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宽带自组网技术由于不依赖任何基础设施,具备很高的便捷性、灵活性,近年来广泛应用于多种领域,如抢险救灾、电力巡检、森林防火等。通常,宽带自组网产品不具备按键,显示屏等人机交互接口,而手机具有完善的人机交互功能,使用者可以在手机上进行各种复杂通信,如收发文字消息、收发语音消息、视频通话等,因此越来越多的厂商尝试着将手机与宽带自组网模块相结合。

手机与宽带自组网模块的通信接口主要有这几种:PCIe、WiFi、蓝牙、以太网、USB。市面上的手机通常不具备PCIe和以太网接口,使用WiFi和蓝牙无线连接的方式可靠又较差,因此USB接口就成为了最佳选择。宽带自组网模块如果采用USB接口与手机通信,则手机应该工作在USB Host模式下,宽带自组网模块应该工作在USB Device模式下,然而,宽带自组网模块通常只具备USB Host接口,无法支持与手机正常通信。

本方案提出的宽带自组网模块可以支持USB Device模式,并可配合Android手机中普遍集成的驱动程序,实现宽带自组网模块与手机的网络互通。

原理说明

上图是使用USB接口通信的宽带自组网模块硬件原理框图,Qualcomm公司的AR9344芯片配合DDR、Flash、射频前端组成了宽带自组网模块。AR9344是一款 WLAN SoC,本方案利用其内置的IEEE 802.11 MAC/基带/射频建立无线网络。AR9344支持5/10/20/40MHz信道带宽,物理层速率最高可达300Mbps,完全可以支撑视频传输等宽带业务。射频前端用于提升射频性能。

本方案中,AR9344工作在Adhoc模式下,即对等网络,同时运行BATMAN协议,所有节点只要具有相同的信道,信道带宽,SSID,则任意节点都可以实现网络互通、中继,即自组网模式。AR9344的USB接口可以支持Host或者Device模式,模式设定由上电瞬间GPIO20的高低电平决定:如果上电瞬间GPIO20为低电平(默认即为低电平),则USB接口配置为Host 模式;如果上电瞬间GPIO20为高电平,则USB接口配置为Device模式。本方案中通过将GPIO20上拉至2.6V,即高电平,以确保AR9344工作在USB Device模式下。

射频前端的原理框图如下所示,选用了Qorvo的TQP5525作为功率放大器,通过低通滤波器抑制谐波后送入射频开关,并最终通过天线发送至空间;来自天线的射频信号经过射频开关选通后首先经过带通滤波器选频,筛选出需要的信号,然后送入低噪声放大器的提升信号强度。来自AR9344的发射使能、接收使能信号控制着TQP5525及TQP3M9037的打开与关闭。

工作过程

手机与宽带自组网模块的通信框图下图所示。RNDIS是由微软公司提出的一种独立于总线的类规范,适用于动态即插即用上的网络设备,基于USB实现的RNDIS实际上就是TCP/IP Over USB,也就是在USB Device上实现USB RNDIS功能,让USB Device看上去像一块网卡。在本方案中,AR9344芯片对于手机来说,就是一块网卡。在宽带自组网模块侧,自组网网络wlan0与虚拟的USB网卡通过br-lan桥接在一起,相当于手机与wlan0桥接,这样,手机便具备自组网接入的能力。

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