CN104270327A - 一种基于集群的共享射频片上网络及映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集群的共享射频片上网络及映射方法，该片上网络包括共享射频通信子网，所述共享射频通信子网为底层通信子网划分的多个子网格，每个子网格形成一个集群，集群共享一个射频通信节点。映射方法包含步骤：1、确定共享射频片上网络的参数：集群大小S、集群个数Nc、共享射频信道带宽Bs，以及共享射频信道的数量Ns；2、将通信轨迹图划分为Nc个子通信轨迹图，使得切割边数量最少；3、把射频片上网络结构特征图划分为Nc个子网格，根据各集群间的通信权重，将集群映射到子网格；4、将处理节点映射到子网格中的路由节点和射频使能路由器节点。本发明的优点：提高了片上射频带宽资源的利用率，增加了片上网络信息传输的吞吐量和速度。

Description

一种基于集群的共享射频片上网络及映射方法

技术领域

本发明属于片上网络技术领域，具体涉及一种基于射频的片上网络结构及映射方法。

背景技术

随着CMOS工艺的进步和片上网络系统规模的增加，基于金属铜的片上互联面临着严重的性能及功耗瓶颈。根据国际半导体技术蓝图的预测，金属电气导线特性的进步不再满足未来应用对高效能通信互联（高带宽、低时延、低功耗）的巨大需求，光互联、射频互联、3D互联等新兴片上互联逐渐成为未来取代传统RC电气互联的可能趋势。与传统RC电气互联相比，片上射频互联能够受益于半导体工艺的进步，解决基于金属铜的片上互联技术在大规模片上网络中存在的传输延迟问题、带宽密度问题，以及功耗问题；与片上光互连等新兴互联技术相比，片上射频互联表现出更优良的CMOS兼容性和可实施性。基于射频的片上网络融合了传统RC电气互联和片上射频互联，已经成为技术过渡时期的主流设计方案之一，引起了国际上学术界和产业界的注意，成为未来片上网络发展的趋势之一。

基于射频的片上网络中，单个射频互联信道占据一定的频率范围。虽然片上射频互联资源能够随着设计工艺的进步而增加，但在目前的技术条件下，支持更多的片上射频互联信道，意味着更高的设计复杂度，以及难以接受的设计成本。信道间的干扰，信号传输的可靠性等问题限制了片上射频互联的增加。因此如何高效地分配有限的片上射频资源，以最少射频资源开销获得最高的性能提升，是基于射频互联的片上网络设计中的关键问题。通过对基于射频的片上网络的深入研究，发明人发现，现有的基于射频的片上网络都是基于独占射频互联的片上网络ERFNoC（Network-on-chip with exclusive allocated Radio Frequency），射频信道为特定的射频通信节点独享。这种独占式射频片上网络存在资源利用率不高，无法满足实时通信需求等问题。

 

发明内容

针对现有的射频片上网络面向大规模运算所存在的问题，本发明要解决的第一个技术问题就是提供一种基于集群的共享射频片上网络，它能实现各射频通信节点共享片上射频信道，并能充分利用片上电气互联在近距离通信方面的优势和高效利用片上射频互联，满足集群间的高吞吐量和高速通信需求。

本发明要解决的另一个技术问题就是提供一种基于集群的共享射频片上网络的映射方法，它能实现片上网络子通信集群到片上网络子网格的优化映射。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于集群的共享射频片上网络，它包括底层通信子网，底层通信子网包含有路由器、射频使能路由器和电气有线链路，还包括共享射频通信子网，所述共享射频通信子网为底层通信子网划分的多个子网格，每个子网格形成一个集群，集群包含有射频使能路由器和射频传输链路，射频使能路由器通过其射频通信节点连接到射频传输链路上，集群共享一个射频通信节点。

