多模宽带短距离无线接入系统的研究与开发.doc

多模宽带短距离无线接入系统的研究与开发胡 静1，沈连丰1，宋铁成1，刘 佳2（1. 东南大学移动通信国家重点实验室 南京 210096；2. 南京东大移动互联技术有限公司 南京 210018）摘要 本文提出“智能无线接入+多网融合”的概念，研究了具有多网接入能力的宽带短距离无线接入解决方案。首先给出了系统的总体结构，然后对多模宽带短距离无线接入网关硬件、软件的设计与开发进行了详细介绍。该网关解决了多种无线终端与多个外网间进行短距离宽带无线接入和互联的关键技术，实现了相互间的语音和数据交互功能，性能稳定。关键词无线接入；嵌入式网关；多网融合1引言随着移动通信技术的飞速发展，3G、4G及新一代宽带接入技术不断出现。未来的移动通信将以宽带、大容量、多媒体为特色，这使得频率资源和系统容量的矛盾更加突出。针对这一问题，人们提出了许多解决办法，其中短距离无线接入技术是最具代表性的解决方案。目前国际上已提出的短距离无线接入标准主要有：以IEEE 802.16为代表的宽带无线城域网技术和标准；以IEEE 802.11系列和HiperLAN为代表的无线局域网（WLAN）技术；以IEEE 802.15和蓝牙（Bluetooth）为代表的无线个域网（WPAN）标准。另外，红外技术、HomeRF、无线传感器系统等也以各自的特色在低功率无线接入领域占据一席之地。但是，随着互联网速率的提高、无线局域网和无线个域网的发展，短距离接入的速率必然需要提高。同时，在通用平台上的多网融合也是对未来系统的最重要的要求之一。因此，研究开发有利于实现海量数据通信的高速率、低功耗、低成本、快捷可靠的无线传输技术，实现无线接入网的数字化、宽带化和智能化是目前通信和网络发展的重要任务。为实现上述目标，在分析国际上宽带无线接入技术的现状和发展趋势的基础上，作者提出“智能无线接入+多网融合”的概念，并综合各种实用技术和先进技术，研究具有多网接入能力的宽带短距离无线接入解决方案。本文首先给出了系统的总体实现方案，然后对其核心设备无线接入网关的硬件、软件的设计与开发进行了详细介绍。2系统总体方案随着具有WLAN和WPAN接入功能的终端设备逐渐增多，人们希望在办公室、家庭、会议场所等人群密度较大的热点区域提供多种短距离无线接入服务，而这就需要布设WLAN AP、Bluetooth AP、ZigBee AP等多个接入设备。如果能够将上述多种AP的功能集合在同一个接入设备上，就能够使热点区域内的多种终端同时接入并共享互联网出口带宽。提供多种接入方式的网关设备上也可以提供一些接入选择及备份功能，例如当以太网和GPRS两种互联网接入方式均可用时，可以让用户选择使用何种方式，或者按照资费最低、接入速度最快等规则进行自动选择。而如果当前接入方式意外断开，则可自动通过其他备用方式进行连接，对用户尽量屏蔽接入方式切换带来的影响。另外，宽带短距离无线接入系统在提供数据接入的同时，也需要提供语音接入功能，以使语音终端能够接入本系统的网关设备从而接入蜂窝网或PSTN等外部语音网络。综合上述需求分析，所设计无线接入系统必须能够同时提供宽带短距离无线数据接入功能和短距离语音接入功能，并能够实现数据终端设备间的互联互通及接入互联网、语音终端设备间的互联互通及接入外部语音网络的功能。本系统可以分为网关设备和终端设备两部分。其中终端设备主要包含WLAN终端、WPAN终端及语音终端，网关设备主要包含处理核心、外网接入模块以及与各种终端设备对应的内网接入模块。考虑到本系统的实用性和兼容性，因此对于内网的WLAN接入方式，选择采用具有代表性的IEEE 802.11b/g；对于WPAN接入方式，选择采用Bluetooth和ZigBee；对于语音终端的接入方式，则与WPAN共用Bluetooth，因为Bluetooth标准中规定了其可同时支持数据和语音传输。考虑到本系统的外网接入方式需要具有通用性，因此选择以太网和GPRS网络作为接入互联网的方式；选择蜂窝网和PSTN作为接入外部语音网络的方式。由此，可以得到如图1所示的多模宽带短距离无线接入系统总体方案。3网关的设计与实现3.1总体设计通过上述的系统总体方案可以看出，网关是系统的核心，既要求能够与多种不同接入方式的终端建立无线连接，又同时要求能够接入外部数据网络和语音网络，网关设备的功能模块框图如图2所示。其中微处理器（micro processor unit，MPU）为网关的处理核心，负责支撑操作系统的运行并在其基础上驱动各个通信模块，运行不同通信模块所需的驱动程序和协议栈。MPU左边的3个通信模块分别为Bluetooth、IEEE 802.11b/g和ZigBee，分别提供3种终端的接入功能。