空中传输计算的通信方法及系统.docx
PATEXPL®RER专利探索者一全球创新始于探索空中传输计算的通信方法及系统申请号：CN.8申请日：20150610申请（专利权）人：深圳大学地址：广东省深圳市南山区南海大道3688号发明人：张胜利,黄梦芝主分类号：H04B1/00公开（公告）号：CNB公开（公告）日：20180105代理机构：深圳市科吉华烽知识产权事务所（普通合伙）代理人：于标(19)中华人民共和国国家知识产权局(10)授权公告号CNB (45)授权公告日20180105(21)申请号CN.8(12)发明专利(22)申请日20150610(71)申请人深圳大学地址广东省深圳市南山区南海大道3688号(72)发明人张胜利，黄梦芝(74)专利代理机构深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙)(54)发明名称空中传输计算的通信方法及系统代理人于标(57)摘要本发明提供了一种空中传输计算的通信方法，K个发送节点通过调整自己的发送时间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的信号直接解调为目标数据。本发明的有益效果是：本发明仅仅使用一次信道传输，直接在空中完成求和操作，实现了传输和计算的结合；将传输效率提高<i>K<i>倍，减少了1次相加计算，减少了<i>K/i>?l次数据接收操作，从而提高数据中心的网络性能和计算性能。权利要求书WS1II,1.一种空中传输计算的通信方法，其特征在于：K个发送节点通过调整自己的发送时间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的信号直接解调为目标数据Si是发送节点发送的数据，Wi是加权系数，K大于等于2；每个发送节点将网络层的数据Si调制为物理层符号di,每个发送节点都采用预处理系数gi乘以发送的符号，令gi=wihi,hi为复信道系数。2 .根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：在网络架构中，MAC层采用TDMA的方式来协调各个收发节点行为；节点路由和调度采用集中式算法，由网络控制器集中计算得到路由与调度算法。3 .根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：在网络架构中，使用有线网络将所有节点连接起来作为控制网络，该控制网络既能够传输DCN原有服务器的控制信号，同时也能够传输专门增加的网络控制器的控制信号；DCN是数据中心网络。5.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：在网络架构中，各个节点之间 的信道信息存储于网络控制器的信息地图中，在控制各个发送节点发送之前，网络控 制器根据信息地图里的信道信息，通知各个发送节点的预处理系数gi和发送时间。4 .根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：在网络架构中，利用有线控制信道，提供统一的外部参考信号，该外部参考信号可以提供精确的时间信号、频率信号，各个无线收发节点能够宜接利用外部参考信号实现准确的频率同步、天线校准。一种空中传输计算的通信系统，其特征在于：该通信系统包括接收节点和K个发送节点，K个发送节点通过调整自己的发送时间、功率、相位参数，使所有的信号在同一信道同时到达接收节点，并且收到的空中叠加的信号直接解调为目标数据Si是发送节点发送的数据，wi是加权系数，K大于等于2：每个发送节点将网络层的数据Si调制为物理层符号di,每个发送节点都采用预处理系数gi乘以发送的符号，令gi=wihi,hi为复信道系数。7 .根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于：在网络架构中，MAC层采用TDMA的方式来协调各个收发节点行为；节点路由和调度采用集中式算法，由网络控制器集中计算得到路由与调度算法。8 .根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于：在网络架构中，使用有线网络将所有节点连接起来作为控制网络，该控制网络既能够传输DCN原有服务器的控制信号，同时也能够传输专门增加的网络控制器的控制信号；DCN是数据中心网络。9 .根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于：在网络架构中，利用有线控制信道，提供统一的外部参考信号，该外部参考信号可以提供精确的时间信号、频率信号，各个无线收发节点能够直接利用外部参考信号实现准确的频率同步、天线校准。10 .根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于：在网络架构中，各个节点之间的信道信息存储于网络控制器的信息地图中，在控制各个发送节点发送之前.，网络控制器根据信息地图里的信道信息，通知各个发送节点的预处理系数gi和发送时间。说明书空中传输计算的通信方法及系统技术领域本发明涉及通信技术领域，尤其涉及空中传输计算的通信方法及系统。背景技术随着云计算、大数据的飞速发展，其核心基础设施，数据中心，得到全世界工业界和学术界的极大关注。基于谷歌等公司提出的分布式计算框架(MaPRedUCe1)和分布式文件存储系统(GoOgIeFileSystem2,HadoopDFS3),目前的数据中心可以充分利用廉价计算节点(PC机)提高计算存储能力，而节点之间的通信网络成为数据中心的性能瓶颈。目前数据中心网络(DCN)普遍采用以太网静态链路和有线网络接口，网络构架主要是基于FAT-TREE的三层网络构架核心4。虽然有线网络链路带宽较宽，但是其固定链路结构难以适应数据中心大量的随机高突发流量和高负载服务器，不具备动态能源匹配能力，网络扩展性也遇到瓶颈，限制了数据中心的性能提升5无线通信的可控链路与定向天线技术可以克服有线链路的限制，灵活应对数据中心的随机业务需求，节省能源和成本，无线DCN开始被广泛研究6。