低功耗無線路由器研究解析

引言

Wi-Fi無線接入技術基于IEEE802．11協(xié)議，是目前無線通信中最常用的無線接入技術。然而，Wi-Fi無線接入技術有一個致命弱點——功耗高。因此，如何降低Wi-Fi無線接入技術的功耗成為了急需解決的問題。移動終端通過無線路由器提供的Wi-Fi信號接入互聯網或者進行定位服務，然而由于Wi-Fi的高功耗使得無線路由器必須一直連接電源才能保持正常工作，這就嚴重限制了人們的使用范圍。我們希望在沒有電源接入的地方（比如古老景區(qū)、歷史遺跡）也可以使用無線路由器，為移動終端提供服務。

1 IEEE802．11協(xié)議

IEEE802．11協(xié)議是由美國電氣與電子工程師學會（IEEE）開發(fā)的一組無線傳輸協(xié)議。這些協(xié)議定義了無線站點（或接入點）之間兩個或多個無線站點之間的通信的接口。該協(xié)議主要包含物理層和MAC層，主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層上，本文主要研究該協(xié)議的MAC層。

IEEE802．11協(xié)議定義幀包含以下幾個部分：

◆MAC頭部。包含幀控制、持續(xù)時間、地址和排隊控制信息。

◆有效長度的幀體。包含幀信息、幀類型。

◆FCS。包含CRC校驗的信息。

控制幀：主要用于協(xié)助數據幀的傳遞，所有控制幀都使用相同的Frame Control字段。

管理幀：負責在工作站和AP之間建立初始的通信，提供認證和連接服務，包括連接請求／響應、輪詢請求／響應、Beacon幀等。

Beacon幀：主要聲明網絡的存在。定期傳送的信標可以讓移動式工作站得知該網絡的存在，從而調整加入該網絡所必需的參數。在基礎結構網絡中，接入點負責傳送Beacon幀。

低功耗無線路由器研究解析

由圖1的IEEE802．11協(xié)議幀結構可以看出，如果僅僅保留IEEE802．11協(xié)議廣播Beacon幀功能的話，則只需發(fā)送很少的數據，可以大大地降低功耗，而且我們還可以通過開源路由技術修改IEEE802．11協(xié)議來達到降低功耗的目的。

2 開源路由技術

圖2為TCP／IP與OSI參考模型的對應關系，可以看出路由器是工作在OSI模型中的第3層，即網絡層。同時也是TCP／IP協(xié)議的第3層，即網際層。路由器利用網絡層定義的“邏輯”網絡地址（即IP地址）來區(qū)別不同的網絡，實現網絡的百聯和隔離，保持各個網絡的獨立性。路由器不轉發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網絡內部。發(fā)送到其他網絡的數據均被送到路由器，再由路由器轉發(fā)出去。

低功耗無線路由器研究解析

無線路由器是基于開源的Linux 操作系統(tǒng)，然而商業(yè)路由器為了保護自己的技術是不會把固件源碼公開的，因此不能由第三方軟件開發(fā)者直接對其固件進行開發(fā)。自從Linksys釋放WRT54G／GS的源碼后，開源軟件愛好者開發(fā)出很多不同版本的固件，以增強原有的功能或者增加原來沒有的功能。下面是主流的無線路由的Linux發(fā)行版：

①Open-WRT。國內最早興起刷固件行動的人基本上都是將自己的設備刷新成Open-WRT，由此可見Open-WRT具有極大的影響力。該固件通過SSH加密協(xié)議來配置，與Cisco設備在很多指令和操作上類似。

②DD-WRT。該固件是國內外目前最為流行的固件之一，它是在Open-WRT固件的基礎上改進后發(fā)布的，很多功能都是取自Open-WRT。存應用范同上DD-WRT支持極多的硬件平臺，并且新版本的發(fā)布也很及時。

③Hyper-WRT。該固件是以穩(wěn)定著稱的第三方同件，不過功能上要比前兩種稍遜一籌。從核心代碼上看，它是最接近Linksys官方固件的固件。對很多用戶來說，新功能、新應用的出現是他們刷新同件的主要動力，如果只是要求單一的穩(wěn)定，那么直接使用官方默認固件即可。

