CN116546589B - 一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光信号处理领域，具体涉及一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，包括对片上光网络进行分簇，每个簇内设置一个中心节点和多个其他节点，簇内中心节点包括激光收发射装置，网络拓扑上方设置有无源反射超表面，簇内其他节点安装有光路由器，节点之间通过有线连接的方式进行连接，每个中心节点之间通过激光收发射装置和有无源反射超表面进行通信；本发明通过利用无源反射超表面技术实现了时延小、插入损耗低、跳数少的片上光网络，本发明在网格拓扑基础上，引入无源反射超表面，不需要经过多跳来实现中心节点之间的连接，只需在相应的位置放置超表面，经过激光器发射角度的调节，便可以达到对应的目标节点，从而提高可扩展性。
Description
技术领域
本发明属于光信号处理领域，具体涉及一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构。
背景技术
随着新一代信息技术的飞速发展，科学计算和机器学习等大数据处理应用需求的攀升推动了高性能计算系统的不断进步。为了满足现代处理系统对计算能力的日益增长的需求，高性能计算中的单核处理器不可避免的演变成多核处理器系统。多核处理器系统的性能不仅取决于单个处理器的性能，还取决于片上不同处理器之间的高效互连与通信。因此，片上多核处理器之间高性能互连方式的设计具有重要的科学意义及应用价值。
用于片上处理器之间通信的互连方式从传统总线型片上系统发展到电学片上网络(Electron Network-on-Chip,ENoC)，再到片上光网络(Optical Network-on-Chip,ONoC)。传统的片上系统采用总线型金属线互连方式，其扩展性差，功耗高，带宽有限。相对于串行通信的片上系统，具有并行传输特性的ENoC性能有所提高，但依旧受到电子互连的低带宽、延迟和高功耗的限制。硅光子学技术的最新进展为将光子学集成到片上互连网络开辟了道路。近年来，基于硅光子学的ONoC已成为片上多处理器系统ENoC的最佳替代方案。与ENoC相比，ONoC具有更高的能源效率、更高的带宽、更低的延迟、更好的信噪比(Signalto Noise Ratio,SNR)和更好的误码率(Bit Error Ratio,BER)。
由于ONoC面临光存储和处理的挑战，它需要电到光和光到电的转换器，从而导致功率开销。因此，通常采用光电混合互连的方式作为一种权衡，其中电子层传输控制信息，光学层执行数据传输。为了进一步提高ONoC的性能，设计一种高效的网络拓扑结构则非常关键。在ONoC中，一些典型的拓扑结构表现出了较为良好的性能，如网格、环面和胖树。由于这些结构的复杂性和高损耗，研究人员设计了一些优化结构。例如，基于环面结构的折叠环面来降低时延，提高吞吐量；通过对复杂胖树拓扑的布局优化，减少了交叉波导的数量。此外，ONoC的性能方面，研究人员也提出了一些优化方案，如：提出全自动拓扑结构和物理布局协同设计流程，改进了波长分配方案，可在显著加速的同时最大限度地减少插入损耗和激光功率；将网格和环面结构相结合，改善平均延迟和提高大数据包吞吐量等。
目前多种拓扑结构已被提出，但由于其规则的结构和网络性能方面的可扩展性，网格结构在ONoC的研究和设计中仍是首选。然而，由于其低连接性，网格有许多长曼哈顿距离路径，其中包含许多光学路由器(Optical Routers,ORs)。每个OR由大量的硅交叉波导和基于微环谐振器(Microresonator,MR)的光开关元件组成，两者都是导致插入损耗和串扰噪声的关键因素。光信号的可靠性在经过长曼哈顿距离的传输后大大降低。目前，为了抑制串扰和减少损耗，一些研究人员正在优化ORs，以减少MRs和波导交叉的数量。此外，还设计了一些新的路由算法来减少的损耗。然而，在网格拓扑结构中长曼哈顿距离路径的问题仍然存在。