其中，高带宽的高频无线通信，特别是60GHz6以及可见光通信7,成为最有前景的无线DCN射频解决方案。针对高频电磁波容易被遮挡的问题，论文8提出利用屋顶反射实现准视距传输，利用3D波束成型解决干扰问题。而论文9则利用机架内外双天线实现被遮挡信号的中继传输，提出全无线DCN的方案。在这些物理层技术的基础上，清华大学的Y.Cui等研究了无线DCN的调度和资源分配等问题15。无线DCN不同于现有任何无线网络，具有自己特殊性质，包括：(1)多对一数据业务：现代数据中心两个主要功能是分布式数据存储和数据处理，两种功能都存在广泛的多对一传输业务(在TCP造成Incast问题16,17)。对于分布式存储，利用网络编码(纠删码)进行编码存储可以大大提高存储效率10。在编码存储系统中，当产生编码块的时候(新建一个编码块或者修复丢失编码块)，通常需要把相关的K个数据块发送到接收节点并进行网络编码操作(线性相加)，即多对一传输任务。对于分布式数据处理，源于谷歌的MapReduce编程模型1是目前最广泛使用的并行大数据处理模式。在MapReduce模型中，当map节点计算完成后，所有map节点的结果中，凡是有相同键值(key)的结果都会发送到同一个reduce节点做处理。所以这也是多对一的数据传输任务。(2)紧凑的物理网络空间：为了降低成本，数据中心的计算节点通常都是集中到一个专门建造的房间之内。所以物理网络空间都限制在房间之内，计算节点之间都规则的紧密排列。非常适合于用有线连接所有节点，提供参考信号11。(3)准静态高斯信道：专用数据中心内，计算(通信)节点都位置固定且节点外部环境很少发生变化；节点之间可以利用屋顶反射形成间接视距传输(LineofSight)80因此，无线收发节点之间可以形成准静态高斯信道，非常适合发送端的预编码和预处理。总体来说，目前无线DCN基本上集中于无线链路的结构和可行性研究，主要思路是将成熟的无线通信技术移植到DCN中，这些方案未能充分考虑DCN的网络特性和业务需求，未能考虑DCN和DC存储功能、计算功能有机结合。参考文献：1 .J.DeanandS.Ghemawat,uMapreduce!Simplifieddataprocessingonlargeclustersw.ACMCommun.Rev,51(1):107-113,Jan.2008.2 .S.Ghemawat,H.Gobioff,andS.-T.Leung,“ThegooglefileSystemv.InProceedingsoftheNineteenthACMSymposiumonOperatingSystemsPrinciples,SOSP,03,pages29-43,NewYork,NY,USA,2003.3 .K.Shvachko,H.Kuang,S.Radia,andR.Chansler,“ThehadoopdistributedfileSystemw.InMassStorageSystemsandTechnologies(MSST),20101EEE26thSymposiumon,pages1-10,May2010.4 .M.Al-Fares,A.Loukissa,andA.Vahdat."Ascalablecommoditydatacenternetworkarchitecture,.TnProc.ACMSIGCOMM2007,2008.5 .李丹，陈贵海，任丰原，蒋长林，徐明，“数据中心网络的研究进展与趋势”，37(2),pp.259-274,计算机学报，2014.6 .K.Ramachandran,R.Kokku,R.Mahindra,andS.Rangarajan,u60ghzdatacenternetworkingIwireless=>worrylessw.Tech.Rep.,NECLaboratoriesAmerica,Inc.,july2008.7 .N.Hamedazimi,Z.Qazi,H.Gupta,V.Sekar,S.R.Das,J.P.Longtin,H.Shah,and.Tanwer,“Firefly:Areconfigurablewirelessdatacenterfabricusingfree-spaceoptics,.InProceedingsofthe2014ACMConferenceonSIGCOMM,SIGCOMM,14,pages319-330,NewYork,NY,USA,2014.8 .X.Zhou,Z.Zhang,Y.Zhu,Y.Li,S.Kumar,A.Vahdat,B.Y.Zhao,andH.Zheng,rtMirrormirrorontheceiling:Flexiblewirelesslinksfordatacenters,.InProceedingsoftheACMSIGCOMM2012Conference,SIGCOMM,12,pages443-454,NewYork,NY,USA,2012.9 .J.-Y.Shin,E.G.Sirer,H.Weatherspoon,andD.Kirovski.iiOnthefeasibilityofcompletelywirelesssdatacenters,.IEEECMTrans.Netw.,21(5):1666-1679,Oct.2013.10 .A.Dimakis,P.Godfrey,Y.Wu,M.Wainwright,andK.Ramchandran,uNetworkcodingfordistributedstoragesystems,.IEEETrans.Inf.Theory,56(9):4539-4551,Sept2010.11 .C.Shepard,H.Yu,N.nand,E.Li,T.Marzetta,R.Yang,andL.Zhong,“Argos:PraCtiCaImany-antennab
