CN103984674A - 一种用于无线片上网络通信的中央控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于无线片上网络通信的中央控制器及其控制方法，当无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送空信号为1的数据发送请求信号时，该多路复用器i根据目的地址信号过滤出无线路由节点当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，若满信号等于1，与门输出等于1的预使能信号给控制器，控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器来控制该无线路由节点发送数据包；本发明通过增加的中央控制器对所有无线子网间的通信过程进行控制，使共享无线信道的带宽得到充分利用，有效防止节点饿死现象，能有效缓解多跳传输方式所造成的网络拥塞，提高了网络吞吐量，并降低数据包传输延迟和通信能耗。

Description

一种用于无线片上网络通信的中央控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线片上网络通信的中央控制器及其控制方法。

背景技术

随着集成工艺技术的发展以及市场的需求推动，单芯片上所能集成的IP核数目不断增加，片上网络规模不断扩大，现有片上网络通信架构有线多跳传输的局限性已经逐步显现。例如，对于通信距离较远的两个节点，数据包的多跳通信延迟和能耗将更加明显。

为了解决超大规模片上系统IP核之间的通信问题，研究人员提出了无线片上网络技术。即，通过高带宽、低延迟、低能耗的无线链路，取代传统片上网络中长距离有线多跳的通信方式，显著提高网络性能并降低能耗。

目前，主要的片上无线通信技术包括如下四种：第一种片上无线通信技术工作在UWB频段，采用180 nm工艺和Meander type dipole天线，传输范围和数据率分别为1 mm和1.16 Gbps；第二种片上通信技术工作在毫米波（mm-Wave）频段，采用65 nm工艺和Zigzag天线，传输范围、数据率和每比特数据的能耗分别为20 mm、16 Gbps和2.3 pJ；第三种片上通信技术工作在Sub THz频段，采用32 nm工艺，传输范围、数据率和每比特数据的能耗分别为10 mm-20 mm、320 Gbps和4.5 pJ；第四种片上通信技术工作在THz频段，采用多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotube，MWCNT）天线，传输范围、数据率和每比特数据的能耗分别为23 mm、240 Gbps和0.33 pJ。

现有的无线片上网络通信架构可以分为三类：

（1）基于FDMA无线片上网络通信架构：在该类架构中，数据包需要多跳无线传输才能到达目的节点，容易造成网络拥塞和死锁，而且，由于在芯片上很难实现大量的工作在不同频率的天线，因此只能支持子网数量较少的无线片上网络。此外，由于部分频带需要用作隔离带，无线带宽利用率较低。

（2）基于CDMA无线片上网络通信架构：在这类架构中，每个无线路由节点需要集成额外的编码和解码器，因此，这种架构的面积和能耗将随网络规模的增大而线性增长。此外，频带利用率将随着传输节点数的变化而变化。当网络中只有一个节点发送数据包时，由于采用了扩频编码，网络中实际传输的数据率将远小于物理链路速率。

（3）基于标签传递协议的TDMA无线片上网络通信架构：在该类架构中，只有拥有标签的无线路由节点可以发送数据，主要缺点如下：i）需要额外的用于传递标签的信道；ii）当只有少数无线路由节点有数据需要传输时，由于有数据的无线路由节点需要等待标签到达后才能传输数据，因此，在这种情况下频带利用率将较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无线片上网络通信的中央控制器及其控制方法，通过引入一个额外的中央控制器对所有无线子网间的通信过程进行控制，使无线链路带宽得到充分利用，采用单跳传输方式，有效缓解多跳传输方式所造成的网络拥塞，可以有效提高网络吞吐量，并降低数据包传输延迟和通信能耗。

本发明一种用于无线片上网络通信的中央控制器，由                                               个多路复用器、个与门，一个计时器和一个控制器组成，其中为无线路由节点数，该每一个多路复用器与所有的无线路由节点的接收缓存单元相连接，接收所有接收缓存单元发送的满信号，该多路复用器连接对应的无线路由节点i的数据包解析器，接收其发送的目的地址信号i，该与门i连接无线路由节点i的发送缓存单元和多路复用器i，接收该发送缓冲单元发送的空信号和多路复用器i发送的目的无线路由节点的满信号k；该控制器连接所有的与门和计时器，接收所有与门发送的预使能信号和计时器的时间截止信号，并发送复位信号给计时器和使能信号给对应无线路由节点的链路控制器；

当无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送空信号为1的数据发送请求信号时，即表示无线路由节点i的发送缓存单元非空，该多路复用器i根据目的地址信号过滤出无线路由节点当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，若满信号等于1，即表示目的无线路由节点k的接收缓存单元不满，与门输出等于1的预使能信号给控制器，表示无线路由节点i满足传输条件，可以被允许发送数据；中央控制器中的控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器，来控制该无线路由节点发送数据包；当中央控制器中的控制器在允许每次数据包传输时，同时发送一个复位信号让计时器复位，当计时器的计数值等于数据包传输时间所需要的周期数时，计时器发送一个时间截止信号给控制器，由控制器根据该时间截止信号来结束当前的数据传输并允许下一个无线路由节点开始传输数据。

