基于嵌入式的移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺設(shè)計

周錦陽，宋 廣

(中國人民解放軍92785部隊，遼寧 葫蘆島 125200)

0 引言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種無中心、分布式和自組織的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，源自美國夏威夷大學(xué)于1968年構(gòu)建的無線自組織網(wǎng)絡(luò)——ALOHA系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)的蜂窩通信不同，移動自組織網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點地位均等，每個節(jié)點在自身發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的同時，需要為其他節(jié)點提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路由服務(wù)。隨著自組織網(wǎng)絡(luò)研究的不斷發(fā)展，移動自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]、災(zāi)后緊急救援[3]、車輛通信和無線局域網(wǎng)等[4-5]。

文獻(xiàn)[6-8]基于Andriod系統(tǒng)平臺，針對自組織網(wǎng)絡(luò)的不同TCP/IP協(xié)議層次，分別就802. 11DCF協(xié)議、路由協(xié)議和視頻應(yīng)用進(jìn)行了研究和開發(fā)應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]基于IOS操作系統(tǒng)，通過改進(jìn)AODV協(xié)議，實現(xiàn)了安卓用戶間的信息傳輸。文獻(xiàn)[10-11]基于數(shù)傳電臺，通過對MAC層和網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究，設(shè)計和實現(xiàn)了平臺間的自組織通信。

本文依托嵌入式Linux操作系統(tǒng)，結(jié)合WiFi無線傳輸協(xié)議，設(shè)計了一種支持視頻圖像采集、傳輸?shù)囊苿幼越M織網(wǎng)絡(luò)通信平臺。通過平臺測試，驗證了平臺通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性，為進(jìn)一步探索和研究相關(guān)內(nèi)容提供了有益參考。

1 總體架構(gòu)

移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、無中心、自適應(yīng)、節(jié)點對等及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的多跳無線移動網(wǎng)絡(luò)[12]，其典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。移動自組織網(wǎng)絡(luò)不依賴于預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠以任意可能速度和方向移動。所有節(jié)點可以自主進(jìn)入或退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變，具有良好的適應(yīng)性和抗毀傷能力。本文重點討論自組織路由協(xié)議在嵌入式ARM平臺上的開發(fā)應(yīng)用問題。

圖1 移動自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺包括嵌入式ARM系統(tǒng)、無線通信模塊、視頻采集模塊、LCD和電源模塊，其中嵌入式ARM系統(tǒng)采用深圳天漠科技有限公司的Devkit8500D嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多節(jié)點間的自組織路由；無線通信模塊采用TOTOLINK-N200UP大功率無線網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)實現(xiàn)單跳節(jié)點間的無線通信；視頻采集模塊采用CAM8100-U數(shù)字?jǐn)z像頭，負(fù)責(zé)節(jié)點周圍視頻圖像信息采集；LCD采用深圳天漠科技有限公司生產(chǎn)的4. 3寸LCD屏，負(fù)責(zé)采集視頻圖像信息的顯示；電源模塊采用5～13 V可調(diào)移動電源模塊，負(fù)責(zé)整個通信平臺供電。移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺實物如圖3所示。

圖2 移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺結(jié)構(gòu)圖

圖3 移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺實物

3 軟件設(shè)計

3. 1 嵌入式Linux體系結(jié)構(gòu)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括4層：第1層為Boot Loader，主要負(fù)責(zé)設(shè)備上電或復(fù)位后對系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)和加載；第2層為Linux內(nèi)核及設(shè)備驅(qū)動，主要用于加載系統(tǒng)內(nèi)核模塊，用戶可依據(jù)硬件需求進(jìn)行Linux內(nèi)核裁剪、定制和設(shè)備驅(qū)動移植；第3層為根文件系統(tǒng)，用于加載系統(tǒng)所需的庫函數(shù)和應(yīng)用程序，通過根文件系統(tǒng)可以實現(xiàn)文件的管理；第4層為應(yīng)用層，主要包含應(yīng)用程序和C庫，用戶可依據(jù)功能需求設(shè)計不同的應(yīng)用程序。

圖4 嵌入式Linux系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3. 1. 1 Boot Loader

Boot Loader為系統(tǒng)啟動后在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行前執(zhí)行的一小段程序，具有非常嚴(yán)格的硬件依賴性，不同硬件的嵌入式平臺采用不同的Boot Loader程序。本文Boot Loader包括1級引導(dǎo)程序(x-loader)和2級引導(dǎo)程序(u-boot)，為了實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)在Devkit8500D嵌入式開發(fā)系統(tǒng)上的正常運行，進(jìn)行了x-loader和u-boot的編譯配置。

