一種礦用高性能Wi－Fi基站的設(shè)計與實現(xiàn)

張 達，金 楓，呂 瀟，劉 旭

（北京礦冶研究總院，北京100160）

隨著計算機、通信等信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，我國礦山行業(yè)所普遍采用的單一有線通信網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸愈發(fā)凸顯，其高昂的建設(shè)成本與固定的網(wǎng)絡(luò)拓撲已難以適應(yīng)礦山高效安全生產(chǎn)的實際需求。目前，國內(nèi)一些科研院所提出了以有線網(wǎng)絡(luò)為主、無線網(wǎng)絡(luò)為輔的混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的延伸能力與靈活性［1－2］。但目前的混合型網(wǎng)絡(luò)中，無線部分所采用的核心設(shè)備多為基于Zigbee技術(shù)或RFID技術(shù)的通信設(shè)備［3－5］。實際應(yīng)用中，這些技術(shù)所能提供的通信帶寬及通信距離十分有限，難以有效承載大規(guī)模的數(shù)據(jù)通信。即使少部分網(wǎng)絡(luò)采用了WLAN方案，其核心技術(shù)仍基本停留在IEEE 802．11g階段，最高僅能提供54Mbps的鏈路傳輸速率，無法完成高清視頻、控制指令的實時傳輸，嚴重限制了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

針對上述礦山通信的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合礦山實際應(yīng)用需求，基于IEEE 802．11n技術(shù)設(shè)計了一種高性能的礦用無線通信基站BWAP。該基站采用雙射頻及大功率設(shè)計，能夠在井下環(huán)境中分別在2．4 GHz頻段及5GHz頻段提供300Mbps的鏈路速率，并支持遠距離的信號覆蓋，可以適用于各類復雜的礦山環(huán)境，并顯著改善礦山的無線網(wǎng)絡(luò)性能和通信能力。

1 BWAP總體方案

礦用高功率Wi－Fi基站主要應(yīng)用于礦山無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其承載數(shù)據(jù)包括高清視頻信息、實時語音信息等多媒體數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及裝備控制指令等。在這類井下應(yīng)用中，要求無線基站應(yīng)具備以下性能特點：

1）高無線傳輸速率，保證各類數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸及實時性；

2）豐富的物理接口，實現(xiàn)各類井下儀器設(shè)備的兼容接入，增強系統(tǒng)接入能力；

3）大射頻發(fā)射功率與接收靈敏度，提供足夠大的無線信號覆蓋能力，適應(yīng)礦山復雜的鏈路環(huán)境；

4）穩(wěn)定的運行能力，在各種外部條件下，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性及健壯性。

基于上述要求，以地下礦山為具體應(yīng)用背景，采用模塊化完成BWAP基站的總體方案設(shè)計?；居捎布雍蛙浖觾纱蟛糠纸M成，總體框架如圖1所示。其中，硬件層主要包括核心處理器模塊、通信接口模塊及包含5GHz射頻模組與2．4GHz射頻模組的無線通信模塊。軟件層主要包括 Mips－Linux－2．6．31內(nèi)核、硬件驅(qū)動、IEEE 802．11 協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及應(yīng)用服務(wù)等幾個部分。

圖1 BWAP總體框架Fig．1 General framework of BWAP

2 BWAP硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計上，BWAP遵循模塊化設(shè)計，其硬件框架如圖2所示。

圖2 BWAP硬件框架Fig．2 Hardware framework of BWAP

2．1 中央處理器模塊

中央處理器模塊由主處理器單元和存儲單元等組成。中央處理器模塊是基站的計算核心，負責數(shù)據(jù)的計算存儲、外圍設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理等各項工作。本設(shè)計中主處理器部分選擇了通用的基于MIPS74Kc設(shè)計的533MHz處理器 AR9350［6－8］。存儲單元由 Flash和 DDR2組成。Flash存儲了基站的驅(qū)動以及各項設(shè)置，選用16MB Nor Flash 芯 片 MX25L12845EMI－10G，DDR2選用2片512MB的V59C151216QDJ25芯片組成128MB內(nèi)存空間。

