吳戀,黃俊偉，黃一峰

(重慶郵電大學(xué) 新一代寬帶移動(dòng)通信終端研究所，重慶 400065)

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吳戀,黃俊偉，黃一峰

(重慶郵電大學(xué) 新一代寬帶移動(dòng)通信終端研究所，重慶 400065)

近年來市場上出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品MiFi(一種便攜式WiFi熱點(diǎn)終端)滿足了處于移動(dòng)中的人們對網(wǎng)絡(luò)的需求,使MiFi隨身成為現(xiàn)實(shí)。本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一款TD-SCDMA的MiFi，系統(tǒng)地論述了MiFi的實(shí)現(xiàn)方案，統(tǒng)計(jì)和分析了當(dāng)前市場上MiFi存在的不足，針對這些不足進(jìn)行性能和功能上的優(yōu)化。本文對要進(jìn)行MiFi開發(fā)的讀者具有啟示性和指導(dǎo)性的作用。

MiFi； WiFi；熱點(diǎn)終端

引 言

MiFi是近年來推出的一種便攜式WiFi熱點(diǎn)終端，這個(gè)名字代表“My WiFi”，即實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)揣進(jìn)口袋為用戶提供隨身WiFi。它的特點(diǎn)是可利用SIM卡連接互聯(lián)網(wǎng)，將SIM卡接收到的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)(LTE/3G/2G)以802.11無線通信標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的形式分享出來供上網(wǎng)設(shè)備連接上網(wǎng)，給用戶實(shí)現(xiàn)隨身WiFi[1]。目前國內(nèi)外都已經(jīng)興起了MiFi熱潮。

目前國內(nèi)主流的一些MiFi產(chǎn)品支持3G/2G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)MiFi、有線固網(wǎng)轉(zhuǎn)WiFi、WiFi中繼、有線和無線及USB的接入方式、Web遠(yuǎn)程管理、防火墻設(shè)置等功能，為用戶上網(wǎng)提供了極大的方便，但普遍也還存在一些問題。

本文主要是實(shí)現(xiàn)了一款TD網(wǎng)絡(luò)類型的3G MiFi，它除了支持上述所說功能外，針對當(dāng)前市場上MiFi產(chǎn)品存在的不足進(jìn)行性能上的改善和功能上的創(chuàng)新。文中提出的方案也適用于LTE MiFi的開發(fā)。

1 系統(tǒng)框架

1.1 MiFi硬件框架

從MiFi的主要特征功能上看，將MiFi分為4大模塊[2]：電源部分、最小系統(tǒng)部分(包括中央處理器CPU+存儲(chǔ)設(shè)備MCP)、WLAN部分、RFIC(射頻集成電路)，如圖1所示。

圖1 MiFi硬件框架

電源部分負(fù)責(zé)把外接的直流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)其他部分需要的電源,從而給整個(gè)系統(tǒng)供電。

最小系統(tǒng)部分主要由CPU、掉電易失存儲(chǔ)器RAM和掉電非易失存儲(chǔ)器FLASH組成，此部分是MiFi的核心。

◆ CPU——控制的核心，最關(guān)鍵的部分，CPU的處理能力直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

◆ MCP(NAND+DDR)——Memory Control Port，包括NAND Flash非易失存儲(chǔ)器和DDR易失存儲(chǔ)器。

WLAN部分：WiFi模塊部分，讓其通過SDIO總線與處理器進(jìn)行連接，將接收到的3G/2G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以802.11無線通信標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的形式分享出來，向外提供WiFi網(wǎng)絡(luò)。

基帶部分：RFIC射頻集成電路就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備能接收SIM卡移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。它通過USB總線與處理器進(jìn)行連接。

1.2 MiFi軟件框架

圖2 MiFi總體軟件架構(gòu)

