基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法

摘要

一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构及其构建方法，该三维分层拓扑结构由若干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均由六个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。本发明能够使得天线在60GHz无线信号的传输范围内可以尽可能多地与周围的天线建立连接，提高数据中心连通性，从而大大改善数据中心的表现。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线网络领域的技术，具体是一种60GHz基于石墨结构的无线数 据中心分层拓扑结构及其构建方法。

背景技术

受限于传统有线数据中心网络的布线复杂、可扩展性差、散热困难等，无线数据中心网 络的构建成为一个新的研究方向。

60GHz无线通信技术日益成熟，这段频谱对于绝大多数国家而言是免许可的，且有着传 统的2.4GHz和5GHz无法比拟的优越性。首先，可免费试用的57GHz至64GHz之间的7Gbps 的频段可以实现高速无线通信。其次，60GHz频率高，可以调制出波束角很小的电磁波，天线 的方向性得到了增强，同时较窄的波面使得无线连接之间的干扰很小，所以可将多个60GHz 射频发送接收装置安装在同样的机架顶端，即使它们工作在同一频段。最后尽管60GHz无线信 号波宽窄，但是借助于简单的可视化调整工具可以实现精确调整，部署容易。

在波束赋形技术的帮助下，60GHz无线传输能量得到集中，传输方向可以很好地校准， 目前成型的天线有号角天线和天线阵列，价格并不昂贵。若配合机械及电机械装置，这些天线 可以取得细粒度的方向控制。

虽然60GHz应用于无线数据中心优势众多，但是其随距离增加衰减快、传播易被障碍 物阻挡等问题成为有效利用60GHz无线通信技术的最大障碍，合理解决这些问题尤为重要。

经过对现有技术的检索发现，目前的技术并没有很好地解决以上问题。ShinJ等在”Onthe feasibilityofcompletelywirelessdatacenters”提出的使用圆柱形的机架以及扇形的服务器来充 分利用无线连接，然而这样的设计仍然囿于平面拓扑结构且机架密度较大，如果大部分连接位 于同一个平面中，那么信号阻挡问题发生的频率会明显提高，且60GHz无线信号的传输范围会 限制邻居节点的通信，网络连通性受到了干扰。KandulaS等在”Flywaystode-congestdata centernetworks”中对路由及天线布置进行了优化，但是仍然没有摆脱平面结构的限制。周夏 在”Mirrormirrorontheceiling：flexiblewirelesslinksfordatacenters”创造性地提出了利用天 花板反射建立任意两个机架之间的非直线连接，有效解决了信号阻断问题，然而在现代数据中 心中考虑到散热等需求，天花板往往很高，此时该技术难以奏效且由于反射的存在而显著减小 了天线在水平面上的有效通信范围。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑 结构及其构建方法，能够使得天线在60GHz无线信号的传输范围内可以尽可能多地与周围的天 线建立连接，提高数据中心连通性，从而大大改善数据中心的表现。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于石墨结构的无线数据中心分层拓扑结构，该三维分层拓扑结构由若 干层网状网络组成，每层网状网络由若干相同形状的六边形网格组成，每个六边形网格均由六 个高度方向可调的60GHz定向号角天线组成。

所述的网状网络中任意相邻两层网状网络之间的距离为其中：s为层数，t＝max(x，y)，a为号角天线的直径，x、y为无线网状网络 的大小。

所述的网状网络中，每一行和每一列避免三个以上的所述定向号角天线位于同一层网状 网络中。

所述的高度方向可调的60GHz定向号角天线通过设置于三维活动机架上得以实现其高 度可调、头部可旋转、角度可调节。

本发明涉及上述拓扑结构的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、确定网状网络规模，即考虑机架体积等因素，一个R×R的方形区域中最大的 三维机架阵列规模，用m×n表示。

步骤2、确定实际部署中，相邻两层之间的距离范围，即为了防止天线布置过密而引起 的信号阻断，相邻两层之间的层距大于最小间距值。

步骤3、确定数据中心需要多少层来避免信号阻断，即位于某天线信号传输范围内的其 它天线与该天线之间的直线连线上有除此两个天线之外的其它天线出现，从而阻断了60GHz 信号在此两天线之间的传输，其关键为：每一行和每一列都要避免三个或者三个以上的天线位 于同一层，这种条件可保证信号阻断被完全避免。

步骤4、利用石墨结构构造算法，确定无线网状网络中每个机架天线的高度，即整个无 线中心石墨拓扑结构中某机架所在的层的序号。

步骤5、根据已确定的天线各层之间的高度差、各天线应在的高度，将顶部安装有号角 天线的三维机架布置到数据中心中。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以显著提高数据中心中各节点的平均点度，提高一跳内节点 覆盖率，提高二分带宽，从而极大地提高数据中心的连通性；同时本发明结构简单易部署、易 扩展。

附图说明

图1为本发明天线头部及天线头部与支架整体示意图；

图中：a为天线头部示意图；b为支架及天线示意图；

图2为石墨结构基本结构模型示意图；

图中：a为本发明网格示意图；b为双层石墨结构示意图；c为三层石墨结构示意；d为 四层石墨结构示意图；

图3为石墨结构两层之间的距离示意图，即两层之间的垂直高度差示意图；

图中，d_k为两层之间的垂直距离，a表示天线的半径；

图4为实施例中的网络节点度热点图对比图；

图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为双层 石墨结构效果示意图；d为三层石墨结构效果示意图；