2．2 2．4GHz通信模塊

本設(shè)計中2．4GHz通信模塊基于所選主芯片的2．4GHz基帶進行設(shè)計，通過對其發(fā)送和接收使用功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）進行放大和濾波，如圖3所示，可以實現(xiàn)可調(diào)的功率輸出，功率范圍15～27dBm；靈敏度可達－96dBm；物理層鏈接速率最高可達300Mbps，實際傳輸有效數(shù)據(jù)最快可達140Mbps，傳輸距離可達2km。AR9350的基帶輸出信號經(jīng)過濾波器后接PA的輸入端，PA的輸出端和LNA的輸入端分別接至天線開關(guān)，LNA的輸出端經(jīng)射頻匹配后接AR9350的基帶輸入。主要工作參數(shù)可以通過基站的Web頁面進行配置，使用非常靈活。

圖3 射頻模塊架構(gòu)框圖Fig．3 RF module structure diagram

2．3 5GHz通信模塊

本設(shè)計采用一顆基于2×2 802．11n的無線芯片進行設(shè)計，該芯片與所選主芯片之間通過minipcie接口進行通信。由于系統(tǒng)穩(wěn)定工作需要正常的啟動順序，本設(shè)計中外加無線芯片的復位reset信號由所選主芯片提供。其射頻結(jié)構(gòu)與2．4GHz模塊結(jié)構(gòu)類似，通過對5GHz的射頻信號進行放大、濾波、匹配，設(shè)計可以達到最高27dBm的功率輸出；物理層鏈接速率最高可達300Mbps，實際傳輸有效速率最快可達200Mbps，無障礙傳輸距離可達6km。為降低運行功耗，其5GHz信號的開關(guān)、功率及其它主要工作參數(shù)均可通過Web頁面及調(diào)試串口進行配置。

2．4 串口調(diào)試模塊

串口模塊負責主芯片的工作狀態(tài)及debug信息的輸出，以及對于芯片配置信號、調(diào)試信號的輸入。本設(shè)計中采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3221ECAE來進行串口電平轉(zhuǎn)換。為了保證芯片的穩(wěn)定工作，在其各個電源管腳設(shè)計了足夠數(shù)量的濾波電容，同時考慮到該串口直接與外殼相連，增加保護器件UDD32C05L01來預防外界靜電等干擾對芯片的損壞，也保證串口通信的穩(wěn)定性。

2．5 以太網(wǎng)控制器模塊

本設(shè)計采用支持多個千兆以太網(wǎng)輸出的以太網(wǎng)控制芯片QCA8337，該芯片同時支持 MII／RGMII等多種工作模式。通過對啟動模式的配置，將QCA8337設(shè)置在 RGMII＋5＊10／100／1000M PHY工作模式，并使用其RGMII接口與主芯片相連接。在以太網(wǎng)芯片開始工作前，主芯片需要通過MDC／MDIO總線對以太網(wǎng)芯片進行配置，然后以太網(wǎng)芯片把收到的數(shù)據(jù)通過4根RGMII數(shù)據(jù)線送到主芯片，主芯片把要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過另4根RGMII數(shù)據(jù)線發(fā)送到以太網(wǎng)芯片。本設(shè)計采用一顆相位翻轉(zhuǎn)器作為MDC總線的調(diào)試預留。當MDC和MDIO的時序間距過小時，總線會發(fā)生通信不穩(wěn)定的狀態(tài)，此時可以通過這顆相位翻轉(zhuǎn)器來改變MDC的相位，從而獲得穩(wěn)定的總線通信。實驗樣板調(diào)試結(jié)果驗證了這個方法的有效性。