軟件中需要兩個(gè)操作系統(tǒng)，一個(gè)是路由操作系統(tǒng)，一個(gè)是跑基帶軟件、協(xié)議的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?；鶐Ъ词顾追Q的BB，產(chǎn)品設(shè)備能支持什么樣的網(wǎng)絡(luò)(GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/LTE)就是由它來決定的。路由操作系統(tǒng)這邊除了實(shí)現(xiàn)一般無線路由具有的功能外，還負(fù)責(zé)與基帶的通信，完成將3G/2G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)為WiFi信號(hào)，負(fù)責(zé)與WiFi通信，及負(fù)責(zé)其他功能。路由操作系統(tǒng)是主控。下面通過圖表對MiFi的軟件架構(gòu)進(jìn)行說明，羅列出所需的軟件組件。圖2為MiFi總體軟件架構(gòu)。軟件架構(gòu)描述見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn—— 編者注。

2 MiFi的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 MiFi系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

方案一：雙芯片。一塊芯片中運(yùn)行基帶實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、另一塊芯片中運(yùn)行路由操作系統(tǒng)。

方案二：單芯片。通過虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)一塊芯片中同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)系統(tǒng)。

考慮到成本、硬件電路集成度,以及所需處理能力要求并不高等，選定采用單芯片方案。本文實(shí)現(xiàn)的這款MiFi硬件平臺(tái)以C6310作為核心處理器，此芯片是一塊TD的芯片，在該芯片上經(jīng)虛擬機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)跑有兩個(gè)操作系統(tǒng)——基帶相關(guān)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(虛擬機(jī)上運(yùn)行)和Linux內(nèi)核路由操作系統(tǒng)。

2.2 操作系統(tǒng)解決方案

前面說到MiFi中操作系統(tǒng)有兩個(gè)——路由操作系統(tǒng)、基帶實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?；鶐?shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用重郵信科公司的基帶平臺(tái)(該公司是國內(nèi)最早從事TD-SCDMA移動(dòng)終端研發(fā)的單位之一)，路由操作系統(tǒng)采用移植一種開源的Linux內(nèi)核的路由操作系統(tǒng)。

目前流行的第三方路由固件[3],主要有DDWRT、Tomato、Openwrt。

DDWRT:界面美觀,設(shè)置簡單，是三大固件中功能最豐富的,對新路由的支持十分迅速，但系統(tǒng)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)一些bug。

Tomato:界面尚可,設(shè)置簡單，是三大路由固件中最為穩(wěn)定的，但對新路由幾乎不支持，不出所料的話,Tomato會(huì)慢慢消亡。

Openwrt:官版LuCI界面相對丑陋,設(shè)置不簡單,易用性不好,但它是三大固件中可擴(kuò)展性最好的固件,對新路由的支持十分迅速,可以在新路由強(qiáng)勁CPU的支持下獲得很好的性能表現(xiàn)，是最有前途的固件。

本文實(shí)現(xiàn)的MiFi是基于Openwrt來實(shí)現(xiàn)的。

2.3 MiFi的Web遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卡夫卡讓筆下的K們與“中心”對抗，K們也具有鷹四般叛逆的勇氣，他們都對“中心”釋放著自己最叛逆的行徑。鷹四開槍自殺獲得了自我認(rèn)同，但鷹四從不祈求以死獲取寬恕，因?yàn)閷捤椝膩碚f更是一種殘忍，他想通過懲罰將自我徹底毀滅。K們的“挑釁”也絕不希望得到寬恕，寬恕對他們意味著脫離了“權(quán)威政治”，他們的行動(dòng)是在證明自己“有罪”，來取得“中心”的關(guān)注。

對MiFi設(shè)備的管理配置同對路由器的管理相同，都是通過Web遠(yuǎn)程管理設(shè)備的?；贠penwrt的MiFi的Web遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的開發(fā)可借助于LuCI。LuCI是Openwrt有其默認(rèn)的Web系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的Web框架，它是Lua和UCI這兩個(gè)項(xiàng)目的結(jié)合體，是接口用Lua腳本語言的UCI。輕量級(jí) Lua語言的官方版本只包括一個(gè)精簡的核心和最基本的庫，其體積小,啟動(dòng)速度快，適合嵌入在別的程序里[4]。Web遠(yuǎn)程管理實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖3所示，其實(shí)現(xiàn)路由配置的機(jī)制是：

