一种矿用高性能Wi－Fi基站的设计与实现

张 达，金 枫，吕 潇，刘 旭

（北京矿冶研究总院，北京100160）

随着计算机、通信等信息化技术的飞速发展，我国矿山行业所普遍采用的单一有线通信网络的性能瓶颈愈发凸显，其高昂的建设成本与固定的网络拓扑已难以适应矿山高效安全生产的实际需求。目前，国内一些科研院所提出了以有线网络为主、无线网络为辅的混合型网络结构，在一定程度上提高了网络的延伸能力与灵活性［1－2］。但目前的混合型网络中，无线部分所采用的核心设备多为基于Zigbee技术或RFID技术的通信设备［3－5］。实际应用中，这些技术所能提供的通信带宽及通信距离十分有限，难以有效承载大规模的数据通信。即使少部分网络采用了WLAN方案，其核心技术仍基本停留在IEEE 802．11g阶段，最高仅能提供54Mbps的链路传输速率，无法完成高清视频、控制指令的实时传输，严重限制了网络的整体性能。

针对上述矿山通信的技术现状，结合矿山实际应用需求，基于IEEE 802．11n技术设计了一种高性能的矿用无线通信基站BWAP。该基站采用双射频及大功率设计，能够在井下环境中分别在2．4 GHz频段及5GHz频段提供300Mbps的链路速率，并支持远距离的信号覆盖，可以适用于各类复杂的矿山环境，并显著改善矿山的无线网络性能和通信能力。

1 BWAP总体方案

矿用高功率Wi－Fi基站主要应用于矿山无线通信网络的建设，其承载数据包括高清视频信息、实时语音信息等多媒体数据、环境监测数据及装备控制指令等。在这类井下应用中，要求无线基站应具备以下性能特点：

1）高无线传输速率，保证各类数据的并发传输及实时性；

2）丰富的物理接口，实现各类井下仪器设备的兼容接入，增强系统接入能力；

3）大射频发射功率与接收灵敏度，提供足够大的无线信号覆盖能力，适应矿山复杂的链路环境；

4）稳定的运行能力，在各种外部条件下，保证通信系统的稳定性及健壮性。

基于上述要求，以地下矿山为具体应用背景，采用模块化完成BWAP基站的总体方案设计。基站由硬件层和软件层两大部分组成，总体框架如图1所示。其中，硬件层主要包括核心处理器模块、通信接口模块及包含5GHz射频模组与2．4GHz射频模组的无线通信模块。软件层主要包括 Mips－Linux－2．6．31内核、硬件驱动、IEEE 802．11 协议栈、网络协议及应用服务等几个部分。

图1 BWAP总体框架Fig．1 General framework of BWAP

2 BWAP硬件设计

在硬件设计上，BWAP遵循模块化设计，其硬件框架如图2所示。

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

2．1 中央处理器模块

中央处理器模块由主处理器单元和存储单元等组成。中央处理器模块是基站的计算核心，负责数据的计算存储、外围设备的控制、数据转发、数据处理、任务管理等各项工作。本设计中主处理器部分选择了通用的基于MIPS74Kc设计的533MHz处理器 AR9350［6－8］。存储单元由 Flash和 DDR2组成。Flash存储了基站的驱动以及各项设置，选用16MB Nor Flash 芯 片 MX25L12845EMI－10G，DDR2选用2片512MB的V59C151216QDJ25芯片组成128MB内存空间。

2．2 2．4GHz通信模块

本设计中2．4GHz通信模块基于所选主芯片的2．4GHz基带进行设计，通过对其发送和接收使用功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）进行放大和滤波，如图3所示，可以实现可调的功率输出，功率范围15～27dBm；灵敏度可达－96dBm；物理层链接速率最高可达300Mbps，实际传输有效数据最快可达140Mbps，传输距离可达2km。AR9350的基带输出信号经过滤波器后接PA的输入端，PA的输出端和LNA的输入端分别接至天线开关，LNA的输出端经射频匹配后接AR9350的基带输入。主要工作参数可以通过基站的Web页面进行配置，使用非常灵活。

图3 射频模块架构框图Fig．3 RF module structure diagram

2．3 5GHz通信模块

本设计采用一颗基于2×2 802．11n的无线芯片进行设计，该芯片与所选主芯片之间通过minipcie接口进行通信。由于系统稳定工作需要正常的启动顺序，本设计中外加无线芯片的复位reset信号由所选主芯片提供。其射频结构与2．4GHz模块结构类似，通过对5GHz的射频信号进行放大、滤波、匹配，设计可以达到最高27dBm的功率输出；物理层链接速率最高可达300Mbps，实际传输有效速率最快可达200Mbps，无障碍传输距离可达6km。为降低运行功耗，其5GHz信号的开关、功率及其它主要工作参数均可通过Web页面及调试串口进行配置。

2．4 串口调试模块

串口模块负责主芯片的工作状态及debug信息的输出，以及对于芯片配置信号、调试信号的输入。本设计中采用电平转换芯片MAX3221ECAE来进行串口电平转换。为了保证芯片的稳定工作，在其各个电源管脚设计了足够数量的滤波电容，同时考虑到该串口直接与外壳相连，增加保护器件UDD32C05L01来预防外界静电等干扰对芯片的损坏，也保证串口通信的稳定性。