3 BWAP軟件設(shè)計

3．1 軟件平臺

本文在Ubuntu10．04下搭建 MIPS交叉編譯環(huán)境，從而完成BWAP的內(nèi)核編譯和應(yīng)用程序開發(fā)。bootloader方面，采用德國DENX軟件工程中心研發(fā)的U－boot對系統(tǒng)進行啟動引導，完成硬件初始化、配置及內(nèi)核鏡像文件加載等工作；內(nèi)核方面，BWAP針對 MIPS處理器對Linux2．6．31內(nèi)核的通用選項、處理器類型及特點、設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)特性、總線選項、安全選項進行剪裁，從而優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)核體積，提高內(nèi)核的運行效率［9］。

3．2 協(xié)議棧開發(fā)

BWAP基于Linux－wireless項目提供的開源芯片驅(qū)動ath9k完成協(xié)議棧開發(fā)。該驅(qū)動內(nèi)嵌標準的IEEE 802．11n協(xié)議棧（PHY及 MAC）。其中 MAC分為LMAC和UMAC兩部分，LMAC包含了硬件抽象層及設(shè)備對象管理層，UMAC則負責提供協(xié)議數(shù)據(jù)處理并向操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供數(shù)據(jù)接口。

3．3 應(yīng)用服務(wù)開發(fā)

在實際應(yīng)用中，基站的許多運行模式和功能參數(shù)需要結(jié)合使用環(huán)境的實際需求進行設(shè)置，為增加基站的實用性，在BWAP內(nèi)搭建 Web Sever服務(wù)［10］，允許使用者通過遠程IP訪問的方式登錄基站，并對基站進行在線配置。其實現(xiàn)框架如圖4所示，主要采用了通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）技術(shù)來實現(xiàn)服務(wù)器與基站硬件的指令數(shù)據(jù)交互。

圖4 Web服務(wù)實現(xiàn)框架Fig．4 Web server implementation framework

另外，為了便于實時監(jiān)測和控制基站的運行狀態(tài)，防止基站出現(xiàn)掉電、阻塞、死機等運行故障，BWAP還完成了簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議代理（snmp agent）的移植。本文采用開源項目net－snmp提供的snmp agent代理，遠端snmp服務(wù)器可通過set、get、trap等操作經(jīng)由該snmp agent對基站的相關(guān)信息進行實時監(jiān)控。同時，本文還對MIB進行了擴展，在enterprises節(jié)點下新增了終端的接入數(shù)量、信道質(zhì)量、通信速率、供電情況、通信負載等與礦山實際應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的信息。當服務(wù)端通過snmp檢測到異常情況時，會即時發(fā)出報警，并對基站執(zhí)行相應(yīng)的恢復操作。

4 試驗分析

為評估高性能無線基站的各項性能，分別在礦山實際環(huán)境和實驗室環(huán)境對基站的通信距離、吞吐量、溫度范圍等指標進行測試。

4．1 遠距離通信性能測試

通信距離測試的試驗地點為某礦山實際礦井巷道，該巷道長度為2km左右，兩臺待測無線基站均配備12dBi的定向天線，且無線基站設(shè)置在2．4 GHz頻段2×2MIMO狀態(tài)工作，發(fā)射功率27dBm（500mW）。試驗場景中，一臺無線基站放置在巷道一端，另一臺無線基站勻速向巷道的另一個方向移動，試驗數(shù)據(jù)采用應(yīng)用層測試軟件IxChariot進行記錄，吞吐量隨著兩個基站之間距離的變化趨勢如圖5所示。

圖5 吞吐量隨著距離的變化趨勢Fig．5 Throughput capacity changing trend with distance

從圖5可以看出，隨著通信距離的不斷加大，鏈路質(zhì)量逐漸下降，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨之降低。其中，吞吐量峰值為195Mbps，在950m范圍內(nèi)，吞吐量始終維持在100Mbps以上，當移動基站到達巷道最遠端（距固定基站2km處），吞吐量下降到6Mbps，仍具備完成語音、傳感器信息等低速數(shù)據(jù)的傳輸能力?？梢?，該基站在井下環(huán)境中具有良好的覆蓋范圍和通信帶寬表現(xiàn)，能夠適用于各類井下應(yīng)用。

