基于柏拉圖立體的無線三維片上網絡拓撲結構及路由

張鳴皓　趙成龍

摘要：由于片上微型天線的成功研制，片上系統（SoC）內部的無線通信得到了實現。為無線片上網絡的思想提供了基礎的支持，已有研究證明無線片上網絡概念正是應對有線片上網絡局限性而提出的新的解決方案。文章對基于柏拉圖立體模型為拓撲結構的無線片上網絡中的功耗和延遲能性能并與傳統的有線片上拓撲結構進行了比較。

關鍵詞：無線片上網絡；拓撲結構；柏拉圖立體；功耗；延遲 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）34-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.010

隨著技術的進步、集成電路工藝的發展，早期片上系統（SoC）由于使用共享和專用總線的特性而使得片上互連結構面臨擴展性差和延遲高等性能問題。基于無線片上網路的高帶寬無線長距離單跳鏈接代替多跳有線鏈接可以顯著地減少延遲，加快芯片內部的通信速度。同時無線片上網絡對于片上系統的擴展性和適用性明顯優于有線的片上網絡，那么如何正確地構建合理的無線片上網路的拓撲結構就顯得尤為重要了。

1 無線片上網絡

本文提出了一種基于柏拉圖立體思想的六面體架構。在這個基于柏拉圖立體的正六面體結構中，將無線節點安放在正六面體的頂點上。在基于無線的3D-mesh結構中，正六面體的八個節點之間的連線就構成了一個簡單的柏拉圖立體。至此，基于柏拉圖立體的三維無線片上網絡中，存在無線節點的層間消息傳送就可以依靠無線路由器進行快速的數據包傳輸。本文同時提出了使用于此正六面體無線片上網絡架構的路由算法。

2 拓撲及路由算法

2.1 柏拉圖立體

本文中我們使用的是最基礎的正六面體結構。本文所研究的是一個8×8的4層一共256個IP Cores的同構片上網絡架構，這樣通過多層架構很適合研究柏拉圖立體在無線片上網絡上的應用。為了實現這樣設計的架構，采用了目前比較流行的同構片上網絡仿真器AccessNoxim_v2.0。改進為在該拓撲結構中選取第一和第四層在這兩層之間建立無線連接，同時這兩層中分別建立四個無線路由節點。正六面體的柏拉圖立體即為立方體，修改后的拓撲結構中的每個無線路由節點即為正六面體中的各個頂點。將第一層和第四層8×8的Mesh結構分別分為四個子網，每個子網為4×4的結構并且每個子網中分配一個無線路由節點如圖1所示。在Noxim仿真器中現有的拓撲結構基礎上增加無線路由節點和無線連接構成柏拉圖立體中的正六面體，使其可以應用到混合無線片上網絡中。

定義節點坐標為N（x，y，z）。其中第一層的節點（2，2，0）、（5，2，0）、（2，5，0）、（5，5，0）和第四層的（2，2，3）、（5，2，3）、（2，5，3）、（5，5，3）八個節點為無線節點，分別記為：WR0-WR7。中間兩層不存在無線節點。

2.2 路由算法

基于本文提出的柏拉圖立體架構，傳統的XYZ路由算法顯然不適合該架構下的節點之間的信息傳遞，因此提出了一種基于XYZ路由算法的適用于無線片上網絡架構的新型算法。無線節點之間是可以兩兩任意通信的，在提出的路由算法中，運用柏拉圖立體模型的對稱性，規定無線節點之間只能在垂直方向通信，具體描述如下：

2.2.1 判斷初始節點和目的節點是否在同一子網中。如果在同一子網中，則用基礎的XY路由算法實現初始節點到目的節點的傳輸。若不在，執行下一步。

2.2.2 如果不在同一子網中，判斷源節點與目的節點之間的層數差是否大于1，即通過源節點和目的節點的Z坐標之差得到。若層數之差大于1執行下一步，若層數之差等于1，則實行標準的XYZ路由算法進行節點之間的通信。