3. 1. 2 Linux內(nèi)核及設(shè)備驅(qū)動

為實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)對外設(shè)的支持，進(jìn)行了Linux內(nèi)核定制(包括無線通信模塊、視頻采集單元和LCD的內(nèi)核模塊定制)，以及無線通信模塊驅(qū)動移植。

(1) 無線通信模塊內(nèi)核模塊定制

TOTOLINK-N200UP無線網(wǎng)卡符合IEEE 802. 11b/g/n協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，為了實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)對IEEE 802. 11協(xié)議棧的支持，需定制相關(guān)內(nèi)核模塊。具體定制步驟如下：

Networking support-->Wirless-->Generic IEEE 802. 11 Networking Stack(mac 80211)。

(2) 視頻采集模塊內(nèi)核模塊定制

為了實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)對CAM8100-U數(shù)字?jǐn)z像頭的支持，需定制USB video class(UVC)內(nèi)核模塊。具體定制步驟如下：

Device Drivers-->Multimedia devices-->Video capture adapters-->V4L USB devices-->UVC input events device support。

(3) LCD內(nèi)核模塊定制

為了實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)對LCD模塊的支持，需定制相關(guān)內(nèi)核模塊。具體定制步驟如下：

Device Drivers-->Graphics support-->OMAP2/3 Display Subsystem support(EXPERIMENTAL)(OMAP2_DSS[=y])-->OMAP2/3 Display Device Drivers--> Devkit8500 LCD Panel(PANEL_DEVKIT8500_SHARP_PANEL[=y])-->PANEL_ TYPE([=y])-->4. 3 inch LCD support。

(4) 無線通信模塊驅(qū)動移植

TOTOLINK-N200UP無線網(wǎng)卡采用雷凌RT3070芯片，在Linux內(nèi)核中添加其驅(qū)動[13]支持模塊后，需對其RT3070驅(qū)動進(jìn)行移植。驅(qū)動移植方法如下：① 在雷凌官網(wǎng)下載Linux版本的RT3070驅(qū)動并解壓；② 修改os/linux/目錄下的conf.mk文件：③ 修改Makefile文件，設(shè)置芯片型號，指定Linux內(nèi)核源碼和交叉編譯工具；④ 執(zhí)行make命令，編譯通過后會在os/linux/下生成rt3070sta.ko文件。

3. 1. 3 根文件系統(tǒng)

根文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)啟動后掛載的首個文件系統(tǒng)[14]，其他文件系統(tǒng)通過掛載到根文件系統(tǒng)后才能使用，通過文件系統(tǒng)可以實現(xiàn)文件的管理。

移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺在加電啟動后，需加載無線通信模塊驅(qū)動和自組織路由協(xié)議、配置無線通信模塊IP地址和網(wǎng)絡(luò)模式，所以需修改根文件系統(tǒng)的啟動項。具體操作步驟如下：① 將根文件系統(tǒng)解壓成映像文件；② 掛載映像文件；③ 修改系統(tǒng)啟動項；④ 卸裝鏡像文件；⑤ 將修改后的文件系統(tǒng)制作成壓縮文件。在操作步驟③中，系統(tǒng)啟動項文件為/etc/init.d/目錄下的rc文件，需在文件末尾加入添加如下配置：

insmod rt3070sta.ko ∥加載無線網(wǎng)卡驅(qū)動模塊

ifconfig ra0 up ∥啟動無線網(wǎng)卡

ifconfig ra0 192. 168. 0. 1 ∥配置無線網(wǎng)卡IP地址

iwconfig ra0 mode ad-hoc ∥設(shè)置無線網(wǎng)卡模式為ad hoc模式

insmod kaodv.ko ∥加載自組織路由協(xié)議模塊

3. 1. 4 應(yīng)用層

應(yīng)用層程序主要完成了視頻圖像的采集、壓縮、傳輸和顯示功能。嵌入式Linux系統(tǒng)通過設(shè)備文件讀寫的方式訪問控制USB攝像頭，通過調(diào)用V4L2模塊的API接口，實現(xiàn)視頻圖像的采集；采集后的視頻格式為YUV格式，需要較大傳輸帶寬，不利于無線傳輸，通過對視頻圖像進(jìn)行壓縮，將YUV格式轉(zhuǎn)化為JPEG格式；視頻傳輸采用基于UDP的socket通信，UDP傳輸是面向非連接的，無需保證傳輸?shù)目煽啃裕词箒G幀也不會影響到視頻顯示效果；視頻顯示采用Linux的圖形接口，基于FrameBuffer的圖像顯示，其具有硬件無關(guān)性，直接操作顯存，實現(xiàn)視頻圖像信息的顯示。