传统的有线ONoC主要采用的是基于MR的有线光互连，在有线光链路中，存在调制器、滤波器和波分复用路由等基本元件，这些元件利用了MR的谐振行为，需要对谐振波长进行微调(例如通过热调谐)。环形调谐导致整体功率显著增加，并导致器件复杂性显著增长。另外，在基于MR的网络中，光并行度的增加会导致所需的MR数量过多，从而导致整体功率损耗过高。因此，研究人员提出了无线-光混合片上网络，即光传输层和无线传输层。无线传输层具有远距离单跳传输和自然扇出的特点。虽然无线传输层可以潜在地减轻有线网络拓扑结构的复杂性和开销，但是当使用非常高的频率传输时，仍存在无线信道资源供应不足以及难以集成等问题。为了解决这一问题，本课题设计超表面辅助的片上光网络架构，可以实现高容量的无线连接，以及具有低损耗、易集成等优势。超表面是一种超薄的人工电磁材料，是二维形态的超材料。光学超表面器件具有紧凑稳固、轻薄小巧、易于集成、损耗小的特点。超表面通过在二维平面上引入一层亚波长微结构，可实现对入射电磁波强度、相位、偏振、频率、角动量等特性的灵活调控。通过设计超表面不同空间位置微结构的电磁响应，便可控制反射或透过电磁波的强度或相位分布，实现对电磁波传播特性的调控。
与传统的ONoC相比，将超表面应用于片上光网络架构的设计中具有许多优势。具体表现在：(1)在保持网格状拓扑结构的优势下，将光路由器层划分为多个簇，采用簇型结构可以有效降低长曼哈顿距离问题产生的影响。(2)在簇间通信中，采用超表面技术，实现片上光无线互连，降低时延，提升吞吐量，提升系统的稳定性。(3)由于超表面的低损耗，降低系统的插入损耗，改善串扰噪声，提升信噪比。因此，超表面辅助的片上光网络架构具有高效率、低损耗等优势，具有非常大的研究及应用价值。
发明内容
为了解决以光互连为主的片上光网络架构中时延较大、插入损耗较大以及长曼哈顿距离路径问题，本发明提出一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，包括对片上光网络进行分簇，每个簇内设置一个中心节点和多个其他节点，簇内中心节点包括激光收发射装置，网络拓扑上方设置有无源反射超表面，簇内其他节点安装有光路由器，节点之间通过有线连接的方式进行连接，每个中心节点之间通过激光收发射装置和有无源反射超表面进行通信。
进一步的，若片上光网络的尺寸为N×N，将该网络分为多个簇，每个簇的规模为M×M，从每个簇中找出距离其他节点的平均距离最小的节点作为中心节点。
进一步的，当M通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点，并使得全局跳数最小；对于M为偶数时，通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点候选集合，基于全局最小跳数从中心节点候选集合总选出中心节点。
进一步的，基于XY路由算法计算全局最小跳数，全局最短跳数总和表示为：
其中，Dsd为全局最短跳数总和；lwireless为源节点所在簇的中心节点坐标(xs',ys')到目的节点所在簇的中心节点坐标(xd',yd')之间的距离；lss'为源节点(xs,ys)到源节点所在簇的中心节点(xs',ys')的曼哈顿距离；ld'd为目的节点所在簇的中心节点(xd',yd')到目的节点(xd,yd)的曼哈顿距离；lsd为源节点(xs,ys)到目的节点(xd,yd)的曼哈顿距离。
进一步的，无源反射超表面采用金-二氧化硅-金的结构。
进一步的，上层金结构采用“I”型亚原子结构，中间层是二氧化硅衬底，下层是金的衬底，上层金结构采用“I”型亚原子结构使得入射光产生相位延迟，并覆盖2π相位；下层金衬底用于反射。