图5为实施例中不考虑边界效应时，无线数据中心中节点度随机架行距列距变化结果对 比图；

图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为石墨 结构效果示意图；

图6为实施例中不考虑边界效应时，一跳内节点覆盖率对比图；

图中：a为flyways结构效果示意图；b为3DBeamforming结构效果示意图；c为石墨 结构效果示意图；

图7为实施例中二分网络带宽对比图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

第一步、确定网状网络的规模：根据数据中心实际区域平面的长、宽以及天线机架的体 积确定网状网络的规模，以一个R×R的方形区域为例，设该区域内最大的机架阵列规模为 m×n，即网状网络的规模为m×n，用δ_row(δ_column)来表示位于相邻行(列)的机架之间的距离， 此距离与机架体积的大小关系密切，即满足其中：[]为取整。

第二步、确定相邻两层之间的高度差：天线本身有一定的体积，存在阻挡信号的可能， 由此可知天线的大小势必会影响各层之间的间距，当无线网状网络的大小为x×y，则第s层与 第s+1层之间的垂直距离，即高度差，d_s满足：其中： t＝max(x，y)，a为号角直径，d_s示意图如图3中d_k。

第三步、确定避免信号阻断所需要的层数：每一行中，需要避免三个及三个以上的天线 位于同一层，根据抽屉原理，至少需要层，同理，每一列中，需要保证最多只有两个天线位 于同一层，故至少需要层。因此，需要的最少层数为从低到高将所有l层 分配序号0至l-1。布置中，考虑到数据中心实际空间的限制，层数可以适当少于l。

第四步、确定规模为x×y的无线网状网络中，每个机架天线的高度：受到石墨分子结 构的启发，不失一般性地，可使天线高度在行方向上每一个从低到高依次循环变化，在列方向 上每两个从低到高依次循环变化，如图2所示。

特别地，位于第i行(0≤i＜x)的第一个天线的层数被设置为其中：％为取模运算， 位于第i行j列(0≤i＜x，0≤j＜y)的天线的层数h_ij被设定为

所述的石墨结构，其构造算法步骤包括：

i)输入网络规模x×y及R×R范围内最大的网络单元的规模m×n；

ii)计算避免信号阻断需要的层数

iii)采用双层循环，设定行列中每一个天线的高度，即第i行第j列的天线的高度为 $h_{ij}=\left(\right(\left[\frac{i}{2}\right]\%l)+j)\%l$

所述石墨结构构造算法复杂度为O(xy)。

第五步、根据已确定的天线各层之间的高度差、各天线应在的高度，将顶部安装有高度 及角度可调节的号角天线的机架布置到数据中心中。具体可以借助可视化工具对号角天线的高 度和角度进行精确调整，完成60GHz无线数据中心的部署。

本实施例的实施例在无线数据中心规模从20×20均匀变化到40×40的场景中进行，为 了衡量机架密度不同的各种数据中心网络拓扑结构的表现，相邻两行或者两列的机架顶端的天 线距离从1m开始变化，每次增加0.5m，直到4m。考虑到绝大多数数据中心的具体情况，从 天花板到机架顶端的距离被设定为4m。各个参数取不同值时分别将石墨结构的表现与Flyways 和3DBeamforming的表现进行对比，主要对比指标为网络节点点度、一跳内节点覆盖率、二 分网络带宽。

二分带宽定义为：将整个无线数据中心拓扑结构分为两部分完全相等的网络单元所需要 切断的无线传输连接的数量。二分带宽反映了一个网络拓扑结构的连通性。二分带宽越高，整 个网络拓扑结构的连通性也就越好，相应地，所提供的并行的网络流数也就越多，在传输过程 中应对网络节点故障的能力也就越强。

如图4所示，为应用不同拓扑结构的情况下无线数据中心网络节点点度分布热点图。在 这里，数据中心网络的规模为32×32，对应的四种结构分别为Flyways，3DBeanforming，双 层石墨结构及三层石墨结构。水平和垂直方向上的相邻机架的距离均设定为2m，即在10×10的 范围内一共放置了5×5的机架，若需要避免信号阻挡需要三层，这里，为了说明石墨结构即使 不完全满足避免信号阻挡的条件也可以对信号阻挡进行有效处理。由图可以得出，在上述参与 评价的所有结构中，从网络边缘到中心，网络节点度在上升，节点位于中心部分时，石墨结构 要比Flyways和3DBeamforming具有更高的网络节点度。即在无线数据中心拓扑结构中，石 墨结构可以为网络节点，特别是内部节点提供更多的传输机会。

如图5所示，为不考虑边界效应时，应用不同拓扑结构的无线数据中心中节点度随机架 行距列距变化的结果对比示意图。机架在水平方向和垂直方向上的间距从1m变化到4m，对 石墨结构层数的选择主要基于中心节点的点度，通常在密度低时选两层，密度高时选择三层或 者四层。从图中可以发现，在排除了边界效应之后的无线数据中心网络平均点度这项指标上， 石墨结构的表现总是优于Flyways和3DBeamforming。

如图6所示，为Flyways、3DBeamforming以及石墨结构在不考虑边界效应的条件下 的一跳内节点覆盖率。此实验中机架在水平方向上和垂直方向上的间距从1m变化到4m。总 体来看，在所有的数据中，石墨结构拥有最高的一跳内节点覆盖率。在节点相对稀疏的网络中， 它的覆盖率甚至可以达到100％，即实现了60GHz通信范围内的全连通。

如图7所示，为Flyways、3DBeamforming以及石墨结构的二分网络带宽。在此实验 中，整个无线数据中心的规模从20×20均匀变化到40×40，水平和垂直方向上的相邻机架的 距离设定为2m。在相同条件下，石墨结构拥有最高的二分网络带宽，其值是Flyways的两倍 多，比3DBeanforming多出35％以上。如果机架布置更密集的话，它们在二分带宽之间的差 距还会更大。因此，石墨结构总是比其它两种无线数据中心拓扑结构拥有更高的二分网络带宽。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。