一種低功耗政務(wù)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)*

宋漢卿，楊永杰

（南通大學(xué)，江蘇 南通 226019）

0 引言

目前對于網(wǎng)關(guān)的研究，文獻(xiàn)[1]使用進(jìn)階精簡指令集機(jī)器（Advanced RISC Machine，ARM）架構(gòu)以及BC29 芯片，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[2]研究了基于Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[3]研究了智能家居管理系統(tǒng)方面的網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[4]研究了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，以確保工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)安全；文獻(xiàn)[5]研究了邊緣計(jì)算在網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]研究了基于OpenWrt 的智能網(wǎng)關(guān)。從以上文獻(xiàn)可以看出，關(guān)于網(wǎng)關(guān)的研究中既有ARM架構(gòu)，也有每秒百萬次指令（Million Instructions Per Second，MIPS）架構(gòu)。本文所研究的是基于MIPS架構(gòu)的專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，與文獻(xiàn)[6]中使用的MT7620A同屬于路由器芯片，但是本文采用的是74KCs 的MIPS 架構(gòu)，計(jì)算性能更好。

在專網(wǎng)通信相關(guān)研究中，關(guān)于電力專網(wǎng)通信的研究較多。其中文獻(xiàn)[7]提出建設(shè)一個(gè)分布式大數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以遠(yuǎn)程監(jiān)測電力網(wǎng)絡(luò)的安全；文獻(xiàn)[8]對比了230 MHz 和1 800 MHz 兩個(gè)頻段的電力專網(wǎng)通信，結(jié)果表明1 800 MHz 電力專網(wǎng)在吞吐量、時(shí)延和服務(wù)質(zhì)量上都更好；文獻(xiàn)[9]分析了電力通信互調(diào)干擾的影響并給出解決策略。除了電力行業(yè)之外，還研究了在其他行業(yè)的應(yīng)用；文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了警用異構(gòu)專網(wǎng)通信，使用Kullback-Leibler 散度排列網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同分配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；文獻(xiàn)[11]通過機(jī)器學(xué)習(xí)的手段預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能的變化并調(diào)整配置以獲得穩(wěn)定良好性能的玩家專網(wǎng)研究；文獻(xiàn)[12]使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段建設(shè)醫(yī)院專網(wǎng)并討論了安全性和可靠性。

從以上兩方面的分析可以看出，當(dāng)前缺乏智能網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)的節(jié)能研究，更沒有專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的節(jié)能研究，基于此本文設(shè)計(jì)了一種低功耗政務(wù)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并提出一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的能量管理算法，使得網(wǎng)關(guān)在沒有終端接入Wi-Fi 模塊時(shí)不開啟專網(wǎng)模塊以達(dá)到節(jié)能的目的。在硬件上采用PCI-E（mini Peripheral Component Interconnect-Express，mini PCI-E）接口設(shè)計(jì)，這種接口更換方便、支持熱插拔，凡是遵循mini PCI-E 接口設(shè)計(jì)的設(shè)備，例如mini PCI-E 接口設(shè)計(jì)的聲卡、攝像頭等均可接入，且采用抗干擾能力強(qiáng)的高頻差分電路設(shè)計(jì)。使用的Wi-Fi 模塊支持802.11ac 協(xié)議無線接入，政務(wù)專網(wǎng)通信模塊（以下簡稱專網(wǎng)模塊）可以支持1.4 GHz（1 447～1 467 MHz）、1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）時(shí)分雙工長期演進(jìn)系統(tǒng)（Time-Division Duplex Long-Term Evolution，TDD-LTE）和800 MHz（807～824 MHz/852～869 MHz）頻分雙工演進(jìn)系統(tǒng)（Frequency-Division Duplex Long Term Evolution，F(xiàn)DD-LTE）政務(wù)專網(wǎng)頻段，可以靈活地接入多種政務(wù)專網(wǎng)。

1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示，設(shè)備硬件主要由AR9344 最小電路、GD115 模塊和WLE600VX 模塊組成。

圖1 硬件設(shè)計(jì)