4．2 高低溫測試

將AP置于高低溫試驗箱內(nèi)，AP射頻線纜連接IQ2010測試儀器，IQ2010測試儀器主要用于無線射頻校正、驗證以及測試，同樣設(shè)置無線基站工作在27dBm＠2．4GHz工作頻率，試驗環(huán)境見圖6。

圖6 高低溫測試環(huán)境搭建Fig．6High－low temperature test environment building

調(diào)節(jié)高低溫試驗箱的溫度變化范圍為－15℃～45℃，每個溫度工作穩(wěn)定2h，測量得出溫度值與發(fā)射功率關(guān)系值如表1所示。從測出數(shù)據(jù)可知，由于射頻器件的特性，隨著溫度降低，基站的發(fā)射功率逐漸升高。同時，進行過溫度補償后的基站在每個溫度測試點下發(fā)射功率均高于未補償基站，具有更好的信號發(fā)射性能。

表1 溫度值與發(fā)射功率關(guān)系Table 1 Relationship of temperature value and transmitting power

4．3 吞吐量測試

吞吐量測試主要包括無線基站以太網(wǎng)部分和無線部分的通信帶寬測試，使用IxChariot軟件測試吞吐量性能，測試結(jié)果顯示，以太網(wǎng)通信帶寬流量可達900Mbps，無線通信實際速率流量可達200Mbps，具有良好的通信能力。

5 結(jié)論

WLAN技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于礦山井下網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，并開始承擔重要的生產(chǎn)信息傳輸作用。Wi－Fi基站作為WLAN網(wǎng)絡(luò)中重要的基礎(chǔ)設(shè)備，具有重要研究和應(yīng)用價值。本文針對目前礦用無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合礦山特點，設(shè)計了一種高功率、高帶寬且具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)交換能力的 Wi－Fi基站。試驗數(shù)據(jù)表明，該基站在礦山井下環(huán)境中具有良好的綜合傳輸性能，設(shè)計穩(wěn)定可靠。

［1］ 周 偉 ．煤礦并下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)研究［D］．陜西：西安科技大學，2007．

［2］ 張 申 ．煤礦井下綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其無線接入關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］．徐州：中國礦業(yè)大學，2000．

［3］ 耿曉立 ．基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究［J］．應(yīng)用技術(shù)，2008（1）：52－55．

［4］ 張 立 ．基于RFID的井下跟蹤定位系統(tǒng)研究［D］．大連：大連理工大學，2009．

［5］ 盛 利 ．基于RFID和ZigBee技術(shù)煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)研究［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（11）：25－28．

［6］ Nathawad L，Zargari M，Samavati H，et al．A Dual－Band CMOS MIMO Radio SoC for IEEE 802．11nWireless LAN［C］／／Solid－State Circuits Conference．ISSCC 2008．Digest of Technical Papers．IEEE International，2008：358－619．

［7］ Li Lin，Wongkomet N，Yu D，et al．A fully integrated 2×2 MIMO dual－band dual－mode direct－conversion CMOS transceiver for WiMAX／WLAN applications［C］／／Solid－State Circuits Conference－Digest of Technical Papers．ISSCC 2009．IEEE International，2009：416－417，417a．

［8］ Felemban E，Murad M，Manzoor M A，et al．Demo：Modular Wireless Technology Gateway．Mobile Ad－Hoc and Sensor Systems（MASS）［C］／／2013IEEE 10th International Conference，2013：627－628．

［9］ 楊曉健 ．基于ARM9的嵌入式視頻采集系統(tǒng)設(shè)計［J］．西安工程大學學報，2010，24（2）：208－212．

［10］ 莫灼宇 ．煤礦井下環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式 Web Server的應(yīng)用［J］．煤炭技術(shù)，2014，33（2）：163－165．