本发明将底层通信子网划分为多个集群，集群内部各单元之间通过电气互联，各集群的射频使能路由器通过其射频节点连接到射频传输链路，在应用执行周期内，射频互联资源根据仲裁策略实时按需分配，射频通信节点可在特定通信周期内享有对某个频带资源的独占权，实现了各射频通信节点共享片上射频信道，且依靠片上电气互联和片上射频互联，满足大规模运算所需的高吞吐量和高速通信要求。

本发明提供的基于集群的共享射频片上网络的映射方法，包括以下步骤：

步骤1、根据给定的应用通信轨迹图和可用的射频互联资源总带宽约束，通过设计优化目标，确定共享射频片上网络的四个基本参数：集群大小S、集群个数Nc、共享射频信道带宽Bs，以及共享射频信道的数量Ns；

对于给定的包含N个处理节点的应用通信轨迹图，以及给定的射频互联资源总带宽约束B_rf，四个基本参数：集群大小S、集群个数N_c、共享射频信道带宽B_s，以及共享射频信道的数量N_s满足如下条件：

1）每个集群所包含的处理节点个数相同，即每个集群大小S相等，且集群个数与集群大小的乘积不小于处理节点的总个数N；

2）共享射频信道的带宽相同，且共享射频信道的数量Ns与共享射频信道带宽Bs的乘积不大于射频互联资源总带宽约束B_rf；

3）共享射频信道的带宽不能小于电气有线传输信道的带宽，且共享射频信道的带宽为电气有线传输信道带宽的整数倍；

对于满足上述约束条件的可能参数组合，采用启发式搜索算法或穷尽搜索算法，选择使得系统设计的目标函数值最优的组合为基于集群的共享射频片上网络设计参数。

步骤2、对于给定的通信轨迹图，将其划分为Nc个子通信轨迹图，使得切割边数量最少；

采用图论中图的划分算法，将给定的通信轨迹图划分为Nc个子通信轨迹图，使得子通信轨迹图之间的切割边数量最少，划分后的子通信轨迹图为子通信集群。

步骤3、把射频片上网络结构特征图划分为Nc个子网格，根据子通信轨迹图中各子通信集群间的通信权重，将子通信集群映射到子网格；

计算各子通信集群的外连接度和各子网格的资源度，外连接度高的子通信集群首先选择映射的子网格，且选择资源度较高的子网格。

所述子通信集群的外连接度是指，该子通信集群中的处理节点与不在同一子通信集群中的处理节点之间的通信权重的总和。所述子网格的资源度是指与该子网格存在路由连接通路的其它子网格的个数。

步骤4、将每个子通信集群中的处理节点映射到各子网格中的路由节点和射频使能路由器节点。

将每个子通信集群中的处理节点映射到各子网格中的各节点的映射包括3个步骤：

1）射频通信节点映射

映射时选择各子通信集群中外连接度最大的处理节点映射到各子网格的射频通信节点位置；在有多个处理节点外连接度相等且都为最大外连接度的条件下，选择这些处理节点中内连接度最小的节点映射到射频通信节点；

2）边界点映射

按照外连接度高低将外连接度不为零的处理节点，依次映射到子网格的边缘路由节点；

3）内点映射

按照内连接度高低将剩余处理节点依次映射到子网格的剩余路由节点。

 所述处理节点的外连接度是指，该处理节点与不在同一子通信集群中的处理节点之间的通信权重；所述处理节点的内连接度是指，该处理节点与在同一子通信集群中的处理节点之间的通信权重。

本方法发明将通信轨迹图的子通信集群映射到片上网络结构特征图的子网格，由于利用图论中图的划分算法，减小了集群之间射频传输链路的通信量，实现了优化映射。

所以本发明具有如下的优点：面对大规模运算的高能效需求，结合大规模运算系统的“局部性”通信特征和片上射频互联的特性，提高了片上射频带宽资源的利用率，增加了片上网络信息传输的吞吐量和速度，解决了目前射频片上网络存在的资源利用率差、无法满足实时通信需求等问题。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1 为本发明一个实施例的片上网络结构特征图；