一种用于无线片上网络通信的中央控制器的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送等于1的空信号，即表示无线路由节点i的发送缓存单元非空，作为数据发送请求信号；

步骤2、无线路由节点中的数据包解析器通过解析该无线路由节点i的发送缓存单元中的数据包，获得该等待发送的数据包的目的无线路由节点地址信息，并将该目的无线路由节点地址信息作为目的地址信号i发送给中央控制器的多路复用器i；

步骤3、多路复用器i接收来自所有无线路由节点接收缓存单元发送的满信号，根据目的地址信号过滤出无线路由节点当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，并发送给与门i；

步骤4、当满信号等于1时，即表示目的无线路由节点k的接收缓存单元不满，与门输出等于1的预使能信号给控制器，表示无线无线路由节点i满足传输条件，可以被允许发送数据；

步骤5、中央控制器中的控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器，来控制该无线路由节点发送数据包；

步骤6、当中央控制器中的控制器发送使能信号i给无线路由节点i的链路控制器，链路控制器控制发送缓存单元中的数据包通过射频天线传输出去，同时控制器发送一个复位信号让计时器复位，计数器开始计数；

步骤7、当中央控制器允许无线路由节点i传输数据时，它同时寻找下一个满足传输条件的无线路由节点，即提出发送数据请求的无线路由节点且其目的无线路由节点的接收缓存单元未满的；当计时器的计数值等于数据包传输时间所需要的周期数时，计时器发送一个时间截止信号给控制器，由控制器根据该时间截止信号来结束当前的数据传输并允许下一个无线路由节点开始传输数据。

本发明通过增加的中央控制器对所有无线子网间的通信过程进行控制，使所有无线路由节点工作在同一信道，并通过中央控制器实现共享信道资源公平分配，而且在控制过程中，通过采用流水线技术，使共享无线信道的带宽得到充分利用，可有效防止节点饿死现象，能有效缓解多跳传输方式所造成的网络拥塞，提高了网络吞吐量，并降低数据包传输延迟和通信能耗。

附图说明

图1为本发明基于中央控制器的无线片上网络工作原理图；

图2为本发明中央控制器的逻辑结构图；

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

如图1所示，本发明的整个网络分割成个规则型子网，其中每个有线子网通过一个无线路由节点和其他子网进行无线通信,且每个无线路由节点均与中央控制器连接进行信息交互；当有线子网与其它子网进行无线通信时，有线子网将数据包传给无线路由节点的发送缓存单元，该发送缓存单元采用FIFO缓存方式，即在无线路由节点i被允许发送数据包的时候，先到达发送缓存单元的数据包将优先传输；该无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器发送“空信号”作为该无线路由节点的数据发送请求信号，并假定空信号等于“0”和“1”分别表示无线路由节点发送缓冲为空和非空。因此，当无线路由节点的发送缓存空信号为“1”时，中央控制器知道无线路由节点正在请求发送数据；无线路由节点中的数据包解析器通过解析该路由节点发送缓存单元中的数据包，从而获得该等待发送的数据包的目的无线路由节点地址信息，并将该目的无线路由节点地址信息发送给中央控制器；为了保证公平性，中央控制器采用轮询算法处理所有无线路由节点的发送数据请求，从而避免了节点饿死；当中央控制器处理无线路由节点的发送数据请求时，根据该目的无线路由节点地址信息去判断该目的无线路由节点的接收缓存单元是否为满，若不满（相应的满信号为“1”），则允许无线路由节点发送当前数据包。需要说明的是：为了避免数据包因目的无线路由节点接收缓存单元溢出而丢失，在设计无线路由节点接收缓存单元时预留了两个数据包的空间，即，当无线路由节点接收缓存单元的剩余空间小于两个数据包时，相应满信号就变为有效状态（等于“0”）。为了充分利用有限的带宽资源，当中央控制器允许无线路由节点i传输数据时，它同时寻找下一个满足传输条件的无线路由节点，即提出发送数据请求的无线路由节点且其目的无线路由节点的接收缓存单元未满的；在当前无线路由节点传输结束时，中央控制器可以立刻允许下一个满足传输条件的无线路由节点传输数据。也就是说，中央控制器不需要额外的时间寻找下一个可以传输的无线路由节点，因此，只要有一个无线路由节点有数据包等待传输，无线链路都会处于忙碌状态，当无线路由节点收到中央控制器的使能信号，无线路由节点i中的链路控制器将允许发送缓存单元中的数据包通过射频天线（radio frequency，RF）传输出去。本发明无线路由节点间采用半双工通信方式，而且无线信道采用广播式通信。因此，当无线路由节点中的射频天线不存在数据传输时，都会接收无线信道中传输过来的数据包，并传给数据包过滤器；若接收到的数据包的目的地址为本无线路由节点，数据包过滤器则将数据包传输给接收缓存单元，否则数据包过滤器将数据包丢弃。