3. 2 自組織路由功能

移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，利用Linux內(nèi)核netfilter框架的包過濾功能[ 15]，在PRE_ROUTING及LOCAL_OUT兩個HOOK點設(shè)置鉤子函數(shù)，對流出(發(fā)送數(shù)據(jù))和流入(接收數(shù)據(jù))節(jié)點的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓包，針對數(shù)據(jù)包的不同類型，加載不同的報文處理策略，實現(xiàn)移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺間的自組織路由功能。

3. 2. 1 發(fā)送數(shù)據(jù)處理

發(fā)送數(shù)據(jù)作為平臺自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，其處理流程如圖5所示。依據(jù)平臺節(jié)點是否存在目的路由，決定是否生成RREQ報文，并啟用RREQ發(fā)送策略。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)處理流程

3. 2. 2 接收數(shù)據(jù)處理

接收數(shù)據(jù)作為外部節(jié)點流入平臺節(jié)點的數(shù)據(jù)，其處理流程如圖6所示。設(shè)計數(shù)據(jù)包分為2種：數(shù)據(jù)報文和控制報文，其中控制報文包括：RREQ報文、RREP報文、HELLO報文和RERR報文。依據(jù)數(shù)據(jù)包的不同類型，采用不同的處理策略，從而實現(xiàn)自組織路由協(xié)議的路由建立和路由維護。

圖6 接收數(shù)據(jù)處理流程

4 測試結(jié)果分析

4. 1 靜態(tài)測試

在多跳實驗場景下，針對網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率兩方面進(jìn)行性能測試，驗證移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺間的通信穩(wěn)定性。靜態(tài)測試如圖7所示，平臺S，M，D均靜止。通過平臺S發(fā)送到平臺D的ping擴展指令，記錄網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率。

圖7 自組織通信平臺靜態(tài)測試示意

經(jīng)測試及結(jié)果統(tǒng)計，多跳時延結(jié)果如圖8所示，多跳丟包率如圖9所示。依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，對于2跳S-M1-D鏈路，當(dāng)發(fā)送1 KB大小的數(shù)據(jù)包時，鏈路平均時延穩(wěn)定在61 ms左右，上下波動不超過3 ms。隨著測試時間的增加，丟包率從1. 6%逐步趨近于0。由此可見，針對節(jié)點靜止的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，鏈路時延穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)包丟失僅出現(xiàn)在路由建立的初始階段，隨著測試時間的增長，丟包率趨近于0，鏈路通信狀態(tài)良好。

圖8 多跳時延測試結(jié)果

圖9 多跳丟包率

4. 2 動態(tài)測試

在多跳路由切換實驗場景下，針對網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率進(jìn)行性能測試，驗證移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信平臺的通信穩(wěn)定性和連續(xù)性。動態(tài)測試如圖10所示，平臺S，M1，M2均靜止，平臺D勻速往返運動。通過源節(jié)點S發(fā)送到目的節(jié)點D的ping擴展指令，記錄網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率。

圖10 自組織通信平臺動態(tài)測試示意

經(jīng)測試及結(jié)果統(tǒng)計，路由切換時延結(jié)果如圖11所示，路由切換丟包率如圖12所示。依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，對于多節(jié)點路由切換鏈路，當(dāng)發(fā)送1 KB大小的數(shù)據(jù)包時，鏈路平均時延在61. 5 ms左右，上下波動不超過2 ms，丟包率穩(wěn)定在4. 7%左右，最大不超過5%。由此可見，針對多節(jié)點自組織網(wǎng)絡(luò)的路由切換，鏈路時延穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)丟包率較小。

圖11 路由切換時延結(jié)果

圖12 路由切換丟包率

綜上分析可知：鏈路平均時延與所經(jīng)跳數(shù)相關(guān)，跳數(shù)越多，時延越大；丟包率與路由切換頻率相關(guān)，路由切換越頻繁，丟包率越大。

5 結(jié)束語

采用嵌入式ARM系統(tǒng)，結(jié)合WiFi無線通信和數(shù)字?jǐn)z像頭視頻感知，設(shè)計并實現(xiàn)了一種支持視頻圖像采集、傳輸?shù)囊苿幼越M織網(wǎng)絡(luò)通信平臺。測試結(jié)果表明，移動自組織通信平臺具有良好的通信穩(wěn)定性和連續(xù)性。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和移動自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，未來還需要對自組織路由協(xié)議和工程應(yīng)用做進(jìn)一步研究，使之更廣泛地應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方向。