进一步的，两个中心节点之间通过无源反射超表面进行反射传播，反射光束的反射角满足：
θ′＝sin-1(sinθi+ξ/k0)
其中，θ′为反射光束的反射角；θi为反射光束延伸到入射角；ξ为反射光束所携带的平行波矢量；k0＝2π/λ0，λ0＝1550nm的波长。
本发明提出了一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，首先，通过利用无源反射超表面技术实现了时延小、插入损耗低、跳数少的片上光网络，这是在利用网格拓扑优势下，同时减少跳数的有效方法；其次，通过本文设计的无源反射超表面，可以实现具有低损耗的片上光网络架构。与传统的基于网格拓扑的片上光网络架构不同，本发明在网格拓扑的基础上，引入了无源反射超表面，不需要经过多跳来实现中心节点之间的连接，只需在相应的位置放置超表面，经过激光器发射角度的调节，便可以达到对应的目标节点，从而提高了可扩展性。此外，通过簇型结构的方式，进一步减少了在簇内节点之间的跳数。因此，本发明可以实现集成化的低损耗、大规模的片上光网络架构，以应对科学计算、大数据处理和机器学习等技术日益增长的计算能力带来的挑战。
附图说明
图1为本发明所提的一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构示意图及封装结构图，其中图(a)为一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构示意图，图(b)为一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构的封装示意图，图(c)为矩阵规模为奇数时的簇结构示意图，图(d)为矩阵规模为偶数时的簇结构示意图；
图2为本发明所提的无源反射超表面结构和结构截面示意图及广义斯涅尔定律反射光路示意图，其中图(a)为无源反射超表面结构，图(b)为无源反射超表面结构的截面示意图，图(c)为广义斯涅尔定律反射光路示意图；
图3为本发明所提的无源反射超表面插入损耗仿真示意图，其中图(a)为发生异常反射下的功率损耗示意图，图(b)为当偏振为45°的入射光以入射角为25°方向入射时的功率损耗示意图，图(c)为入射光以x偏振入射下的功率损耗示意图；
图4为本发明所提8×8簇型网格拓扑示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，包括对片上光网络进行分簇，每个簇内设置一个中心节点和多个其他节点，簇内中心节点包括激光收发射装置，网络拓扑上方设置有无源反射超表面，簇内其他节点安装有光路由器，节点之间通过有线连接的方式进行连接，每个中心节点之间通过激光收发射装置和有无源反射超表面进行通信。
本实施例提供的一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，片上光网络架构中包括基于激光器、探测器的收发模块、基于网格拓扑的簇型模块、基于无源反射超表面的反射模块；所述的基于激光器、探测器的收发模块用于发射激光使光信号在自由空间中传输，经超表面反射到目标节点在进行接收；所述的基于网格拓扑的簇型模块是将网格拓扑，分成若干个簇型结构，每个簇的中心节点到其他簇中心节点的路径都为1，尽可能的减少跳数；所述的基于无源反射超表面的反射模块位于网格拓扑的上方，包括用于使自由空间中的光信号产生正常反射或者异常反射的无源反射超表面；基于超表面的片上光网络架构支持有线无线两种传输方式，通过路由算法选择插入损耗较低的路径，以簇型结构连接，减少跳数，降低损耗，减少长曼哈顿距离的影响。
在所述的收发模块中，包含着可以调节入射光角度及入射光偏振方式的激光器，发射出在相同波长下不同角度和不同偏振方式的连续光信号，经过由无源反射超表面组成的反射模块，在不同角度和不同的偏振方式下，产生的反射光也会拥有着特殊的反射角，根据所需到达的目标节点控制入射光的入射角，可以实现在跳数为1的情况下，到达另一个簇的中心节点，这比传统的网格拓扑降低了时延，减少了跳数和插入损耗。
