拓扑形式上。
[0015] Mesh结构采用XY-YX路由以提高网络编码的可能性。本发明中，为了确保数据能 迅速的从源节点扩散到目的节点，数据包在X轴和Y轴方向上仅能沿着源节点向目的节点 的方向进行传输，而不能反向传输。
[0016] 网络中存在两种路由节点：编码节点和非编码节点；在每个热点区域中放置一个 编码节点作为蝶形网络编码的中继节点；此外，两条信息流的目的节点也是编码节点，采用 异或操作解码出原始信息；非编码节点仅转发输数据包。
[0017] 进一步的，为了尽可能多的构造蝶形网络编码，本发明提供一种通过基于蝶形网 络编码的无线多核阵列的最小化热点算法，通过最大化独立蝶形网络编码的个数实现最大 化的编码性能，以达到尽可能优化网络性能的目的。
[0018] 其中基于蝶形网络编码的无线多核阵列的最小化热点算法实现，包括以下步骤：
[0019] ⑴确定网络中热点位置；
[0020] 首先，确定无线多核阵列中热点节点的位置；热点定义：为网络中流量相对较集 中的节点，Mesh多核阵列中，最简单的蝶形网络编码会占3X3的区域，则NX匪esh中蝶形 网络编码的个数上限为：
[0021]
【主权项】
1. 基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在于；包含以下步骤： (1) 确定网络中热点位置； (2) 将每个热点扩展为满足蝶形网络编码的编码条件的热点区域； (3) 去除不满足编码条件的热点和热点区域；构建最大化互斥热点区域。
2. 如权利要求1所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于；所述步骤（1)中，网络热点通过以下公式确定：
其中，Pm为节点m是热点的概率；fi;j是从任务i到任务j的通彳目流量；Ki;j是从任务i到任务j的路由路径上所有节点的集合；h是调控系数；M为网络中热点的数目；n为冗余 量。
3. 如权利要求2所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（2)，包括以下步骤： (2-1)求解经过热点可进行网路编码的最大业务流对； (2-2)将所选业务流对根据网络的路由算法，扩展成包含2源2宿的热点区域。
4. 如权利要求3所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（2-1)包含以下步骤： (2-1-1):对经过该热点的所有业务流进行排序； (2-1-2)选出满足网络编码条件最大流量的业务流对。
5. 如权利要求4所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（2-1-1)中F= {fj为通过热点节点的所有业务流集合，其中，心根据流量大 小按降序排列，编号越小的业务流通信量越大。
6. 如权利要求5所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（2-1-2)中： 蝶形网络编码条件为：a当前热点不是待判条件业务流对中任意一条业务流的源或目 的；b编码后的新路径上的节点，不会产生新的热点。
7. 如权利要求6所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（3)包含以下步骤： (3-1)根据热点区域之间的重叠情况，来构建热点区域互联图； (3-2)求解热点区域互联图的最大独立集。
8. 如权利要求7所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（3-1)中所构建热点区域重叠关系的无向图，G3 = (M，0)，若区域i和区域j交叠，则边〇i，jG0存在；否则边不存在；节点数为|M| ;边数为|0| ;每个节点qGM，i= 1，2,...，|m|表示一个热点区域。
9. 如权利要求8所述的基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法，其特征在 于：所述步骤（3-1)中根据步骤（3-1)中所建立无向图；依次删除度最大的顶点以及与该 顶点相连的边；直到图中总的度为0。
10. -种分布式蝶形网络编码的无线多核阵列架构，其特征在于：将权利要求1至9之 一所述的消除方法应用于蝶形网络编码中。
【专利摘要】本发明涉及通信领域，特别涉及无线多核并行处理领域，具体指基于蝶形网络编码的无线多核阵列热点消除方法及架构；提出一种采用分布式蝶形网络编码的无线多核阵列架构，通过多个互不相交的蝶形网络编码提高无线多核阵列的网络吞吐率，减少多核阵列中的热点个数，为复杂系统提供高效、并行的多核协同处理平台。同时，本发明提出最小化热点算法进行无线多核阵列架构的最优化设计，以蝶形网络编码个数最大化为目标，获得最大化的编码增益。通过验证，本发明提出的架构能够以较小的开销实现至少4％的吞吐率增益，并消除网络中至少43％的热点。
【IPC分类】H04L12-801, G06F15-78
【公开号】CN104780114
【申请号】CN201510231156
【发明人】陈亦欧, 凌翔, 胡剑浩, 谭芳
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年5月8日