2.2.3 對于源節點和目的節點之差大于1的情況，則源節點的信息先傳輸到無線節點中，通過無線節點進行傳輸。

節點之間的信息傳輸方式大致分為三種方式，下文一一舉例來說明。對于同一層的情況（實例1），如圖3所示，假設源節點坐標為A（1，1，0），目的節點坐標是B（2，0，3），那么信息傳輸的路徑就為A（1，1，0）→WR0→WR4→B（2，0，3）。其中從節點（2，2，0）（WR0）到（2，2，3）（WR4）是無線傳輸，可以看出因為無線傳輸的存在，從源節點到目的節點節省了從第一層慢慢通過一個一個節點傳輸到第四層這個步驟，當片上系統規模較大的時候，會取得巨大的延遲改進。對于相鄰兩層之間的傳輸我們統一使用標準的XYZ路由算法。對于最后一種中間相隔一層的情況（實例2），如圖4所示，從源節點M（1，1，1）要發送信息到N（2，0，3），此時應用論文中提出的算法，首先不在同一層，將計算|Mz-Nz|=2，此時Z軸的坐標差是大于2的，所以此時應該將源節點A的數據包首先傳輸到距離A較近的擁有無線節點的第一層，然后再通過第一層的無線路由節點將數據信息傳輸到目的節點。傳輸路徑如下：M→WR0→WR2→WR6→WR4→N。

3 仿真實驗

仿真實驗是在AccessNoxim_v2.0仿真器上實現的，該仿真器的默認架構是同構的3D-mesh架構，運行于Ubuntu13操作系統下，操作簡單易于實現。通過基于AccessNoxim2.0原先的四層Mesh的三維結構，我們將其改成基于柏拉圖立體的混合無線的三維片上網絡結構。最后通過仿真實驗證明了本文提出的新型的無線片上網絡拓撲架構在功耗和延遲方面與傳統的3D-mesh片上網絡架構有了顯著的性能改善。

3.1 平均時延

片上網絡中產生的延遲（D）主要是來自于輸入和輸出延遲，即從數據流輸入信道進入到從輸出信道輸出所用的時間。為了計算片上網絡中的延遲，用下面的延遲模型計算。

D=Di+Do （1）

AD=D/SP （2）

式（1）中：D為總延遲值；Di為輸入端延遲；Do為輸出端延遲，總的延遲等于輸入信道產生的延遲和輸出信道產生的延遲的和。式（2）中：AD為平均延遲；SP為數據包大小，平均延遲的值等于平均每個數據包傳輸產生的延遲，即總延遲值除以數據包總量。

有關平均時延的仿真實驗的結果表明，在注入率較低的情況下，性能并沒有顯著的提升。但當注入率逐漸增大，有線片上網絡的時延和無線片上網絡的時延差距越來越明顯。

通過仿真數據可以看出，混合無線片網的延遲在較低數據流注入率的情況下差別不大，當注入率大于0.03后，改進后的仿真器在延遲方面的性能表現明顯優于之前的有線拓撲結構。

3.2 總功耗

仿真器運行的功耗主要來自于處理機產生的功耗和片上網路中數據通信產生的功耗。

P=Pn+Ppe （3）

式（3）中：P為總功耗值；Pn為片上網絡中數據通信產生的耗能值；Ppe為處理器產生的耗能值。

實驗表明，基于無線的拓撲結構在功耗性能上也要優于有線片網，注入率大于0.13后功耗趨于平穩。

4 結論與展望

本文主要研究柏拉圖立體結構在無線片上網絡拓撲結構中的應用及其性能分析。我們深入研究并改進了意大利Catania大學基于SystemC的三維片上網絡仿真器AccessNoxim中關于片上網絡拓撲結構的相關部分，將原有的用于有線三維片上網絡的拓撲結構改進為可用于無線片上網絡的混合無線片上網絡拓撲結構，該拓撲結構可應用于正六面體柏拉圖立體結構。然后在仿真器中利用該混合無線片上網絡拓撲結構映射系統任務并分別得出其延遲等性能參數并分析其與之前混合無線片上網絡拓撲結構的差異。

本文提出了一種基于柏拉圖立體的無線片上網絡的拓撲結構，通過仿真實驗可以發現，這種架構在功耗和時延上都取得了很大的改善。目前只做了一種柏拉圖立體模型，在后續的工作中將對其他幾種柏拉圖立體模型在片上網中的應用做進一步的研究。本次提出的無線拓撲結構是基于規則的3D-mesh結構，對于不規則的片上網絡還沒有更好的解決辦法，這都是下一步需要研究的

方向。

作者簡介：張鳴皓（1993-），男，山西太原人，中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院本科學生，研究方向：三維片上網絡；趙成龍（1994-），男，山西人，中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院本科學生，研究方向：三維片上網絡。

（責任編輯：黃銀芳）