[发明专利]一种基于蜂窝Adhoc的芯片间无线互连系统组网方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种PCB板上实现的芯片间无线互连系统，特别是涉及该系统的一种组网方法。

背景技术

当今计算机硬件电路日益复杂化，而传统的PCB板电路中，芯片间仍靠金属线互连且管脚数目较多，随着电路集成度、工作频率和时钟速率的不断提高，芯片间互扰耦合将越来越强，不仅占据大量面积，还引起了电路中功耗、延时、压降、电磁串扰等问题，严重制约了高速集成电路的设计与制造。随着CMOS技术的发展，使得片上天线和射频电路的尺寸越来越小，成本显著降低，诸多学者提出了芯片内/间无线互连技术，即采用射频/无线通信方式取代传统金属互连线，实现芯片内/间某些功能模块的无线连接，有效缓解金属布线和芯片管脚的极限问题。

超宽带互连(UWB-I)技术因其具有低成本、低功耗、高带宽、结构简单、抗多径和保密性强等特点，被广泛的应用于芯片内/间无线互连系统中，

芯片内/间进行无线通信构成的局域网络则称为无线芯片域网络(Wireless Chip Area Network，WCAN)。

目前国外研究者在三维垂直耦合技术、片上集成天线、无线互连通信技术等方面取得了显著进展，但总体研究仍侧重于芯片内/间无线互连单一功能单一信道的发射与接收，对于多用户网络的总体模型和通信机制并没有深入研究。虽然一些研究者提出了无线片上网络(WiNoC，Wireless Network On Chip)的组网方案，但只是针对SoC设计的片内无线网络架构，是在封装严实的单个芯片内集成的系统，且片内各处理核的位置相对固定，概念上它属于WCAN中芯片内无线互连系统。

附图1总结了PCB板上实现芯片间无线互连的优势，附图2则为PCB板上采用纯无线代替有线连接的芯片间无线互连系统，将有助于解决PCB上传统共享总线结构并行和扩展性差、延迟和功耗较高、通信效率低下的问题，同时可以减少芯片管脚数量，提高设计灵活度。相比于SoC系统，其芯片布局是根据产品特点来设计的，将更加开放和灵活，从产业化和实用化的角度来看，WCAN中芯片间无线互连系统组网方案的设计也极具研究价值。因此，设计出 一种适用于PCB板上芯片间无线互连系统的简洁高效的组网方法是十分必要的。

发明内容

本发明立足WCAN中PCB上芯片间无线互连的特殊应用场景，通过融合蜂窝通信系统和Ad-hoc自组织网络的技术优势，并采用跨层协同设计的思想，提出一种可在PCB板上实现无缝覆盖、网络结构灵活简单、通信协议宜于标准化、可靠性高且成本与能耗较低的芯片间无线互连系统组网方法。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

首先，如图3所示，为了实现无线信号在PCB板上的全范围覆盖，有效利用无线频谱资源，将选择更节省空间面积，并能实现无缝连接的蜂窝结构进行网络覆盖，即将整个PCB板划分为多个蜂窝小区，并通过不同频率加以区分；结合片上天线的功率特性和PCB板的常用物理尺寸，从网络规划的角度研究并设计合理的芯片布局位置，并确定最优的蜂窝半径以及频率复用方案。

其次，明确芯片间无线互连系统中节点的功能，并对其结构进行设计。如图3所示，以单层PCB板上空间为传播环境，建立一般的网络通信模型。把需要进行无线互连的芯片看作RF节点，且每个RF节点对应一个变频天线，该天线可以是单独设置的片上天线，也可以是具有天线功能的芯片管脚。该方法采用纯无线互连方式实现芯片间通信，区别于纯有线互连或采用有线和无线混合的网络架构，而且其研究成果也可推广至多层PCB板、电气设备之间和无线片上网络组网的情形。

再次，进行网络通信模型的设计：将蜂窝通信和自组网技术的核心思想加以融合，取长补短，抽取适用于WCAN的合理要素。在网络架构上保留蜂窝系统中MS-BS的无线接入结构，结合Ad-hoc的多跳自组织思想，提出蜂窝与自组网结合的扁平化网络结构，构建基于蜂窝覆盖的Ad-hoc无线芯片域网络模型。

最后，采用跨层协同设计方法，确定各层通信机制，并通过增加协议栈各层之间的垂直交互来保证芯片间无线互连资源的高效利用和信息的可靠传输。

附图说明

图1为背景中提到的PCB板上实现芯片间无线互连的优势

图2为背景中提到PCB板上实现的芯片间纯无线互连系统

图3是本发明中基于蜂窝Ad-Hoc的PCB示意图；

图4是本发明基于蜂窝覆盖的Ad Hoc-WCAN示意图；

图5是本发明中每个芯片RF节点的结构设计图；

具体实施方式