AR9344 是一款工業(yè)級路由芯片，它采用MIPS架構(gòu)[13]，支持PCI-E V1.1 標(biāo)準(zhǔn)的根復(fù)合體模式（Root Complex，RC）和端點(diǎn)模式（End Point，EP）接口；它的最小系統(tǒng)包括電源電路、Flash、雙倍數(shù)據(jù)速率動態(tài)隨機(jī)存儲器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access，DDR SDRAM）外部存儲、一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)接口（Local Area Network，LAN）和兩個(gè)mini PCI-E 接口。其中，mini PCI-E 接口用來連接GD115 模塊和WLE600VX 模塊，使用USB2.0鏈路與GD115 模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)PCI-E 鏈路與WLE600VX 模塊通信。GD115 模塊為政務(wù)專網(wǎng)通信模塊，采用中興WiseFone7510 芯片，支持1.4/1.8 GHz TDD-LTE 以及800 MHz FDD-LTE 政務(wù)專網(wǎng)頻段的移動通信，使用3GPP Rel.9 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)傳輸能力為Cat4。WLE600VX 模塊是第五代Wi-Fi通信模塊，其采用高通QCA9882 無線芯片，支持IEEE802.11ac 無線通信協(xié)議，單流帶寬為867 Mbit/s，支持最大2×2 的空間流和可以提供多用戶高速無線接入的多用戶－多輸入多輸出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）技術(shù)，使用正交振幅調(diào)制Quadrature 支持低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼[14]。

舉個(gè)自己的例子吧。笑笑剛開始玩積木頂多三五分鐘，他只知道一層一層搭起來蓋房子，搭一會兒就跑去玩車。這個(gè)時(shí)候，我把積木按照顏色和形狀分類，他在旁邊觀察著，覺得很有趣，又參與進(jìn)來跟我一起玩。過一會，我把長條形的積木擺成“軌道”，讓小卡車在中間通行，他又覺得很有趣，于是又坐下來一起玩。

Wi-Fi 模塊采用PCI-E V1.1 總線的RC 模式與主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，執(zhí)行主芯片的相關(guān)命令。PCI-E 是一種高速總線接口技術(shù)，采用了點(diǎn)對點(diǎn)的連接，每個(gè)設(shè)備都有自己的數(shù)據(jù)通路，不需要向整個(gè)總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到一個(gè)很高的頻率[15]。物理接口為插槽式設(shè)計(jì)，采用高速差分電路設(shè)計(jì)。每個(gè)PCI-E 數(shù)據(jù)鏈路由兩組差分信號4 根信號線組成，每組差分信號線為一個(gè)數(shù)據(jù)通路，且信號單向傳輸，信號傳輸時(shí)根據(jù)兩根線的電位差來確定傳輸?shù)男盘柺沁壿? 或1。與單根信號線相比，差分信號的抗干擾能力強(qiáng)，能有效地抑制電磁干擾。高速差分電路設(shè)計(jì)在布線上也提出了更高的要求：兩信號線布線等長、走線臨近、線寬等寬，并且在同一層布線，其V1.1 規(guī)范的單根總線頻率可以達(dá)到1.25 GHz，最高傳輸速率可以達(dá)到2.5 Gb/s[16]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

OpenWrt是嵌入式Linux系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)行版本，是一個(gè)專業(yè)的、開源的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)軟件，擁有豐富的軟件包，支持大部分廠商的設(shè)備，也可以上傳各個(gè)廠商自己產(chǎn)品的驅(qū)動等信息[17]，能持續(xù)更新軟件包，沒有后門，不會自動開啟系統(tǒng)的Wi-Fi 以保證系統(tǒng)的安全。它擁有OpenWrt Forum、OpenWrt Developer 等強(qiáng)大的論壇支持，對于開發(fā)者是開源的，不需要額外付費(fèi)。與Yocto[18]等其他同類路由器開發(fā)平臺以及高通軟件開發(fā)平臺（QCA Software Development Kit，QSDK）等廠商自主研發(fā)的平臺相比，它可以兼容任何廠家的產(chǎn)品。