图2为采用穷尽搜索算法计算网络的最优设计参数的流程图；

图3为本方法发明的实施例通信轨迹图；

图4为本方法发明的实施例通信轨迹图的集群划分图；

图5为本方法发明的实施例的子通信集群映射示意图；

图5a为子通信轨迹图；

图5b为本方法发明的实施例的片上网络结构特征图；

图5c为子网格的结构特征图；

图5d为子通信集群映射到子网格的示意图；

图6为本方法发明的实施例中子通信集群C中的处理节点映射示意图；

图7为本方法发明的实施例完成处理节点映射后的结果示意图。

图1中，1.路由器；2.射频使能路由器；3.电气有线链路；4.共享射频通信子网；5.射频传输链路，6.射频通信节点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的基于集群的共享射频片上网络如图1所示，在该实施例中，底层通信子网包含四十八个路由器1、六个射频使能路由器2和电气有线链路3；还包括共享射频通信子网4，该共享射频通信子网4包含射频传输链路5和一个射频使能路由器2，构成六个集群，每个集群都为3×3的二维网格结构，射频使能路由器2通过其射频通信节点6连接到射频传输链路5上，集群共享一个射频通信节点6。

射频通信节点由射频收发器、数据缓存单元，数据调制解调器、低通滤波器等组成，实现基于射频互联的数据接收、发送和处理。射频使能路由器是指扩展了连接射频通信节点接口的路由器。射频使能路由器通过射频通信节点的射频收发器连接到射频传输链路，实现基于射频的数据通信和路由。

通过射频通信节点实现与其它集群内节点的射频通信，各集群射频使能路由器通过射频通信节点连接到射频传输链路，共享多条射频传输信道。共享射频传输信道的分配及管理采用令牌仲裁或者流仲裁策略，实现共享射频传输信道的实时按需分配。为了避免死锁的问题，本实施例中的射频通信节点位于子网格的角点位置。射频通信节点也可以根据需要设置在子网格的其它位置。

实施上述基于集群的共享射频片上网络的映射方法通过以下步骤：

步骤1、对于给定的总的通信节点个数N和总射频带宽B_rf，假设片上网络电气有线传输信道的带宽为B_rc，基于集群的共享射频片上网络设计时，四个基本参数需要满足:

N = S × N_c（1＜S＜N）         

B_rf = B_s × N_s （B_rc≤B_s≤B_rf，且B_s = r×B_rc，）

其中，S、N_c、r、B_s及N_s都为正整数，S为集群大小，N_c为集群个数，B_s为共享射频信道带宽，N_s为共享射频信道的数量。由于处理节点之间的路由通信路径有可能包括电气传输链路和射频传输链路，为了降低电气传输与射频传输的数据封装开销，本发明设定共享射频信道带宽B_s为电器有线传输信道带宽B_rc的整数r倍。

假设集群大小的可能取值集合为S，集群个数的可能取值集合为N_c，集群大小与集群个数组合的取值P为：P_i ={ S_{_i} , N_{c_i} }，其中S_{_i} , N_{c_i}都为正整数，且满足S_{_i} × N_{c_i} =N及1＜S＜N。那么对于给定的设计输入，其集群划分的可能情况，P =                                                。这里P_i 代表集群大小与集群个数的第i种可能组合，S_{_i} 代表集群大小的可能取值集合中的第i个元素， N_{c_i}代表集群个数的可能取值集合中的第i个元素。

假设共享射频信道带宽B_s和共享射频信道的数量N_s的可能取值组合为：Q_i ={ B_{s_i} ，N_{s_i} }，其中B_{s_i}，N_{s_i}都为正整数。

本方法发明限定共享射频信道的带宽不能小于电气有线传输信道的带宽，且共享射频信道的带宽的可能取值为电气有线传输信道的整数倍。因此，对于任意可能的取值组合Q_i，满足B_{s_i} × N_{s_i} = B_rf，且B_rc≤B_s≤B_rf，B_s = r×B_rc。其中，r、B_s及N_s都为正整数。那么对于给定的设计输入，其射频信道划分的可能情况，Q=  。这里Q_i 表示共享射频信道带宽B_s的可能取值集合中的第i个元素，B_{s_i}表示共享射频信道的数量N_s的可能取值集合中的第i个元素。