圖3 Web遠(yuǎn)程管理實(shí)現(xiàn)機(jī)制

① 當(dāng)在瀏覽器輸入MiFi的IP(如：192.168.0.1)時(shí)，瀏覽器會(huì)給路由系統(tǒng)中的uhttpd服務(wù)器發(fā)出事件。uhttpd是Openwrt中開機(jī)就要啟動(dòng)的一個(gè)后臺(tái)程序，一直在運(yùn)行一直在偵聽。

② uhttpd收到瀏覽器的請求后將LuCI跑起來，也即使得在瀏覽器上看到網(wǎng)頁界面框圖。

③ LuCI通過UCI接口與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

但官版的LuCI系統(tǒng)是針對路由器的，必然與MiFi不符，本文僅是借助LuCI框架對整個(gè)Web管理重開發(fā)，開發(fā)一套MiFi的Web遠(yuǎn)程界面、建立物理邏輯連接。利用LuCI的框架及LuCI定義封裝好的多控件，可快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)里模塊的快速添加或刪除、節(jié)點(diǎn)的快速添加或刪除，以及避免繁瑣的html編寫，以實(shí)現(xiàn)超快速的頁面搭建。

若移植的開源Openwrt固件版本中沒自帶LuCI環(huán)境，可自行搭建。LuCI環(huán)境搭建[5]：

① 所需下載的軟件包——Lua、LuCI；

② 組件LuCI文件夾——把LuCI運(yùn)行所需要的庫放到LuCI文件夾根目錄；

③ 建立動(dòng)態(tài)連接庫——有一些.so需要C庫的支持，比如uci.so 需要libuci.so.0.8等，需搬移安裝；

⑤ 移植Web服務(wù)器——把已經(jīng)編譯好的Uhttpd拷貝到相應(yīng)的bin下面；

⑥ 組件www文件夾。

2.4 性能及功能上的改善

對當(dāng)前市場上的主流MiFi產(chǎn)品進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，普遍存在如下問題[1]：

① 連接數(shù)小。很多主流MiFi產(chǎn)品最多只允許5個(gè)上網(wǎng)設(shè)備同時(shí)連接上WiFi。

② 電池導(dǎo)航時(shí)間短，普遍只能持續(xù)工作2～4小時(shí)。

③ 無流量限制設(shè)置功能和流量用超時(shí)有效的提醒方式。很多用戶反映SIM卡流量用超時(shí)沒有任何提醒，一個(gè)月后去繳費(fèi)得知欠費(fèi)很多。

2.4.1 性能指標(biāo)提升

性能指標(biāo)提升：

① 連接數(shù)的提升。通常連接數(shù)的多少是由WiFi芯片本身已經(jīng)確定了的，其值一般都是比較大的，但是MiFi系統(tǒng)能支持多少連接數(shù)還與其他很多方面有關(guān)。本文中實(shí)現(xiàn)的MiFi通過加大緩沖區(qū)buffer(每一個(gè)連接都會(huì)申請占用一些buffer，注冊不到buffer也就不會(huì)連接成功)、在SDIO總線驅(qū)動(dòng)中增添了包種類識(shí)別算法(使其支持多種大小的數(shù)據(jù)包傳輸)來增大了MiFi的連接數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)了使系統(tǒng)能支持10個(gè)上網(wǎng)設(shè)備同時(shí)連接上WiFi。

② 電池導(dǎo)航時(shí)間的提升。本系統(tǒng)中添加了省電方案，寫了一個(gè)power manage進(jìn)程，該進(jìn)程執(zhí)行每隔1 min檢查是否有上網(wǎng)設(shè)備通過USB線/LAN口有線/WiFi無線連接到MiFi，若沒有設(shè)備則使定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，若在指定時(shí)間內(nèi)都不再有連接，則系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，若在定時(shí)器計(jì)時(shí)期間檢測到有設(shè)備連接則將定時(shí)器清零。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式后，若有按鍵或USB插入發(fā)生，則喚醒系統(tǒng)進(jìn)入正常模式。