此外，使用通用開發(fā)規(guī)則GNU 通用公共許可證（GNU General Public License，GPL），可以很好地反饋開發(fā)中的錯誤并及時(shí)修正。

根據(jù)硬件模塊選型以及OpenWrt 系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以寫出如圖2 所示的協(xié)議棧。驅(qū)動層為軟件開發(fā)的重點(diǎn)，其中USB 驅(qū)動是以GD115 模塊的驅(qū)動為重點(diǎn)研究對象。它首先需要過濾掉作為網(wǎng)口使用的串口1，其次將其綁定為枚舉類網(wǎng)絡(luò)接口，最后使用AT 指令與tty 終端交互，控制模塊的開啟與關(guān)閉。通用型輸入輸出接口（General-Purpose Input Output，GPIO）驅(qū)動用來控制LED 燈以反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)。無線驅(qū)動是以802.11ac 協(xié)議和QCA9882無線芯片驅(qū)動為研究目標(biāo)。在應(yīng)用層主要以Lua 腳本語言為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)和控制設(shè)備功能的腳本代碼設(shè)計(jì)為研究目標(biāo)。

圖2 協(xié)議棧設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，引入腳本監(jiān)測機(jī)制，使用AT 指令監(jiān)測專網(wǎng)模塊的啟動狀態(tài)并收集反饋參考信號接收強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）、參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、國際移動用戶識別 碼（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）和小區(qū)ID 等信息，使用ping 命令監(jiān)測設(shè)備與核心網(wǎng)的連通性，并在多次連接失敗時(shí)重啟專網(wǎng)模塊或重啟設(shè)備。

2 能量管理算法

2.1 原理設(shè)計(jì)

本文建立一個(gè)基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的能量管理算法，算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3 所示，其中狀態(tài)由AB 兩位數(shù)組成，A 表示專網(wǎng)模塊的開啟與否，B表示W(wǎng)i-Fi 模塊的開啟與否。AB 的取值為1 表示該模塊開啟，為0 表示該模塊關(guān)閉。設(shè)備未上電時(shí)兩模塊均未開啟，所以狀態(tài)00 即為系統(tǒng)的起始狀態(tài)，開機(jī)后系統(tǒng)的狀態(tài)不會停止改變。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖所示，狀態(tài)變化的主要依據(jù)是是否有終端接入Wi-Fi 模塊。

圖3 能量管理算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移

算法具體執(zhí)行流程如下所示。

（1）當(dāng)設(shè)備剛開啟時(shí)，開啟Wi-Fi 模塊。

（2）開啟專網(wǎng)模塊。

（3）等待5 min。

（4）判斷是否有終端接入Wi-Fi 模塊，如果有則進(jìn)行第（5）步，否則進(jìn)行第（6）步。

（5）開始檢測設(shè)備與核心網(wǎng)的連通性，檢測完成后，系統(tǒng)等待30 s，之后重復(fù)執(zhí)行該步驟，直至沒有終端接入Wi-Fi 模塊；當(dāng)專網(wǎng)模塊與基站連接失敗時(shí)，關(guān)閉專網(wǎng)模塊并返回第（2）步，如果5次重啟專網(wǎng)模塊連接均失敗則重啟設(shè)備。

（6）關(guān)閉Wi-Fi 模塊和專網(wǎng)模塊，并等待5 min，之后開啟Wi-Fi 模塊并等待5 min。

（7）循環(huán)執(zhí)行以下步驟：關(guān)閉Wi-Fi 模塊，等待5 min，開啟Wi-Fi 模塊，等待5 min，判斷終端接入狀態(tài)。如果有終端接入Wi-Fi 模塊則跳出循環(huán)返回第（2）步。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

采用腳本文件來實(shí)現(xiàn)該算法，使用OpenWrt 系統(tǒng)提供的iwinfo 語句查詢Wi-Fi 模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)，使用AT 指令控制專網(wǎng)模塊。iwinfo 語句可以準(zhǔn)確反映某時(shí)刻Wi-Fi 是否有終端連接，并做出相關(guān)操作。算法偽代碼如下所示，其中iwinfo 語句主要用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)while 循環(huán)的判斷條件。

