基于Openwrt路由固件的MiFi系統設計*

吳戀,黃俊偉，黃一峰

(重慶郵電大學 新一代寬帶移動通信終端研究所，重慶 400065)

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吳戀,黃俊偉，黃一峰

(重慶郵電大學 新一代寬帶移動通信終端研究所，重慶 400065)

近年來市場上出現的一種新產品MiFi(一種便攜式WiFi熱點終端)滿足了處于移動中的人們對網絡的需求,使MiFi隨身成為現實。本文設計與實現了一款TD-SCDMA的MiFi，系統地論述了MiFi的實現方案，統計和分析了當前市場上MiFi存在的不足，針對這些不足進行性能和功能上的優化。本文對要進行MiFi開發的讀者具有啟示性和指導性的作用。

MiFi； WiFi；熱點終端

引 言

MiFi是近年來推出的一種便攜式WiFi熱點終端，這個名字代表“My WiFi”，即實現將網絡揣進口袋為用戶提供隨身WiFi。它的特點是可利用SIM卡連接互聯網，將SIM卡接收到的移動通信網絡信號(LTE/3G/2G)以802.11無線通信標準網絡的形式分享出來供上網設備連接上網，給用戶實現隨身WiFi[1]。目前國內外都已經興起了MiFi熱潮。

目前國內主流的一些MiFi產品支持3G/2G網絡轉MiFi、有線固網轉WiFi、WiFi中繼、有線和無線及USB的接入方式、Web遠程管理、防火墻設置等功能，為用戶上網提供了極大的方便，但普遍也還存在一些問題。

本文主要是實現了一款TD網絡類型的3G MiFi，它除了支持上述所說功能外，針對當前市場上MiFi產品存在的不足進行性能上的改善和功能上的創新。文中提出的方案也適用于LTE MiFi的開發。

1 系統框架

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、最小系統部分(包括中央處理器CPU+存儲設備MCP)、WLAN部分、RFIC(射頻集成電路)，如圖1所示。

圖1 MiFi硬件框架

電源部分負責把外接的直流電源轉換為系統其他部分需要的電源,從而給整個系統供電。

最小系統部分主要由CPU、掉電易失存儲器RAM和掉電非易失存儲器FLASH組成，此部分是MiFi的核心。

◆ CPU——控制的核心，最關鍵的部分，CPU的處理能力直接影響整個系統的性能。

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

WLAN部分：WiFi模塊部分，讓其通過SDIO總線與處理器進行連接，將接收到的3G/2G網絡信號以802.11無線通信標準網絡的形式分享出來，向外提供WiFi網絡。

基帶部分：RFIC射頻集成電路就是實現設備能接收SIM卡移動數據通信網絡的關鍵。它通過USB總線與處理器進行連接。

1.2 MiFi軟件框架

圖2 MiFi總體軟件架構

軟件中需要兩個操作系統，一個是路由操作系統，一個是跑基帶軟件、協議的實時操作系統。基帶即使俗稱的BB，產品設備能支持什么樣的網絡(GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/LTE)就是由它來決定的。路由操作系統這邊除了實現一般無線路由具有的功能外，還負責與基帶的通信，完成將3G/2G網絡信號轉為WiFi信號，負責與WiFi通信，及負責其他功能。路由操作系統是主控。下面通過圖表對MiFi的軟件架構進行說明，羅列出所需的軟件組件。圖2為MiFi總體軟件架構。軟件架構描述見本刊網站www.mesnet.com.cn—— 編者注。

2 MiFi的設計與實現

2.1 MiFi系統硬件設計方案

方案一：雙芯片。一塊芯片中運行基帶實時操作系統、另一塊芯片中運行路由操作系統。

方案二：單芯片。通過虛擬機實現一塊芯片中同時運行兩個系統。

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。本文實現的這款MiFi硬件平臺以C6310作為核心處理器，此芯片是一塊TD的芯片，在該芯片上經虛擬機的方式實現跑有兩個操作系統——基帶相關的實時操作系統(虛擬機上運行)和Linux內核路由操作系統。

2.2 操作系統解決方案

前面說到MiFi中操作系統有兩個——路由操作系統、基帶實時操作系統。基帶實時操作系統采用重郵信科公司的基帶平臺(該公司是國內最早從事TD-SCDMA移動終端研發的單位之一)，路由操作系統采用移植一種開源的Linux內核的路由操作系統。

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，但系統不穩定，經常出現一些bug。

Tomato:界面尚可,設置簡單，是三大路由固件中最為穩定的，但對新路由幾乎不支持，不出所料的話,Tomato會慢慢消亡。

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

本文實現的MiFi是基于Openwrt來實現的。

2.3 MiFi的Web遠程管理系統設計

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同，但鷹四從不祈求以死獲取寬恕，因為寬恕對鷹四來說更是一種殘忍，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“權威政治”，他們的行動是在證明自己“有罪”，來取得“中心”的關注。

