（南京鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,210049）

一種3G-wifi 路由器低功耗的設(shè)計(jì)探究

徐 赟

（南京鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,210049）

嵌入式系統(tǒng)在3G-wifi 路由器的設(shè)計(jì)中，往往因?yàn)橛布蛙浖膯?wèn)題，從而導(dǎo)致其在運(yùn)行的時(shí)候出現(xiàn)性能瓶頸，如在idle狀態(tài)下，其傳輸所耗費(fèi)的能量急劇增加?；诖?，本文提出通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整硬件資源、設(shè)備天線的方式，來(lái)達(dá)到減少路由器耗能。

3G-WiFi；無(wú)線路由器；MIMO控制

嵌入式系統(tǒng)以其低成本、低功耗、高效率等特點(diǎn)，而被廣泛的應(yīng)用在電子通訊、制造等領(lǐng)域。而3G-WiFi作為最近新興的技術(shù)，正在受到廣泛的追捧和歡迎。因此，如何提高3G-WiFi的電池用電消耗時(shí)間成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文以micro2440硬件+linux系統(tǒng)作為研究對(duì)象，首先借助仿真軟件對(duì)其進(jìn)行能耗測(cè)試，從而得出具體的能量消耗，在這個(gè)基礎(chǔ)上，采用不同的策略，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行細(xì)分，從而降低其功耗。

1 現(xiàn)階段采用的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

為進(jìn)一步提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的速度和傳輸?shù)馁|(zhì)量，在802.11n標(biāo)準(zhǔn)中采用了常用了最新的技術(shù)，如智能天線技術(shù)、A-MPDU、MIMO及OFDM技術(shù)，從而使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣忍嵘?00Mbps。

智能天線技術(shù)的原理是利用一種可編程的電子相位來(lái)確定方向信息，并由此計(jì)算出基站與移動(dòng)終端之間的鏈路之間的方向特性。在無(wú)線智能在獲取其相應(yīng)的具體的信號(hào)之后，則通過(guò)產(chǎn)生定向的空間束波，從而使得其中的主波束可對(duì)準(zhǔn)信號(hào)，以此更好的防止信號(hào)出現(xiàn)干擾。

OFDM技術(shù)，是多載波調(diào)制技術(shù)當(dāng)中的一種，其特質(zhì)是利用其中的無(wú)線通信中的子信道，從而實(shí)現(xiàn)其上下行的非對(duì)稱性的傳輸，而該技術(shù)最大的特點(diǎn)是從物理層方面保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

MIMO技術(shù)，該技術(shù)可在不需要額外功率的情況下，提高相關(guān)數(shù)據(jù)的吞吐量，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，并可有效的提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的范圍。在現(xiàn)階段所使用的其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，則就是通過(guò)該技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。

2 基于micro2440的3G-WiFi仿真功耗測(cè)試

我們選擇常用的嵌入式中央控制器micro2440作為核心，并通過(guò)pandaboard搭建的仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行能耗測(cè)試，通過(guò)測(cè)試，我們可以得出其基底的能量消耗大致在66%，WiFi模塊在驅(qū)動(dòng)進(jìn)行時(shí)候，其消耗的能量占整體的的20%。具體如表1所示：

通過(guò)上述的能量仿真測(cè)試，我們可以看出，該路由器能耗的基底的具體耗費(fèi)值大致在66%,而該能量作為大概的值，不能對(duì)其進(jìn)行改變。但是WIFI在idle的狀態(tài)下其消耗的能量則在20%，在實(shí)際傳輸中消耗的能量則非常小。3G模塊在idle下，其能量的消耗則都小于WIFI模塊。該系統(tǒng)的能耗消耗比較多的時(shí)候，則是WiFi在idle狀態(tài)下，因此，本文研究的重點(diǎn)則是如何降低其在該種狀態(tài)下所消耗的能耗。

3 低功耗策略的設(shè)計(jì)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)的提出

針對(duì)上述的問(wèn)題，在結(jié)合多平臺(tái)電子通訊實(shí)際的情況下，我們采用根據(jù)其硬件系統(tǒng)自身的使用狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略，從而可對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)節(jié)其使用的無(wú)線天線數(shù)目的方式，來(lái)調(diào)節(jié)其中的應(yīng)用程序的能耗，從而降低整體系統(tǒng)的能耗，延長(zhǎng)路由器電池續(xù)航的時(shí)間。

3.2 低功耗具體的設(shè)計(jì)

對(duì)該系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)，我們采用不同功能分區(qū)的模塊，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行劃分。而按照其不同的用途，我們將該模塊分為應(yīng)用程序的模塊、判決模塊、策略控制模塊、MIMO控制模塊、硬件控制模塊。