在所述的簇型模块中，比如由8×8个光路由器组成的网格拓扑结构，分成了4个簇，通过相应的分簇方法，选择每个簇的中心节点，在中心节点上引出激光器、探测器用来收发光信号；相比于其他的簇型结构，本发明所提出的簇型结构可以确保在每个簇中，由中心节点到任意一个子节点的跳数最少，并且使得全局网络拓扑条数最小，降低长曼哈顿距离的影响。
在所述的基于超表面的反射模块，反射超表面的设计，采用了金-二氧化硅-金的结构，上层是一层金(Aurum,Au)的“I”型亚原子结构，中间层是二氧化硅衬底，下层是Au的衬底。起到反射作用的主要是最下层的Au衬底，上层的亚原子作用是使入射光产生相位延迟，并覆盖2π相位。
，使数据包通过光信号的形式传输到目标节点；所述的基于网格拓扑的簇型模块是将网格拓扑，分成若干个簇，每个簇的中心节点到簇中任意一个子节点的跳数最少，尽可能的减少跳数；所述的基于无源反射超表面的反射模块位于网格拓扑的上方，包括用于使自由空间中的光信号产生正常反射或者异常反射的无源反射超表面；基于超表面的片上光网络架构支持有线无线两种传输方式，通过路由算法选择插入损耗较低的路径，以簇型结构连接，减少跳数，降低损耗，减少长曼哈顿距离的影响。
如图1(b)所示，在拓扑中，激光器与探测器之间距离最大为D时，超表面到激光器阵列的距离H，入射角和反射角均为θi，因此，距离H可以表示为：
H＝D/(2*tanθi)
对于附图1(a)中分簇方式及中心节点的选择，在设计过程中，下层网络虚拟簇的划分及中心节点的选择是一个关键的步骤。在片上网络的设计中，集群的簇头数是有一个最优值的，即簇头数量约为全部节点的数量的5％左右，高于或低于这个值都会带来更多的能耗。
因此，在下层网络的分簇方案的设计，考虑了以下两点因素：1)簇的数量约为全部节点的5％。2)簇内及整个网络拓扑平均跳数最小。综合这两点因素，提出了下列的数学模型。
假设片上光网络的规模为N×N，分成(N/M)×(N/M)，簇的规模为M×M，中心节点坐标为(xi,yi)，簇内目的节点(xj,yj)，为了确定虚拟簇的中心节点位置，首先定义簇内平均跳数为簇内任意两个节点之间的曼哈顿距离的平均值：
其中，lij为第i个节点(xi,yi)到第j个节点(xj,yj)之间的曼哈顿距离：
lij＝|xj-xi|+|yj-yi|
其中，为簇内平均条数，n为簇的序号，m为簇内的节点数，即M×M，为了使得每个簇中的节点到中心节点的曼哈顿距离尽可能小，则需要每个簇内的平均跳数最小，则：
对于M为奇数时，如图1(c)所示，通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点坐标，并使得全局跳数最小。
对于M为偶数时，如图1(d)所示，通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点候选集合，需要通过进一步计算全局跳数最小，从候选节点中选取最优节点，下面以8×8网络拓扑为例。
通过簇内平均跳数最小值的筛选，可以得到以下中心节点候选集合。
表1中心节点候选集合
从上述表格中，每个簇内都拥有着四个候选节点，而为了确定最佳方案，从全局最小跳数出发，确定选取的中心节点，使得整个网络拓扑路由跳数最少，从而降低长曼哈顿距离对光信号可靠性的影响。
对于全局最小跳数的考量，对于网络拓扑中的节点，从源节点到目的节点存在两种路径，一种是按照XY路由算法，寻找的路径，另一种则是通过中心节点无线路由的路径，根据最短路径，选取这两种路径中跳数最短的路径，因此，全局最短跳数总和可以表示为：