MPU右边的3个通信模块分别为GSM/GPRS、ethernet和PSTN，是3个外网接入模块，使得网关能够接入外部数据网络和语音网络。3.2硬件设计根据总体方案，网关设备采用嵌入式方案，以实现精简结构及稳定运行的目的。因此，需要首先设计网关所采用的硬件平台以及各种外设接口和通信模块。本项目所设计的网关嵌入式硬件平台分为两部分：核心板（core board）和母板（mother board）。其中核心板为嵌入式最小系统，通过金手指（golden finger）接口与母板相连。母板则将核心板接口上的不同信号分别作不同的处理，并形成所需的各种接口，与不同的通信模块相连。硬件总体结构如图3所示。下面简单介绍各硬件模块的设计与选型。3.2.1嵌入式微处理器与存储器MPU是整个嵌入式系统的核心，是所有软件的运行平台。通过软件，MPU能够控制不同的外部设备，完成不同的数据处理并将各种功能进行整合。本系统选用由Atmel公司设计的MPU AT91RM92001。本系统中主要使用了两种存储器：Flash Memory（闪存）和SDRAM。Flash Memory主要用于存放软件目标代码，包括系统启动引导程序（Bootloader）、操作系统内核以及各种驱动程序和应用程序，因此选用了Intel公司生产的NOR Flash TF28F128，单片容量为128 Mbyte，提供可选8位和16位宽度的数据接口。SDRAM用于系统运行时各种数据的高速存储，具体型号为Hynix公司生产的HY57V561620，单片容量为256 Mbyte，提供16位宽度的数据接口。存储器配合MPU所需的3.3 V和1.8 V电源、上电复位等模块，共同构成了嵌入式最小系统。3.2.2常用外设接口完整的嵌入式系统还需要各种不同的I/O设备接口。由于本项目所设计的嵌入式网关并无海量数据存储以及运行信息交互等方面的需要，因此设计中暂未包含IDE和LCD/CRT接口，这里主要给出ethernet、UART、USB 3种接口的设计方案。（1）ethernet本系统中，主要使用ethernet作为系统网关设备有线接入互联网的方式，同时在系统调试阶段也用来下载软件目标代码并支持网络文件系统等功能。由于MPU内部集成了ethernet MAC，因此在系统设计中需要给MPU外扩一个ethernet PHY 收发器，在本系统中选用由Intel生产的LXT971。（2）UART网关中一些通信模块将通过UART与MPU相连，所以在网关的母板上必须带有可配置的UART。AT91RM9200内置了4个通用串行接口UART0UART3，采用TTL电平。网关中分别将UART0、UART2、UART3以2线或4线串口的方式引出，将UART1以8线串口的方式引出。考虑到串口将与计算机及各种通信模块相连，而大多数串口设备均采用RS-232电平，其携带信息与电平逻辑相反，判定153 V电平为逻辑1，判定+3+15 V电平为逻辑0，因此需要通过电平匹配模块来进行转换，采用MAX3232E来实现。（3）USB网关中需要扩展一些高速外设，例如IEEE 802.11 b/g设备、高速存储卡等，低速UART的通信速度不能够满足要求，此时可选用USB接口来进行通信。AT91RM9200内置两个USB2.0 全速主机端口（USB host port，UHP）和一个USB器件端口（USB device port，UDP）。本网关主要使用了UHP作为连接高速外设的方法，并未使用UDP。3.2.3通信模块接口由于本项目所设计的网关设备主要用于各种通信功能，因此需要配备多种通信模块。根据图2所示的网关功能模块框图，网关至少需要包含Bluetooth、IEEE 802.11b/g、ZigBee、GSM/GPRS、ethernet、PSTN 6种通信接口。（1）Bluetooth Bluetooth模块在网关中同时具有数据传输和语音传输的作用，因此需要同时使用其数据接口和语音接口。设计中使用的蓝牙芯片是由英国CSR（Cambridge Silicon Radio）公司生产的BlueCore02-Flash（BC02），兼容蓝牙标准V1.1和V1.22。考虑到高速UART能够满足蓝牙数据传输最高723 kbit/s的要求，同时也可使用通用UART驱动，所以在设计中将蓝牙模块高速UART连接至MPU的UART0，蓝牙通过SPI与计算机相连并进行软件调试及烧写的工作。（2）IEEE 802.11 b/g根据图1所示的总体方案，网关上的IEEE 802.11模块需要提供多终端接入功能，因此需要选用可工作于AP模式的IEEE 802.11 b/g模块。