因此，当系统总的通信节点个数N和总射频带宽B_rf一定时，基于集群的共享射频片上网络设计的可能组合数最多有T = P×Q种。

如图2所示，采用穷尽搜索算法对设计参数进行最优化。搜索时，首先选取所有可能的参数组合中的第1种作为当前的最优组合T_optimal，初始化搜索计数j=2，从所有可能的参数组合中的第2种开始计算。计算参数组合T_optimal对应的目标函数值SOF（T_optimal）以及参数组合T_j对应的目标函数值SOF（T_j）。比较两个目标函数值，SOF（T_j）和 SOF（T_optimal），若SOF（T_j）小于 SOF（T_optimal），则将组合T_j更新为当前最优组合T_optimal。否则保持原最优组合不变。完成比较后，判定是否搜索完所有的可能组合，若搜索到最后一个组合，则输出当前组合T_optimal为模型的最优设计参数组合。否则进行下一个组合，进行计算和比较，直到搜索完毕。

选择使得设计的目标函数值最小的组合为最优的设计参数，目标函数SOF（System Objective Function）由成本（Cost）和性能（Performance）两个部分组成，其计算公式可以描述为：

SOF = β× Performance +（1-β）× Cost，（其中0≤β≤1）

这里，参数β根据设计需求自定义，若只考虑成本优化，则可设定β=0；若只考虑性能优化，则可设定β=1；若同时权衡成本和性能，则可设定β为1个介于0和1之间的小数。

那么，最优参数组合可以描述为：

T_optimal = Min{ SOF (}

其中，  =，T =|| =P×Q；

P_i ={ S_{_i} , N_{c_i} }，满足S_{_i} × N_{c_i} =N，1＜S＜N （S_{_i} , N_{c_i}都为正整数）

Q_i ={ B_{s_i} ，N_{s_i} }，满足B_{s_i} × N_{s_i} = B_rf，且B_rc≤B_s≤B_rf，B_s = r×B_rc。（r、B_s及N_s都为正整数）。

步骤2、对于给定的通信轨迹图，将其划分为Nc个子通信轨迹图，使得切割边数量最少。

本实施例的通信轨迹图如图3所示，包括16个处理节点，经过步骤1后，得到Nc=4，即集群个数为4，每个集群包含4个处理节点。图3中，小圆圈表示处理节点，p_i表示所有处理节点的编号，若某两个小圆圈之间的连线，则表示这两个处理节点之间存在着通信关系。

根据本方法发明所提出的映射方法中的步骤2，对于给定的通信轨迹图，本实施例采用图论中的多级K路划分方法来解决通信轨迹图的划分问题，将其划分为4个子通信轨迹图，使得切割边数量最少，划分后的结果如图4所示。

步骤3、把射频片上网络结构特征图划分为4个子网格，根据子通信轨迹图中各子通信集群间的通信权重，将子通信集群映射到子网格。

如图5a所示，该应用示例例各子通信集群间的通信权重为：ED_a=4，ED_b=3，ED_c=6，ED_d=3。这里，子通信集群间的通信权重是指，该子通信集群中的处理节点与不在同一子通信集群中的处理节点之间的通信权重的总和。由于本示例的集群个数为4，因此结构特征图也划为4个子网格，子网格的划分如图5b所示。如图5c所示，划分好的各子网格的资源度RD为：RD1=RD2=RD3=RD4=2。这里，子网格的资源度是指与该子网格存在路由连接通路的其它子网格的个数。

根据本发明所提出的方法，该应用示例的映射顺序为C、A、B、D，子通信集群C首先选择子网格，由于该例中四个子网格的节点度都相等，因此，子通信集群C随机选择一个子网格Sub Mesh 1；接着映射子通信集群A和B，由于它们和已映射的子通信集群C存在切割边，因此分别映射到子网格3和2，最后将子通信集群映射到子网格4。完成子集群向子网格的映射后，结果如图5d所示。