④Tomato。這是一款逐漸流行的固件，個頭比較小，實際使用起來非常穩(wěn)定，而且基于SVG的圖形化流量圖非常有特色。它是由Hyper-WRT研發(fā)團隊中的一個組員開發(fā)的。

本文選用的第三方固件是Open-WRT，之所以選擇Open-WRT是因為它是完全開源的，方便編譯和配置，有對應路由器所需要的固件，重新刷固件也很方便。

3 低功耗無線路由器的實際應用

眾所周知，在古老歷史遺跡和古老景區(qū)內是很難實現網絡接入的，主要原因是布線困難，因為布線會對歷史遺跡產生損害。這時候就需要離線的導游導覽系統(tǒng)來實現智慧景點的建設。本文研究的系統(tǒng)就是基于離線移動互聯網沒備（Mobile Internet Device，MID）的導游導覽系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，無線路由器所要實現的功能是以固定間隔發(fā)送廣播幀，游客在游玩的時候，MID會根據廣播幀的信號強度和SSID號來判斷游客所在的位置，同時自動播放游客所到景點的視頻和語音介紹信息。

在這個系統(tǒng)中無線路由器只需要提供以同定間隔發(fā)送廣播幀的功能即可。由路由器的工作原理和IEEE802．11協(xié)議幀結構可以看出，無線路由器的功耗主要在數據傳輸和實現其路由功能上面，而發(fā)送廣播幀的功耗很低。由此想到，如果將路由器的路由功能禁止并且不讓其傳輸數據，只讓其以固定間隔發(fā)送廣播幀，那么將會大大降低功耗，而我們需要的這些功能是可以通過修改第三方固件Open-WRT實現的。

4 無線路由器和Open-wRT固件的選擇

經調查研究各種路由器，最終選擇了中興公司的H118B路由器，使用的是BCM5354芯片，支持DD-WRT、Open-WRT等主流第三方固件，此款路由器的硬件配置是：8 MB Flash、32 MB ROM、BCM5354 CPU。

從Open-WRT官網上查得支持BCM5354芯片的固件是openwrt-brcm47xx-squashfs. trX。準備好路由器和固件之后，就是將固件刷入路由器以覆蓋原來的固件，使用tftp方式進行刷機。當刷機成功后，用telnct登錄路由器會顯示結果。刷機成功界面如圖3所示。

低功耗無線路由器研究解析

刷機成功之后是鋰電池的準備，選擇的是輸入電壓12．6 V、輸出電壓12 V、容量為5000 mAh的鋰電池進行測試。

5 Open-WRT固件的修改和測試

5．1 Open-WRT固件配置的修改

首先，Open-WRT固件的SSID廣播是默認隱藏的，需要修改其顯示為SSID。修改方式如下：

◆執(zhí)行vi／etc／config／wireless命令；

◆將option disabled 1改為option disabled 0；

◆修改過之后發(fā)現筆記本的無線網絡列表里面顯示的路由器的SSID名稱為openwrt。

然后需要做的事情是禁止路由器的路由功能。修改方式如下：

◆輸入vi／etc／sysctl．conf命令；

◆將net．ipv4．ip_forward=1改為net．ipv4．ip_for ward=0。

最后需要做的就是改變路由器發(fā)送廣播幀的間隔時間，路由器的默認發(fā)送廣播幀的間隔是100ms，而對于我們的導覽系統(tǒng)是不需要這么頻繁地發(fā)送廣播幀的。對于游客來說在100ms之內移動的距離太短了，所以經過研究最終決定將發(fā)送廣播幀的間隔改為2 s。在實際的游覽景區(qū)中游客行走的很慢，2 s的時間只能行走很短的距離，恰好符合系統(tǒng)的需求。通過給Open-WRT固件的無線配置文件加上控制幀，可以改變發(fā)送的間隔。

修改方式如下：

◆輸入vi／etc／config／wireless命令；

◆在配置文件中加入option beacon_int 2000，次命令行是將Beacon幀的發(fā)送間隔設置為2 s。