同时综合考虑在网关操作系统上移植设备驱动的复杂度，最终选取由ZyDas公司生产的ZD1211网卡作为本网关的IEEE 802.11b/g模块。该网卡对外提供USB接口，直接连接到MPU的UHP即可，同时通过UHP接口上的+5 V为网卡供电。（3）ZigBeeZigBee是一种低功耗、低成本的WPAN解决方案，特别适合于自动组网及数据多跳传输的相关应用。综合考虑ZigBee设备与MPU的连接方式，选用了由Helicomm公司生产的IP-Link 1200 ZigBee模块3。该模块对外提供UART接口进行数据通信、功能控制及参数设定，同时提供3路模拟信号输入接口，可通过模块内部的模数转换器将模拟输入信号数字化并进行传输，通常外接温度、湿度等传感器并与ZigBee模块共同构成完整的无线传感节点。在设计中，将ZigBee模块的UART与MPU的UART2以两线（RXD2、TXD2）方式连接，MPU则通过UART2控制ZigBee模块并接收数据和控制信息。（4）GSM/GPRS由于目前国内3G网络尚未普及，而且商用的3G通信模块较少，所以在系统设计中选择了目前使用最广泛的GSM/GPRS作为蜂窝网接入的代表。为了简化设计并提高稳定性，选用了由Siemens公司生产的GSM/GPRS模块MC39i作为网关的蜂窝网接入模块。当需要使用MC39i的语音通信功能时，一般是Bluetooth语音终端呼叫网关并希望通过蜂窝网模块呼叫外网语音终端的应用场景，此时需要将网关上蓝牙模块的语音I/O与MC39i的语音I/O连通，所以MC39i的语音I/O信号也必须连接到在Bluetooth部分所提到的可配置切换模块上。（5）PSTN本网关中PSTN模块一般包括5个部分：信号切换器、线路接口模块、振铃检测模块、来电显示模块以及呼出模块，其功能框图如图4所示。为了简化MPU中关于PSTN模块的接口及驱动程序，在设计中基于“驱动硬件化”的指导思想，添加了PSTN协处理器用于处理PSTN控制逻辑，而协处理器则通过UART与MPU进行通信。挂机状态和摘机状态通过信号切换器完成，一般为继电器。振铃检测模块用于提示来电，主要通过检测线路上的电平来实现。在设计中选用Holtek公司生产的HT9032C进行振铃检测。DTMF解调采用的是Holtek公司生产的HT9170。PSTN线路接口的设计采用Philips公司生产的TEA1062，TEA1062内部集成了电话语音收发终端的完整功能并提供了DTMF拨号接口。拨号功能需要通过DTMF信号产生模块来实现，设计中选用了Holtek公司生产的HT9200A。3.2.4其他功能模块设计除了上述的常用外设及通信模块之外，在本项目所设计的网关中还包含语音网络切换模块和PSTN协处理器，下面给出这两部分的详细设计。（1）语音网络切换模块根据总体设计方案，网关上包含一种终端语音接入模块（Bluetooth）和两种外网语音接入模块（蜂窝网、PSTN），因此涉及到当Bluetooth语音终端的呼叫申请传送到网关时，该申请通过何种方式接入外部语音网络的问题。为了使网关的通用性提高，必须将外网语音接入方式设计为可配置，所以需要使用可配置的信号切换模块，使得终端在选择不同的外网语音接入方式时语音信号可以被接续到所选择网络的语音I/O端口。在设计中选用了由Zarlink生产的MT8816，这是一款X16Y8模拟开关阵列芯片，广泛应用于各类语音网络的局端交换机等设备中。（2）PSTN协处理器PSTN协处理器主要用于控制PSTN模块的工作，在设计中采用了Atmel公司生产的AT89C55WD，协处理器以两线串口的方式与MPU的UART3连接并进行通信。PSTN模块中各个部分的控制和数据信号均连接到协处理器的PIO引脚，而振铃检测模块的输出引脚连到了协处理器的外部中断，使得PSTN来电时能够引发协处理器中断并立即获得处理。MPU通过UART向协处理器发送待拨号码及接听/挂机等各种命令，间接控制PSTN模块。协处理器的另一个作用是控制语音网络切换模块，实现不同模块之间的语音接续。MPU通过UART向协处理器发送需要接续的语音通路，由协处理器负责具体的切换模块控制逻辑。综合上述的普通外设接口和通信模块接口等各种模块，共同构成了网关的母板，将嵌入式核心板通过接插件连接到母板上，最终构成了完整的网关嵌入式硬件平台。3.3软件设计本项目中采用了嵌入式ARM-Linux作为网关的操作系统，并在此基础之上进行设备驱动与应用软件的开发4。整个系统的软件框图如图5所示。