步骤4、将每个子通信集群中的处理节点映射到各子网格中的路由节点和射频使能路由器节点。

本实施例中，子通信集群C中的处理节点映射如图6所示，处理节点p₁₅由于外连接度最高（ED[15]=3）被映射到子网格1中的射频通信节点位置，处理节点p₁由于内连接度最高且外连接度最低（ED[1]=0，ID[1]=2），应该映射到子网格中资源度最高的路由节点，但由于子网格中各路由节点的资源度相等，因此将处理节点p₁映射到距离射频路由节点较远的位置；处理节点p₇和p₄由于外连接度不为零，因此映射到了边缘路由节点位置。本实施例完成处理节点映射后的结果如图7所示。

上述实施例仅属于本发明的实例，本发明的保护范围并不局限于该实施例。

Claims (5)

1.一种基于集群的共享射频片上网络，包括底层通信子网，底层通信子网包含有路由器、射频使能路由器和电气有线链路，其特征是：还包括共享射频通信子网，所述共享射频通信子网为底层通信子网划分的多个子网格，每个子网格形成一个集群，集群包含有射频使能路由器和射频传输链路，射频使能路由器通过其射频通信节点连接到射频传输链路上，集群共享一个射频通信节点。

2.一种实施权利要求1所述基于集群的共享射频片上网络的映射方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据给定的应用通信轨迹图和可用的射频互联资源总带宽约束，通过设计优化目标，确定共享射频片上网络的四个基本参数：集群大小S、集群个数Nc、共享射频信道带宽Bs，以及共享射频信道的数量Ns；

步骤2、对于给定的通信轨迹图，将其划分为Nc个子通信轨迹图，使得切割边数量最少；

步骤3、把射频片上网络结构特征图划分为Nc个子网格，根据子通信轨迹图中各子通信集群间的通信权重，将子通信集群映射到子网格；

步骤4、将每个子通信集群中的处理节点映射到各子网格中的路由节点和射频使能路由器节点。

3.根据权利要求2所述的基于集群的共享射频片上网络的映射方法，其特征是：在步骤1中，四个基本参数：集群大小S、集群个数N_c、共享射频信道带宽B_s，以及共享射频信道的数量N_s满足如下条件：

1）每个集群所包含的处理节点个数相同，且集群个数与集群大小的乘积不小于处理节点的总个数N；

2）共享射频信道的带宽相同，且共享射频信道的数量Ns与共享射频信道带宽Bs的乘积不大于射频互联资源总带宽约束B_rf；

3）共享射频信道的带宽不能小于电气有线传输信道的带宽，且共享射频信道的带宽为电气有线传输信道带宽的整数倍；

对于满足上述约束条件的可能参数组合，采用启发式搜索算法或穷尽搜索算法，选择系统目标函数值最优的组合为基于集群的共享射频片上网络设计参数。

4.根据权利要求3所述的基于集群的共享射频片上网络的映射方法，其特征是：在步骤2中，采用图论中图的划分算法，将给定的通信轨迹图划分为Nc个子通信轨迹图，使得子通信轨迹图之间的切割边数量最少，划分后的子通信轨迹图为子通信集群。

5.根据权利要求4所述的基于集群的共享射频片上网络的映射方法，其特征是：在步骤4中，将每个子通信集群中的处理节点映射到各子网格中的各节点的映射包括3个步骤：

1）射频通信节点映射  

映射时选择各子通信集群中外连接度最大的处理节点映射到各子网格的射频通信节点位置；在有多个处理节点外连接度相等且都为最大外连接度的条件下，选择这些处理节点中内连接度最小的节点映射到射频通信节点；

边界点映射 

按照外连接度高低将外连接度不为零的处理节点，依次映射到子网格的边缘路由节点；

内点映射  

按照内连接度高低将剩余处理节点依次映射到子网格的剩余路由节点。