算法運(yùn)行時(shí)，串口信息如圖4 所示。算法在開機(jī)5 min 后檢測到?jīng)]有終端接入Wi-Fi 模塊則關(guān)閉Wi-Fi 模塊，之后算法通過臨時(shí)文件與Web 顯示進(jìn)行信息交互，將系統(tǒng)狀態(tài)顯示在Web 界面上，如圖5 所示，此時(shí)系統(tǒng)沒有Wi-Fi 接入，且LTE 模塊也未連接，5 min 后開啟Wi-Fi 模塊并等待終端的接入。

圖4 串口信息

圖5 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

3 設(shè)備測試

3.1 測試環(huán)境及方案

測試系統(tǒng)如圖6 所示，搭建好系統(tǒng)后，采用ping 命令進(jìn)行分段的連通性測試，并確認(rèn)固件的功能性良好，即可開始測試。每次測試時(shí)間為1 h，讀取1 h 內(nèi)設(shè)備的總耗電量，也就是此時(shí)設(shè)備的功率。每次測試均等到設(shè)備完全冷卻，以消除設(shè)備過熱帶來的功耗。

圖6 測試系統(tǒng)

測試主要分為3 個(gè)階段。首先測試網(wǎng)關(guān)設(shè)備的極限傳輸性能，其次測試網(wǎng)關(guān)設(shè)備在待機(jī)時(shí)的功率，最后加入節(jié)能算法后的功率并計(jì)算算法的節(jié)能效率。為了反映系統(tǒng)的忙碌程度，定義了設(shè)備繁忙率α，定義式為式（1），含義是在一次測試中業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間占總測試時(shí)間的比例，取值范圍為0%～100%。

式中：α代表設(shè)備繁忙率；Ttransfer表示測試時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)間；Ttest表示總的測試時(shí)間。

測試不同設(shè)備繁忙率情況下的算法節(jié)能效率，在1 h 的測試時(shí)間內(nèi)，以10 min 為間隔測試業(yè)務(wù)傳輸10 min、20 min、30 min、40 min、50 min 以 及1 h 全忙時(shí)的功率（即設(shè)備繁忙率分別為16.67%、33.33%、50%、66.67%、83.33%、100%），之 后計(jì)算各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的算法節(jié)能效率。算法節(jié)能效率的計(jì)算公式為

式中：η為算法節(jié)能效率；Pnormal代表不加節(jié)能算法時(shí)的測試功率；Plow代表加節(jié)能算法時(shí)的測試功率。

3.2 測試結(jié)果

網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳輸性能為上行可以達(dá)到32 Mb/s、下行可以達(dá)到90.9 Mb/s，設(shè)備功率測試結(jié)果如表1、表2 所示。結(jié)果表明：在不加節(jié)能算法時(shí)，其待機(jī)功率為5.3 W，測試時(shí)瞬時(shí)功率在5.208～5.326 W范圍波動；在加節(jié)能算法時(shí)，其待機(jī)功率為4.2 W，測試時(shí)瞬時(shí)最低功率為3.582～3.605 W。本文所提出的節(jié)能算法在待機(jī)時(shí)可以節(jié)省20.75%的能量。此外可以看出，在功率方面，上行傳輸功率為5.7 W，下行傳輸功率為5.9 W，上行傳輸較為省電；在效率方面，上行傳輸時(shí)算法節(jié)能效率較高。

表1 上行傳輸測試結(jié)果

表2 下行傳輸測試結(jié)果

上述測試不能準(zhǔn)確刻畫系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)際使用過程中上下行業(yè)務(wù)傳輸都有，不可能是單方向的。在測試完成后，為了更好地刻畫設(shè)備的實(shí)際使用情況，構(gòu)建如圖7 所示的綜合工況示意圖。該綜合工況包含了系統(tǒng)所有可能運(yùn)行的狀態(tài)：上行傳輸、下行傳輸和待機(jī)狀態(tài)。在圖7 中，1 h（即3 600 s）測試時(shí)間被分成3 種工作狀態(tài)，其中10 min 的時(shí)間為待機(jī)時(shí)間，25 min 做上行傳輸，25 min 做下行傳輸。

