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片上网络(Network-on-Chip, NoC)作为复杂片上系统(System-on-chip, SoC)的一种新兴的互连与通信架构，当其向更大规模和更复杂化方向发展时，平面多跳有线链路所带来的延时与能耗问题，严重限制了SoC性能的进一步提升，基于有线/无线混合互连的混合型无线NoC成为当前研究的主流思想。系统模型是研究混合型无线NoC性能的基础；同时，拓扑结构是混合型无线NoC设计的关键内容，对系统通信性能具有决定性作用。本文针对混合型无线NoC的系统模型和拓扑设计开展深入研究，重点解决了混合型无线NoC中片内无线通信系统的物理级与系统级模型建立问题，规则型通用拓扑设计中基于拥塞测度的热点链路自动探测与带宽动态分配机制，非规则型专用拓扑设计中的无线链路放置与信道分配、功耗-干扰协同优化及其低延时的MAC通信机制等关键问题，以指导混合型无线NoC性能评估与高性能拓扑设计。本文主要工作与创新点如下：
针对混合型无线NoC中片内无线通信系统的模型建立问题，结合现有的相关研究基础，在物理级采用射线跟踪法，建立了基于多径信号传播的路径损耗与时延模型；同时在系统级采用统计分析法，建立了功耗与延时统计分析模型；之后以此为基础，建立系统级的功耗与延时统计分析模型。相关理论分析和仿真实验表明：①于硅衬底上集成毫米波天线对时，其信号主要为表面波和硅衬底引导的导波，随着通信间距的增大，导波信号可忽略；本文的路径损耗模型与现有的实测拟合出的路径损耗模型相比，对于高阻抗硅衬底，两者模型总体平均误差约为10.08%，尤其是当通信间距在5~30mm时，两者模型的平均误差仅为8.20%；同时，采用高阻抗硅衬底可降低路径损耗，相干带宽趋近于100GHz。②于硅衬底上集成THz/光频率天线对时，片内的信号传播主要通过真空封装面反射，将反射系数假设为-1的传统两径模型直接应用到片内时，会给路径损耗带来较大误差；减小真空封装的各封装面和氧化层的介电常数，有助于降低路径损耗并增大相干带宽。
在流量特征未知的通用拓扑设计方面，针对通用的规则型拓扑无法根据流量模型于片内自适应调整的问题，提出了一种基于虚Torus的自适应的混合型无线NoC拓扑结构VT-AWiNoC，改善了混合型无线NoC的规则型通用拓扑的综合性能。该结构通过引入链路拥塞测度作为感知参数，基于此采用热点无线链路自动探测与带宽动态分配机制，并设计实现发送器动态分配的控制电路模块，以达到根据不同的通信流量模型，于片内自适应地调整拓扑结构及链路带宽的目的。实验结果表明，该自适应拓扑与其它混合型无线NoC相比，在随机流量模型下，网络平均延时降低了16.52%~23.57%；在20%的热点流量模型下，包平均能耗节省了39.19%；以真实应用FFT作为基准测试，平均延时降低了17.20%~21.68%，并节省23.49%的包平均能耗。
在面向特定应用的非规则专用拓扑生成方面，针对功耗与干扰相互制约和无线资源受限的问题，提出了一种功耗-干扰协同优化PICO的非规则专用拓扑生成方法，通过频率重用提升了混合型无线NoC的性能增益。该方法通过分析影响功耗和网络干扰的潜在因素，在保证一定的信干噪比条件下，联合流量负载对混合型无线NoC的功耗和网络干扰进行协同优化。精确时钟级的仿真实验结果表明，对于小规模专用拓扑所取得的性能增益甚微，但对于较大规模的特定应用，通过频率重用，其性能增益较为明显；如对于12*12的基准测试FFT，与MOWI-E方法相比，PICO方法所生成的优化拓扑的饱和吞吐量可提高23.56%，其包平均能耗节省了7.61%。且IP核规模越大，性能增益越明显。