如图2所示，本发明的中央控制器由个多路复用器（multiplexers, MUXs）、个与门（AND gates），一个计时器（counter）和一个控制器（controller）组成，其中为无线路由节点数，该每一个多路复用器与所有的无线路由节点的接收缓存单元相连接，接收所有接收缓存单元发送的满信号，该多路复用器连接对应的无线路由节点i的数据包解析器，接收其发送的目的地址信号i，该与门i连接无线路由节点i的发送缓存单元和多路复用器i，接收该发送缓冲单元发送的空信号和多路复用器i发送的目的无线路由节点的满信号k；该控制器连接所有的与门和计时器，接收所有与门发送的预使能信号和计时器的时间截止信号，并发送复位信号给计时器和使能信号给对应无线路由节点的链路控制器。

当无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送空信号为1的数据发送请求信号时，即表示无线路由节点i的发送缓存单元非空，该多路复用器i根据目的地址信号过滤出无线路由节点当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，若满信号等于1，即表示目的无线路由节点k的接收缓存单元不满，与门输出等于1的预使能信号给控制器，表示无线路由节点i满足传输条件，可以被允许发送数据；中央控制器中的控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器，来控制该无线路由节点发送数据包；当中央控制器中的控制器在允许每次数据包传输时，同时发送一个复位信号让计时器复位，当计时器的计数值等于数据包传输时间所需要的周期数时，计时器发送一个时间截止信号给控制器，由控制器根据该时间截止信号来结束当前的数据传输并允许下一个无线路由节点开始传输数据。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种用于无线片上网络通信的中央控制器，其特征在于：由N个多路复用器、N个与门，一个计时器和一个控制器组成，其中N为无线路由节点数，该每一个多路复用器与所有的无线路由节点的接收缓存单元相连接，接收所有接收缓存单元发送的满信号，该多路复用器i连接对应的无线路由节点i的数据包解析器，接收其发送的目的地址信号i，该与门i连接无线路由节点i的发送缓存单元和多路复用器i，接收该发送缓冲单元发送的空信号和多路复用器i发送的目的无线路由节点的满信号k；该控制器连接所有的与门和计时器，接收所有与门发送的预使能信号和计时器的时间截止信号，并发送复位信号给计时器和使能信号给对应无线路由节点的链路控制器；

当无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送空信号为1的数据发送请求信号时，该多路复用器i根据目的地址信号i过滤出无线路由节点i当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，若满信号k等于1，即表示目的无线路由节点k的接收缓存单元不满，与门i输出等于1的预使能信号i给控制器，表示无线路由节点i满足传输条件，可以被允许发送数据；中央控制器中的控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器，来控制该无线路由节点发送数据包；当中央控制器中的控制器在允许每次数据包传输时，同时发送一个复位信号让计时器复位，当计时器的计数值等于数据包传输时间所需要的周期数时，计时器发送一个时间截止信号给控制器，由控制器根据该时间截止信号来结束当前的数据传输并允许下一个无线路由节点开始传输数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线片上网络通信的中央控制器的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、无线路由节点i的发送缓存单元向中央控制器的与门i发送等于1的空信号，作为数据发送请求信号；

步骤2、无线路由节点i中的数据包解析器通过解析该无线路由节点i的发送缓存单元中的数据包，获得该等待发送的数据包的目的无线路由节点地址信息，并将该目的无线路由节点地址信息作为目的地址信号i发送给中央控制器的多路复用器i；

步骤3、多路复用器i接收来自所有无线路由节点接收缓存单元发送的满信号，根据目的地址信号i过滤出无线路由节点i当前请求的目的无线路由节点k的满信号k，并发送给与门i；

步骤4、当满信号k等于1时，即表示目的无线路由节点k的接收缓存单元不满，与门i输出等于1的预使能信号i给控制器，表示无线路由节点i满足传输条件，可以被允许发送数据；

步骤5、中央控制器中的控制器轮询处理所有等于1的预使能信号，并通过发送等于1的使能信号给对应的无线路由节点的链路控制器，来控制该无线路由节点发送数据包；

步骤6、当中央控制器中的控制器发送使能信号i给无线路由节点i的链路控制器，链路控制器控制发送缓存单元中的数据包通过射频天线传输出去，同时控制器发送一个复位信号让计时器复位，计数器开始计数；

步骤7、当中央控制器允许无线路由节点i传输数据时，它同时寻找下一个满足传输条件的无线路由节点，即提出发送数据请求的无线路由节点且其目的无线路由节点的接收缓存单元未满的；当计时器的计数值等于数据包传输时间所需要的周期数时，计时器发送一个时间截止信号给控制器，由控制器根据该时间截止信号来结束当前的数据传输并允许下一个无线路由节点开始传输数据。