其中，源节点为(xs,ys)，源节点所在簇的中心节点为(xs',ys')，目的节点为(xd,yd)，目的节点所在簇的中心节点为(xd',yd')，Dsd为全局最短跳数总和，k为拓扑中的节点数，即N×N，lwireless为(xs',ys')到(xd',yd')的无线传输的跳数，是一个定值为1。
经过全局最小跳数的计算，可以确定中心节点选择的最佳方案为第一个簇中的中心节点坐标为10，第二个簇中的中心节点坐标为15，第三个簇中的中心节点坐标为50，第四个簇中的中心节点坐标为55。
8×8网格拓扑下的中心节点选择示例如图1(d)所示。这些黑色圆圈表示网络中不含有光无线接口的节点，白色圆圈表示网络中含有光无线接口的节点。每个白色节点都可以在一个跳中找到一个中心节点，而且在每个簇内其他节点到中心节点的平均跳数是最小的。
附图2为本发明所提无源反射超表面结构示意图及广义斯涅尔定律反射光路示意图。图2(a)～(b)为本发明所提无源反射超表面结构，在本实施例中采用的是金-硅-金的无源结构，本实施例提供一分钟具体实施方式，如图2(b)，最下层采用金衬底，其起到反射的作用，一个无源单元中金衬底的宽度为300nm、厚度为200nm，在金衬底上生长一层厚度为90nm的二氧化硅，在二氧化硅中央生长一层宽度为90nm、厚度为55nm的“I”型亚原子结构(材料为金)，多个亚原子构成图2(a)中的无源表面结构；附图2(c)是广义斯涅尔定律反射光路示意图，广义斯涅尔定律表明水平方向的线性相位梯度将导致光的反常偏折效应，产生附加的偏折角，即垂直入射的光照射到具有相位梯度的表面时将不会垂直出射，而是产生偏折，有一定的出射角。根据这一原理，通过在超表面的表层刻蚀或生长周期性变化的图样,在超表面一个周期单元内形成沿着超表面方向的相位梯度，经过这类超表面反射的光束将会产生反常反射现象，带有附加的出射角。通过设计这类相位梯度超表面大周期结构及周期内部小单元结构的几何参数，可以灵活精确地调控超表面的工作波长，光束的反常偏折角，从而实现对光束传播方向灵活控制。假设一束平面波从A点以θi角度入射到两种介质(折射率分别为ni和nt,)交界面上，定义两种介质交界线为x轴。假设A、B两点间有两条传播路径分别是ACB和ADB，这两条路径都无限接近实际光路，也就是说这两条光路的相位差为0，则有：
(k0nisinθidx+Φ+dΦ)-(k0nisinθrdx+Φ)＝0
其中，k0＝2π/λ0，λ0是真空中的波长；Φ和Φ+dΦ分别对应两条路径上的光波通过界面时由于相位不连续产生的相位变化；dx则是两条光路通过界面的两个点之间的距离；θr为反常反射角。
假设沿着界面上x方向的相位梯度是一个固定值，即dΦ/dx是一个常数，将上式左右两边同时除以dx，代入k0＝2π/λ0，可以得到：
由上式可以看出，与普通的镜面反射不同，这类引入相位突变的界面上发生的异常反射的反射角与入射角之间的关系是非线性的，并且类似折射中的临界角，异常反射中也存在临界角，当入射角大于临界角时反射光将完全消失。
本发明设计了一种经典的基于长方体柱形天线阵列的无源反射超表面，利用金属对光的强反射设计了金属-介质-金属的反射型相位梯度超表面。对于超表面的设计，如附图2(b)所示，采用了金-二氧化硅-金的结构，根据公式ξ＝2π/Lx≈0.517k0，其中Lx＝3000nm为超级单元的长度，即一个周期的长度；k0＝2π/λ0为λ0＝1550nm的波长。因此，当发生正常反射时，入射光的入射角为θi则反射角仍为θi，当发生异常反射时，通过广义斯涅尔定律预测，一个垂直入射光在该超表面反射后将被重定向，沿θ′＝sin-1(0.517)≈31°的角度传播。反射光束延伸到入射角为θi的斜入射情况下，反射光束的反射角满足下述公式：
θ′＝sin-1(sinθi+ξ/k0)