圖7 綜合工況

綜合工況下功率的計(jì)算公式如式（3）、式（4）所示。

式中：Plow_cost表示帶節(jié)能算法時(shí)的綜合功耗；Pup代表上行功耗，使用上一測試的測試數(shù)據(jù)5.7 W；β表示上行傳輸在整個(gè)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間內(nèi)的比例；Pdown代表下行功耗，取5.9 W；Plow_stand為低功耗時(shí)的待機(jī)功率，取4.2 W；Pnor_cost為不加節(jié)能算法時(shí)的綜合功耗；Pnor_stand為不加節(jié)能算法時(shí)的待機(jī)功率，取5.3 W。

本文研究了綜合工況下的算法節(jié)能效率，在設(shè)備繁忙率α=50%時(shí)，改變設(shè)備繁忙時(shí)的上下行傳輸比例并使用式（3）、式（4）計(jì)算算法節(jié)能效率；在上行占比β=50%時(shí)，改變設(shè)備繁忙率并計(jì)算算法節(jié)能效率。計(jì)算時(shí)步長為1%，可以計(jì)算出算法節(jié)能效率并得到如圖8 和圖9 所示的變化趨勢圖。從圖8 和圖9 中結(jié)果看：當(dāng)設(shè)備繁忙率固定時(shí)，上行傳輸比例越高，算法節(jié)能效率越高；在上行傳輸占比一定時(shí)，設(shè)備繁忙率越低，算法節(jié)能效率越高。

圖8 算法節(jié)能效率與上行傳輸占比關(guān)系

圖9 算法節(jié)能效率與設(shè)備繁忙率關(guān)系

4 誤差分析

（1）計(jì)時(shí)精度：采用秒表計(jì)時(shí)1 h，計(jì)時(shí)相對誤差為0.03%；

（2）儀器精度：測試總功率的最小分辨率為0.1 W·h，相對誤差范圍為1.69%～2.33%；

（3）散熱條件：這里指的是測試時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度以及通風(fēng)條件，在散熱條件不好時(shí)，設(shè)備功率會提高1 W 以上；

（4）速率抖動：由于每個(gè)傳輸文件的大小以及分配的傳輸速度不同，因此會導(dǎo)致有一部分率先完成傳輸，在切換時(shí)就會產(chǎn)生速率抖動，速率的突變也會帶來瞬時(shí)功率的變化進(jìn)而影響總功率。

5 結(jié)語

本文提出了一種低功耗政務(wù)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，該設(shè)備硬件上使用mini PCI-E 接口來連接專網(wǎng)模塊和Wi-Fi模塊。mini PCI-E接口抗干擾能力強(qiáng)，小巧靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，選用的專網(wǎng)模塊可以兼容多種政務(wù)專網(wǎng)頻段。根據(jù)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的能量管理算法，用于管理專網(wǎng)模塊與Wi-Fi 模塊的開啟與關(guān)閉，以達(dá)到節(jié)能的目的。測試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)的傳輸速度為下行90.9 Mb/s和上行32.0 Mb/s。此外，測試了該算法的節(jié)能效率，在待機(jī)情況下可以節(jié)省20.75%的電能。為了更接近實(shí)際使用情況，構(gòu)建了設(shè)備的綜合工況，當(dāng)設(shè)備繁忙率固定時(shí)，上行傳輸比例越高，算法節(jié)能效率越高；在上行傳輸占比一定時(shí)，設(shè)備繁忙率越低，算法節(jié)能效率越高。最后，深入分析了測試誤差的來源，主要是由于計(jì)時(shí)和儀器精度帶來的相對誤差，還有散熱條件和速率抖動帶來的測試環(huán)境影響。