2．5 以太网控制器模块

本设计采用支持多个千兆以太网输出的以太网控制芯片QCA8337，该芯片同时支持 MII／RGMII等多种工作模式。通过对启动模式的配置，将QCA8337设置在 RGMII＋5＊10／100／1000M PHY工作模式，并使用其RGMII接口与主芯片相连接。在以太网芯片开始工作前，主芯片需要通过MDC／MDIO总线对以太网芯片进行配置，然后以太网芯片把收到的数据通过4根RGMII数据线送到主芯片，主芯片把要发送的数据通过另4根RGMII数据线发送到以太网芯片。本设计采用一颗相位翻转器作为MDC总线的调试预留。当MDC和MDIO的时序间距过小时，总线会发生通信不稳定的状态，此时可以通过这颗相位翻转器来改变MDC的相位，从而获得稳定的总线通信。实验样板调试结果验证了这个方法的有效性。

3 BWAP软件设计

3．1 软件平台

本文在Ubuntu10．04下搭建 MIPS交叉编译环境，从而完成BWAP的内核编译和应用程序开发。bootloader方面，采用德国DENX软件工程中心研发的U－boot对系统进行启动引导，完成硬件初始化、配置及内核镜像文件加载等工作；内核方面，BWAP针对 MIPS处理器对Linux2．6．31内核的通用选项、处理器类型及特点、设备驱动、网络特性、总线选项、安全选项进行剪裁，从而优化系统内核体积，提高内核的运行效率［9］。

3．2 协议栈开发

BWAP基于Linux－wireless项目提供的开源芯片驱动ath9k完成协议栈开发。该驱动内嵌标准的IEEE 802．11n协议栈（PHY及 MAC）。其中 MAC分为LMAC和UMAC两部分，LMAC包含了硬件抽象层及设备对象管理层，UMAC则负责提供协议数据处理并向操作系统网络协议栈提供数据接口。

3．3 应用服务开发

在实际应用中，基站的许多运行模式和功能参数需要结合使用环境的实际需求进行设置，为增加基站的实用性，在BWAP内搭建 Web Sever服务［10］，允许使用者通过远程IP访问的方式登录基站，并对基站进行在线配置。其实现框架如图4所示，主要采用了通用网关接口（CGI）技术来实现服务器与基站硬件的指令数据交互。

图4 Web服务实现框架Fig．4 Web server implementation framework

另外，为了便于实时监测和控制基站的运行状态，防止基站出现掉电、阻塞、死机等运行故障，BWAP还完成了简单网络管理协议代理（snmp agent）的移植。本文采用开源项目net－snmp提供的snmp agent代理，远端snmp服务器可通过set、get、trap等操作经由该snmp agent对基站的相关信息进行实时监控。同时，本文还对MIB进行了扩展，在enterprises节点下新增了终端的接入数量、信道质量、通信速率、供电情况、通信负载等与矿山实际应用环境相关的信息。当服务端通过snmp检测到异常情况时，会即时发出报警，并对基站执行相应的恢复操作。

4 试验分析

为评估高性能无线基站的各项性能，分别在矿山实际环境和实验室环境对基站的通信距离、吞吐量、温度范围等指标进行测试。

4．1 远距离通信性能测试

通信距离测试的试验地点为某矿山实际矿井巷道，该巷道长度为2km左右，两台待测无线基站均配备12dBi的定向天线，且无线基站设置在2．4 GHz频段2×2MIMO状态工作，发射功率27dBm（500mW）。试验场景中，一台无线基站放置在巷道一端，另一台无线基站匀速向巷道的另一个方向移动，试验数据采用应用层测试软件IxChariot进行记录，吞吐量随着两个基站之间距离的变化趋势如图5所示。

图5 吞吐量随着距离的变化趋势Fig．5 Throughput capacity changing trend with distance

从图5可以看出，随着通信距离的不断加大，链路质量逐渐下降，网络吞吐量随之降低。其中，吞吐量峰值为195Mbps，在950m范围内，吞吐量始终维持在100Mbps以上，当移动基站到达巷道最远端（距固定基站2km处），吞吐量下降到6Mbps，仍具备完成语音、传感器信息等低速数据的传输能力。可见，该基站在井下环境中具有良好的覆盖范围和通信带宽表现，能够适用于各类井下应用。

4．2 高低温测试

将AP置于高低温试验箱内，AP射频线缆连接IQ2010测试仪器，IQ2010测试仪器主要用于无线射频校正、验证以及测试，同样设置无线基站工作在27dBm＠2．4GHz工作频率，试验环境见图6。

图6 高低温测试环境搭建Fig．6High－low temperature test environment building

调节高低温试验箱的温度变化范围为－15℃～45℃，每个温度工作稳定2h，测量得出温度值与发射功率关系值如表1所示。从测出数据可知，由于射频器件的特性，随着温度降低，基站的发射功率逐渐升高。同时，进行过温度补偿后的基站在每个温度测试点下发射功率均高于未补偿基站，具有更好的信号发射性能。

表1 温度值与发射功率关系Table 1 Relationship of temperature value and transmitting power

4．3 吞吐量测试

吞吐量测试主要包括无线基站以太网部分和无线部分的通信带宽测试，使用IxChariot软件测试吞吐量性能，测试结果显示，以太网通信带宽流量可达900Mbps，无线通信实际速率流量可达200Mbps，具有良好的通信能力。

5 结论

WLAN技术已经逐渐应用于矿山井下网络建设中，并开始承担重要的生产信息传输作用。Wi－Fi基站作为WLAN网络中重要的基础设备，具有重要研究和应用价值。本文针对目前矿用无线网络的技术现状，结合矿山特点，设计了一种高功率、高带宽且具有网络监控和网络交换能力的 Wi－Fi基站。试验数据表明，该基站在矿山井下环境中具有良好的综合传输性能，设计稳定可靠。

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