對MiFi設備的管理配置同對路由器的管理相同，都是通過Web遠程管理設備的。基于Openwrt的MiFi的Web遠程管理系統的開發可借助于LuCI。LuCI是Openwrt有其默認的Web系統，是一個獨立的Web框架，它是Lua和UCI這兩個項目的結合體，是接口用Lua腳本語言的UCI。輕量級 Lua語言的官方版本只包括一個精簡的核心和最基本的庫，其體積小,啟動速度快，適合嵌入在別的程序里[4]。Web遠程管理實現機制如圖3所示，其實現路由配置的機制是：

圖3 Web遠程管理實現機制

① 當在瀏覽器輸入MiFi的IP(如：192.168.0.1)時，瀏覽器會給路由系統中的uhttpd服務器發出事件。uhttpd是Openwrt中開機就要啟動的一個后臺程序，一直在運行一直在偵聽。

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頁界面框圖。

③ LuCI通過UCI接口與系統進行交互。

但官版的LuCI系統是針對路由器的，必然與MiFi不符，本文僅是借助LuCI框架對整個Web管理重開發，開發一套MiFi的Web遠程界面、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，可快速實現遠程管理系統里模塊的快速添加或刪除、節點的快速添加或刪除，以及避免繁瑣的html編寫，以實現超快速的頁面搭建。

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

① 所需下載的軟件包——Lua、LuCI；

② 組件LuCI文件夾——把LuCI運行所需要的庫放到LuCI文件夾根目錄；

③ 建立動態連接庫——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服務器——把已經編譯好的Uhttpd拷貝到相應的bin下面；

⑥ 組件www文件夾。

2.4 性能及功能上的改善

對當前市場上的主流MiFi產品進行了數據統計和分析，普遍存在如下問題[1]：

① 連接數小。很多主流MiFi產品最多只允許5個上網設備同時連接上WiFi。

② 電池導航時間短，普遍只能持續工作2～4小時。

③ 無流量限制設置功能和流量用超時有效的提醒方式。很多用戶反映SIM卡流量用超時沒有任何提醒，一個月后去繳費得知欠費很多。

2.4.1 性能指標提升

性能指標提升：

① 連接數的提升。通常連接數的多少是由WiFi芯片本身已經確定了的，其值一般都是比較大的，但是MiFi系統能支持多少連接數還與其他很多方面有關。本文中實現的MiFi通過加大緩沖區buffer(每一個連接都會申請占用一些buffer，注冊不到buffer也就不會連接成功)、在SDIO總線驅動中增添了包種類識別算法(使其支持多種大小的數據包傳輸)來增大了MiFi的連接數，最后實現了使系統能支持10個上網設備同時連接上WiFi。

② 電池導航時間的提升。本系統中添加了省電方案，寫了一個power manage進程，該進程執行每隔1 min檢查是否有上網設備通過USB線/LAN口有線/WiFi無線連接到MiFi，若沒有設備則使定時器開始計時，若在指定時間內都不再有連接，則系統進入睡眠模式，若在定時器計時期間檢測到有設備連接則將定時器清零。當系統進入睡眠模式后，若有按鍵或USB插入發生，則喚醒系統進入正常模式。

2.4.2 功能上的創新

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

其實現方式是：

① 在MiFi的Web遠程管理系統上添加流量套餐管理，實現流量套餐使用情況的顯示及查詢、流量使用最高門限的設置；

② 流量用超后有效的報警。

這里強調的是有效的報警，提出兩種方式：方案一,MiFi硬件上加入音頻發音器，長鳴發音的報警方式。在Webui上設置流量限制值，當使用流量超限后啟動音頻發音器，使MiFi長鳴，以告知用戶流量已超。方案二,MiFi給主人的手機發送報警短信的方式。設置流量限制值，當流量超限后下發AT指令到基帶，讓其發送流量用超的報警短信到用戶的手機上以告知用戶進行處理。

本文中實現的MiFi采用的是第一種報警方式。

3 測試驗證及成果展示

系統測試驗證結果見表1。

表1 測試驗證

成果展示如圖4所示。

圖4 成果展示圖

結 語

本文對MiFi的軟硬件進行了系統的論述，講述了MiFi的實現原理，建立了一個宏觀的實現框架及思路；對實現MiFi的各個環節提出了實現方案，在某些點上還提出了不同的方案；分析了當前市場上MiFi的不足，在性能和功能上進行了改善。測試驗證本文實現的MiFi具有一般MiFi應具有的功能，且在性能和功能上更優于一般的MiFi。相較而言，它具有較快的網絡速率、較大的連接數、較低的功耗且具有省電模式，在功能上創新地加入流量用超后的自動報警功能。該MiFi已經做成產品并在市場售出。

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

[2] 周舸．TD-WiFi無線路由器的設計與實現[D]．北京：北京郵電大學，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 服務器的遠程控制系統的實現[J]．電子設計工程，2010(5):101-103．

吳戀、黃一峰(碩士)，研究方向為嵌入式Linux終端設備開發;黃俊偉(正高級工程師),研究方向為TD-SCDMA移動通信終端開發。

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“TD-SCDMA增強型多媒體手機終端的研發和產業化”(No. 2009ZX03001-002-01)。

TP368

A

珍

2013-11-28)