而其中的應(yīng)用程序模塊其主要是指路由器設(shè)備當(dāng)中正在被使用的各類不同的應(yīng)用，如其中的視頻流、web瀏覽等；

判決模塊的功能主要是對(duì)當(dāng)前所使用的設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此根據(jù)不同的瀏覽對(duì)下層使用不同的控制策略；

策略控制模塊其主要的功能是根據(jù)上一步的判決結(jié)果來(lái)制定不同的控制的策略，并根據(jù)其不同的用戶喜好對(duì)其進(jìn)行制定；

MIMO控制模塊則為系統(tǒng)的底層對(duì)其中的MIMO的多天線選擇控制，使用的技術(shù)較復(fù)雜,目前各大公司都有自己對(duì)MIMO天線控制的技術(shù)專利,可以選擇性的參考;

硬件控制模塊為底原硬件的控制模塊,由上層的控制機(jī)制決定最終使用的選擇天線將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流發(fā)送出去。

因此，通過(guò)上述的分類，我們盡量采用以下的方案，從而提高路由器續(xù)航時(shí)間，減少其用電量。

第一則是當(dāng)我們?cè)诓捎肍TP進(jìn)行高速的下載的時(shí)候，我們利用WIFI端MIMO技術(shù)的速度的優(yōu)勢(shì)，在其中使用多根不同的天線，從而形成包含多個(gè)空間的數(shù)據(jù)流，以此全速轉(zhuǎn)發(fā)；

第二則是在使用視頻流觀看不同類別的視頻的時(shí)候，根據(jù)現(xiàn)有的視頻的速率動(dòng)態(tài)的去調(diào)整其中的天線的根數(shù)，即在高速的時(shí)候，使用多根不同的天線，而在低速的時(shí)候，則減少其中的天線的數(shù)量；

第三則是當(dāng)用戶在進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽的時(shí)候，則將其使用的天線保留在1到2根，從而可減少路由器的功耗，并且只需要滿足其正常的使用即可；

表1 micro2440的3G-WiFi仿真功耗測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

第四則為根據(jù)用戶的習(xí)慣，進(jìn)行個(gè)性化天線的制定；

最后則是根據(jù)上述的策略，進(jìn)行不同的軟件編程，以此根據(jù)上述的策略進(jìn)行不同天線的選擇，硬件系統(tǒng)同時(shí)負(fù)責(zé)將相關(guān)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送。

3.3 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)源分析

當(dāng)在對(duì)上述的低功耗進(jìn)行重新的設(shè)定之后，其源程序與現(xiàn)有的需求不一致。因此，必須對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，并對(duì)源驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行一定的修改。而所謂的3G網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，是指在USB驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)之上的一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊。3G數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的設(shè)備，并通過(guò)具體的型號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)其USB內(nèi)核中的不同驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)上述的3G網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，必須對(duì)其源代碼進(jìn)行修改，以此使得其中的源代碼做出修改。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的流程一般包括初始化——打開(kāi)驅(qū)動(dòng)模塊——數(shù)據(jù)的發(fā)送等。其中所謂的初始化，主要包括對(duì)usb設(shè)備的初始化以及注冊(cè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。在對(duì)其進(jìn)行初始化期間，驅(qū)動(dòng)程序?qū)sb設(shè)備當(dāng)中的接口嬉戲掛載到相應(yīng)的系統(tǒng)總線上，并喚醒其中的usb設(shè)備，讀出包括MAC地址,配置地址空間的信息，以此給驅(qū)動(dòng)程序使用，并將其進(jìn)行存儲(chǔ)。注冊(cè)驅(qū)動(dòng)則是利用register_netdevO函數(shù)。在這之前，其中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)做了一部分的填充，這樣可保證驅(qū)動(dòng)程序與上層形成一定的聯(lián)系，從而使得上層可直接調(diào)用該函數(shù)，即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

4 結(jié)束語(yǔ)

本課題通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的路由器進(jìn)行功耗測(cè)試分析，從而提出降低功耗的設(shè)計(jì)，并通過(guò)修改源驅(qū)動(dòng)程序的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的修改，以此提高路由器的使用的時(shí)間。

[1] 羅苑棠；嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng) 發(fā)實(shí)例精講.電子工業(yè)出版社.2009年1月第一版

[2] 劉乃安.無(wú)線局域網(wǎng):WLAN原理技術(shù)與應(yīng)用.西安電子科技大學(xué).2011年

Design Study of a 3G-wifi router low power consumption

Xu Yun
(Nanjing Zhongshan Vocational and Technical College,210049)

Embedded Systems in 3G-wifi router design,often because of hardware and software problems, leading to its performance bottlenecks at run time,as in the idle state,a sharp increase in the transmission of energy consuming.Based on this,this paper presents the hardware resources by dynamically adjusting device antenna way to achieve energy reducing router.

3G-WiFi;wireless router;MIMO control