从图5中可看出，系统软件分为3层，第1层即最底层是硬件抽象层，包括ARM-Linux中的一些驱动程序，主要有USB无线网卡驱动程序、蓝牙终端和ZigBee模块的串口驱动程序和以太网卡驱动程序等；中间层为嵌入式Linux操作系统中的文件系统和库函数等操作系统层面的软件；最上层为应用层，包括了GPRS模块拨号程序、蓝牙协议栈及应用程序、无线网卡配置程序、无线传感器网络终端模块应用程序和系统监控等应用程序。软件开发主要包括设备驱动程序与各通信模块应用软件开发，以下分别介绍实现方案。3.3.1802.11b/g网卡驱动综合考虑驱动复杂度、接口方式以及网卡对主机方式的支持程度等，网关选用基于ZyDas ZD1211芯片组的USB接口WLAN网卡，其通过设备驱动模块提供对接入模式、连接速度等各种参数的设定。要求内核支持802.11b/g设备，就必须首先在内核中设定包含WLAN驱动，内核支持WLAN驱动后，还需要有针对ZD1211的设备驱动程序来支持设备工作。我们对ZD1211芯片组的Linux标准驱动进行了交叉编译与修改，将其移植到了ARM-Linux平台。3.3.2蓝牙接入点软件开发本设计中选用官方的Linux 蓝牙协议栈BlueZ作为软件开发的基础5。蓝牙接入点提供数据接入与语音接入（接入PSTN）两方面功能，下面分别加以介绍。（1）数据接入蓝牙个域网系统定义了3种应用场景6，7：网络接入点（network access point，NAP）方式、Ad Hoc组网方式和两个个域网用户（PAN user，PANU）直接连接方式，本项目实现的是NAP方式。蓝牙WPAN网络内部的节点并无外部的网络连接，要通过网关与外网（互联网、GPRS网络）或WLAN互联。因此，蓝牙WPAN内部节点要接入互联网，PANU节点必须首先接入NAP，再通过网关接入外部网络。网关对PANU节点提供网络接入服务，PANU节点与外部网络通信的数据包均通过网关进行转发，蓝牙WPAN和互联网/GPRS网络通信的协议栈如图6所示。为了实现系统中WPAN、WLAN设备通过嵌入式网关共享接入GPRS和互联网，可以通过在嵌入式网关中使用网络地址转换（network address translation，NAT）实现。同时利用NAT还可以实现不同网段间数据包的转发，以支持WPAN和WLAN的互联，实现简单的路由功能。Linux中实现NAT功能的机制为Netfilter和iptables。（2）语音接入BlueZ的协议栈没有实现无绳电话应用框架的核心协议电话控制规范（telephone control specification, TCS），所以作者在现有的BlueZ协议栈上开发了TCS的代码，用于定义蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令，并处理蓝牙TCS设备的移动性管理过程。语音接入的整体软件流程如图7所示。以BlueZ和TCS协议栈为基础，网关的应用程序负责控制蓝牙终端无线接入PSTN的过程，根据PSTN接口模块和蓝牙模块从串口发来的不同信息，作出判断和进行相应的操作（包括与蓝牙终端建链、断链等，与PSTN相关的拨号、摘机和挂机等）。3.3.3GPRS接口的设计本设计方案中公众移动通信网的融合接入是通过一个GPRS模块实现的。软件部分主要是通过GPRS模块建立与ISP之间的通信链路，连接基于点对点协议（point to point protocol，PPP）；在链路建立后，将接收到的PPP数据帧解析，根据协议字段将数据信息交由不同的上层模块进行处理；根据系统的需要，将上传模块传来的信息打包成不同的PPP数据帧发送出去。PPP拨号软件配置完成后，再根据ISP的参数进行NAT和DHCP的配置，即可实现对GPRS网络以及互联网的连接。3.3.4ZigBee接口的设计本网关配备了ZigBee模块，通过相应的软件可充当基于ZigBee传感器网络的Sink节点，实现用户对传感信息的采集与网络管理，其系统结构如图8所示。其中，传感网络的主控节点通过串口接入网关，网关再分配另一个串口与服务器PC设备相连，由PC设备将数据发布到互联网上，供客户端使用。这种结构设计既吸取了串口通信的优点，又通过服务器接入互联网，扩展了传感器网络的可监控范围。本设计实现的传感网络应用系统中，涉及到的具体应用主要包括温度的传感数据采集和网络管理。整个应用系统软件由终端用户界面程序、服务器应用处理程序和传感节点应用处理程序3部分组成，选用星型结构组网8。4结束语本文基于“智能无线接入+多网融合”的概念，提出了具有多网接入能力的宽带短距离无线接入解决方案并加以实现，重点研究与开发了系统的核心设备多模宽带无线接入网关，解决了将蓝牙、ZigBee、IEE