根据上述公式，利用时域有限差分(FDTD)软件对所有设计参数进行了优化。使用1550nm的正常入射平面波源作为照明，通过参数扫描优化选取了十个亚原子，长度分别为40nm，40nm，230nm，230nm，280nm，280nm，332nm，332nm，465nm，465nm，十个亚原子的相位延迟可以覆盖整个2π相位，从而设计了附图2(c)所示的无源反射超表面。
附图3为本发明所提的无源反射超表面功率损耗仿真示意图。附图3(a)为发生异常反射下的功率损耗示意图，在入射角分别为10°，15°，20°，25°和30°情况下的功率损耗，入射光以y偏振入射，经计算可以得出在0°至29°范围内会产生异常反射，由图3(a)可以看出在30°入射角时，产生的异常反射出现了“负”反射现象并且伴随着较大的功率损耗。当偏振为45°的入射光以入射角为25°方向入射时的功率损耗，如图3(b)所示，会在正常反射和异常反射产生具有功率近似的两束光，从而实现从一个节点到两个目标节点间的通信。如图3(c)所示，入射光以x偏振入射，以入射角为25°入射则还是以25°反射角出射，并伴随着较小的功率损耗。依据功率损耗便可以计算出平均插入损耗为0.27dB。
先介绍适用于本架构的路由算法：在m×n的ONoC中执行的路由算法，其中m和n分别代表每行和列的节点个数，在该算法中表示，(Xi,Yj)和(Xi′,Yj′)分别源和目的处理器节点及对应的层内光路由器的坐标。所有节点所处的范围为0≤i,i′≤m-1,0≤j,j′≤n-1。
当源节点的IP核生成通信请求时，根据请求信号来确定目的节点的位置。如果目的节点和源节点位于同一个簇中，则数据包通过光束沿着X方向进行单跳传输，然后再沿着Y方向进行单跳传输。如果目的节点和源节点位于不同的簇，但均为簇的中心节点，此时可以调整发射激光器的角度使数据从源节点直接经超表面反射传输到目的节点。如果目的节点和源节点位于不同的簇且不是簇的中心节点，则数据包通过光束沿着X方向或者Y方向单跳传输至每个簇中的中心节点，再通过激光器将光束传输至相应的超表面，传输至目的节点所在的簇中的中心节点。换句话说，对于从(Xi,Yj)到(Xi′,Yj′)的数据包传输，其中i≠i′,j≠j′。携带数据包的光束首先从源节点(Xi,Yj)传输至簇的中心节点的激光器，调整发射激光器的角度使光束经过相应的超表面反射，被PD检测后转发到目的节点(Xi′,Yj′)所在簇的中心节点，再传输到目的节点的IP核。
基于超表面的片上光网络架构，可以通过超表面实现备份通信。当改变光束的偏振方式时，经过超表面反射可以产生异常反射，当携带数据包的光束从源节点发射，经过超表面反射，可以在两个目的节点接收到数据包，从而在特殊情况下，提高系统的稳定性。
附图4为本发明所提8×8簇型网格拓扑示意图。本发明所提出的ONoC中，有两种通信方式，采用有线XY路由算法的簇内通信方式和采用超表面的光无线的簇间通信方式。在整个网络拓扑中，存在两种路径选择方式，一种是基于传统的网格拓扑中的有线传输路径，另一种是采用光无线互连的无线传输路径。在ONoC中，XY维路由算法，由于其简单、无死锁和无活锁等优点，得到了广泛的应用。XY路由算法是一种确定性路由，报文先沿x维行进，再沿y维行进，算法复杂度低，逻辑结构简单，是首选算法。基于XY维路由算法，我们提出了一种基于跳数的路由协议，该协议旨在通过对比两种路径的跳数，选择较小跳数的路径，以减少插入损耗和能耗。例如，在图4中，源节点为9号节点，目的节点为48号节点。由节点9请求向节点48发送数据包，蓝色和红色的线分别代表有线传输路径和无线传输路径。当采用有线传输路径时，传输路径为9→10→11→12→13→14→15→16→24→32→40→48。当选择混合无线传输路径时，传输路径为9→10→55→56→48，其中节点10和节点55分别为两个簇的中心节点。显然，混合无线传输路径使用的节点数明显少于有线传输路径，并且考虑到低插入损耗和低能耗，后者是更好的选择。如果有线传输路径比混合无线传输路径跳数少时，则有线传输路径为主要选择。如果当有线传输路径与混合无线传输路径跳数相同时，则有线传输路径为主要选择。基于跳数的路由协议伪代码如算法1所示。