2.4.2 功能上的創(chuàng)新

這里主要是解決當(dāng)前用戶抱怨最多的問題——無流量限制設(shè)置功能和流量用超時(shí)有效的提醒方式。

其實(shí)現(xiàn)方式是：

① 在MiFi的Web遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)上添加流量套餐管理，實(shí)現(xiàn)流量套餐使用情況的顯示及查詢、流量使用最高門限的設(shè)置；

② 流量用超后有效的報(bào)警。

這里強(qiáng)調(diào)的是有效的報(bào)警，提出兩種方式：方案一,MiFi硬件上加入音頻發(fā)音器，長鳴發(fā)音的報(bào)警方式。在Webui上設(shè)置流量限制值，當(dāng)使用流量超限后啟動(dòng)音頻發(fā)音器，使MiFi長鳴，以告知用戶流量已超。方案二,MiFi給主人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信的方式。設(shè)置流量限制值，當(dāng)流量超限后下發(fā)AT指令到基帶，讓其發(fā)送流量用超的報(bào)警短信到用戶的手機(jī)上以告知用戶進(jìn)行處理。

本文中實(shí)現(xiàn)的MiFi采用的是第一種報(bào)警方式。

3 測試驗(yàn)證及成果展示

系統(tǒng)測試驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 測試驗(yàn)證

成果展示如圖4所示。

圖4 成果展示圖

結(jié) 語

本文對MiFi的軟硬件進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，講述了MiFi的實(shí)現(xiàn)原理，建立了一個(gè)宏觀的實(shí)現(xiàn)框架及思路；對實(shí)現(xiàn)MiFi的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了實(shí)現(xiàn)方案，在某些點(diǎn)上還提出了不同的方案；分析了當(dāng)前市場上MiFi的不足，在性能和功能上進(jìn)行了改善。測試驗(yàn)證本文實(shí)現(xiàn)的MiFi具有一般MiFi應(yīng)具有的功能，且在性能和功能上更優(yōu)于一般的MiFi。相較而言，它具有較快的網(wǎng)絡(luò)速率、較大的連接數(shù)、較低的功耗且具有省電模式，在功能上創(chuàng)新地加入流量用超后的自動(dòng)報(bào)警功能。該MiFi已經(jīng)做成產(chǎn)品并在市場售出。

[1] Wikipedia.MiFi[EB/OL].[2013-04-26].http://en.wiki pedia.org/wiki/MiFi.

[2] 周舸．TD-WiFi無線路由器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2011．

[3] 恩山無線論壇[EB/OL].[2013-04-26].http:// www.right.com.cn/forum/forum.php.

[4] OpenWrt Wireless Freedom [EB/OL].(2012-09) [2013-04-26]. https://Openwrt.org/.

[5] 王海龍，徐曉輝．基于嵌入式 Web 服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2010(5):101-103．

吳戀、黃一峰(碩士)，研究方向?yàn)榍度胧絃inux終端設(shè)備開發(fā);黃俊偉(正高級(jí)工程師),研究方向?yàn)門D-SCDMA移動(dòng)通信終端開發(fā)。

Wu Lian,Huang Junwei,Huang Yifeng

(Chongqing Next Generation Mobile Communication Terminal Laboratory，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

In recent years, a new product named MiFi(a portable WiFi hotspot terminal) in the market meets the network need of people who often move. MiFi makes the network in people's pocket. This paper designs and realizes a TD-SCDMA MiFi and systematically discusses the implementation method of MiFi. It makes a count and analyzes the defects of the existing MiFi in the market, then makes some improvements for these defects in terms of performance and functionality. This paper acts as a revelatory and guidance role for those people who want to develop MiFi.

MiFi; WiFi; Hotspot terminal

國家重大專項(xiàng)“TD-SCDMA增強(qiáng)型多媒體手機(jī)終端的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”(No. 2009ZX03001-002-01)。

TP368

A

珍

2013-11-28)