针对非规则专用拓扑的MAC通信机制中，所存在的并行通信链路授权问题和无线令牌不可达问题，提出了一种基于两级无线令牌的集中式MAC机制，同时解决了频率可重用的非规则专用拓扑中的信道竞争和数据传输冲突问题。该集中式MAC机制通过放置信道集中控制器单元CCCU，用以维护外部令牌控制字的查找表，以广播授权方式解决信道竞争问题。以所生成的非规则专用拓扑为验证对象，对上述集中式MAC机制进行了系统级仿真实验。实验结果表明，对于8*8和12*12两种规模的FFT真实应用所对应的专用拓扑，与分布式MAC机制相比，采用集中式MAC机制时，拓扑的饱和吞吐量提高了6.14%~12.58%，延时降低了8.45%~12.76%。相比较而言，集中式MAC机制具有更小的令牌传递延时与返回周期，有助于改善拓扑的吞吐量与延时性能。
针对混合型无线NoC中片内无线通信系统的模型建立问题，结合现有的相关研究基础，在物理级采用射线跟踪法，建立了基于多径信号传播的路径损耗与时延模型；同时在系统级采用统计分析法，建立了功耗与延时统计分析模型；之后以此为基础，建立系统级的功耗与延时统计分析模型。相关理论分析和仿真实验表明：①于硅衬底上集成毫米波天线对时，其信号主要为表面波和硅衬底引导的导波，随着通信间距的增大，导波信号可忽略；本文的路径损耗模型与现有的实测拟合出的路径损耗模型相比，对于高阻抗硅衬底，两者模型总体平均误差约为10.08%，尤其是当通信间距在5~30mm时，两者模型的平均误差仅为8.20%；同时，采用高阻抗硅衬底可降低路径损耗，相干带宽趋近于100GHz。②于硅衬底上集成THz/光频率天线对时，片内的信号传播主要通过真空封装面反射，将反射系数假设为-1的传统两径模型直接应用到片内时，会给路径损耗带来较大误差；减小真空封装的各封装面和氧化层的介电常数，有助于降低路径损耗并增大相干带宽。
在流量特征未知的通用拓扑设计方面，针对通用的规则型拓扑无法根据流量模型于片内自适应调整的问题，提出了一种基于虚Torus的自适应的混合型无线NoC拓扑结构VT-AWiNoC，改善了混合型无线NoC的规则型通用拓扑的综合性能。该结构通过引入链路拥塞测度作为感知参数，基于此采用热点无线链路自动探测与带宽动态分配机制，并设计实现发送器动态分配的控制电路模块，以达到根据不同的通信流量模型，于片内自适应地调整拓扑结构及链路带宽的目的。实验结果表明，该自适应拓扑与其它混合型无线NoC相比，在随机流量模型下，网络平均延时降低了16.52%~23.57%；在20%的热点流量模型下，包平均能耗节省了39.19%；以真实应用FFT作为基准测试，平均延时降低了17.20%~21.68%，并节省23.49%的包平均能耗。
在面向特定应用的非规则专用拓扑生成方面，针对功耗与干扰相互制约和无线资源受限的问题，提出了一种功耗-干扰协同优化PICO的非规则专用拓扑生成方法，通过频率重用提升了混合型无线NoC的性能增益。该方法通过分析影响功耗和网络干扰的潜在因素，在保证一定的信干噪比条件下，联合流量负载对混合型无线NoC的功耗和网络干扰进行协同优化。精确时钟级的仿真实验结果表明，对于小规模专用拓扑所取得的性能增益甚微，但对于较大规模的特定应用，通过频率重用，其性能增益较为明显；如对于12*12的基准测试FFT，与MOWI-E方法相比，PICO方法所生成的优化拓扑的饱和吞吐量可提高23.56%，其包平均能耗节省了7.61%。且IP核规模越大，性能增益越明显。
针对非规则专用拓扑的MAC通信机制中，所存在的并行通信链路授权问题和无线令牌不可达问题，提出了一种基于两级无线令牌的集中式MAC机制，同时解决了频率可重用的非规则专用拓扑中的信道竞争和数据传输冲突问题。该集中式MAC机制通过放置信道集中控制器单元CCCU，用以维护外部令牌控制字的查找表，以广播授权方式解决信道竞争问题。以所生成的非规则专用拓扑为验证对象，对上述集中式MAC机制进行了系统级仿真实验。实验结果表明，对于8*8和12*12两种规模的FFT真实应用所对应的专用拓扑，与分布式MAC机制相比，采用集中式MAC机制时，拓扑的饱和吞吐量提高了6.14%~12.58%，延时降低了8.45%~12.76%。相比较而言，集中式MAC机制具有更小的令牌传递延时与返回周期，有助于改善拓扑的吞吐量与延时性能。