本发明所提出的ONoC中的节点为光路由器，中心节点包含6个端口，即IO端口、东端口、南端口、西端口、北端口和垂直端口，其中垂直端口连接到光无线路由网络；其他节点有5个端口，与中心节点相比，缺少了垂直端口。在伪代码中，本实施例将每个节点的地址设置为(x,y,Q)，其中x和y分别表示网络中节点的横坐标和纵坐标，Q表示节点所在的虚拟簇的序号。本路由算法的目的是找到当前节点与目标节点之间的最短路径，在本实施例中对路由节点进行分簇，每个簇之间在超平面上设置一个反射结构，使得两个簇之间拥有唯一的入射角度，通过该入射角度使得任意两个簇之间可以实现无线通信，在构建超平面以及簇表面时，需要记录两个簇之间的入射角，当两个簇之间需要进行无线通信时，通过查表即可知道两个簇之间无线通信的参数，然后通过激光两个簇之间可以进行通信。本实施例采用的路由算法的伪代码具体如下：
上述实例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，其特征在于，对片上光网络进行分簇，每个簇内设置一个中心节点和多个其他节点，簇内中心节点包括激光收发射装置，网络拓扑上方设置有无源反射超表面，簇内其他节点安装有光路由器，节点之间通过有线连接的方式进行连接，每个中心节点之间通过激光收发射装置和无源反射超表面进行通信；
若片上光网络的尺寸为N×N，将该网络分为多个簇，每个簇的规模为M×M，从每个簇中找出距离其他节点的平均距离最小的节点作为中心节点；
当M为奇数时，通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点，并使得全局跳数最小；对于M为偶数时，通过计算簇内平均跳数最小值，即可以得到中心节点候选集合，从中心节点候选集合中选出全局跳数最小的节点作为中心节点；
两个中心节点之间通过无源反射超表面进行反射传播，反射光束的反射角满足：
θ′＝sin-1(sinθi+ξ/k0)
其中，θ′为反射光束的反射角；θi为反射光束延伸到入射角；ξ为反射光束所携带的平行波矢量；k0＝2π/λ0，λ0＝1550nm的波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，其特征在于，基于XY路由算法计算全局最小跳数，全局最小跳数总和表示为：
其中，Dsd为全局最小跳数总和；lwireless为源节点所在簇的中心节点坐标(xs',ys')到目的节点所在簇的中心节点坐标(xd',yd')之间的曼哈顿距离；lss'为源节点(xs,ys)到源节点所在簇的中心节点(xs',ys')的曼哈顿距离；ld'd为目的节点所在簇的中心节点(xd',yd')到目的节点(xd,yd)的曼哈顿距离；lsd为源节点(xs,ys)到目的节点(xd,yd)的曼哈顿距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，其特征在于，无源反射超表面采用金-二氧化硅-金的结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于无源反射超表面的混合无线片上光网络架构，其特征在于，上层金结构采用“I”型亚原子结构，中间层是二氧化硅衬底，下层是金的衬底，上层金结构采用“I”型亚原子结构使得入射光产生相位延迟，并覆盖2π相位；下层金衬底用于反射。
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| "基于交叉开关结构的片上光互连网络研究";王正宇等;《电信快报》;全文 * |
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