CN104796932A - 利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法 - Google Patents

利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，利用WiFiLegacy STA进行环境评估，提供SoftAP最优初始化参数；系统应用模拟client，与系统逻辑层WiFi模拟实现单一设备的P2P Group组网；系统逻辑层WiFi同时工作于Legacy STA和P2P GO；系统逻辑层WiFi利用P2P GO模拟SoftAP；系统逻辑层WiFi利用P2P GO桥接Legacy STA作为整个网络节点的upstream。本发明在不增加硬件成本的前提下，利用单一WiFi终端设备，实现一个局域网的网络环境下，于内部构建相对高抗干扰能力的子局域网功能。

Description

利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种利用单一WiFi终端设备组建高抗干扰能力子局域网的方法。
背景技术
众做周知，WiFi作为目前使用率最高的无线通讯手段，已与人们的生活息息相关。然而，WiFi的工作频段有严格限制，分为2.4G和5G两个大类，2.4G共13信道，相互独立的仅有1,6,11信道，而5G信道因为涉及军事等特殊用途，其信道也有其严格限制，越来越多的路由器工作在有限的频道带宽内，实际通讯能力不可避免的会因为各种环境干扰因素，有不同程度的降低。
一般情况，一个WiFi终端设备，可以独立工作在Legacy STA和SoftAP两种状态，其中Legacy STA用于充当一个局域网Group中的Client，而SoftAP用于充当Group中的Server(或者bridge，通过桥接其它网络设备upstream输入作为一个局域网中的路由节点)。然而，目前对于WiFi终端设备本身系统逻辑/硬件驱动，在Legacy STA模式，以Linux/Android系统为例，用于衔接系统和驱动的适配层为wpa_supplicant，统一对系统/驱动提供事件接口，而用于标准SoftAP适配层为Hostapd，考虑到系统对WiFi的管控策略，wpa_supplicant/Hostapd服务互斥，而就硬件而言STA和标准SoftAP无法复用TX/RX天线，因此从物理结构本身而言，在同一个WiFi模组上，将WiFi的两种工作模式融为一体，并无太好的办法。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，以期望从系统平台角度入手，在不增加硬件成本的前提下，利用单一WiFi终端设备，同时实现Legacy STA和SoftAP。
考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：
一种利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，它包括：
利用WiFiLegacy STA进行环境评估，提供SoftAP最优初始化参数；
系统应用模拟client，与系统逻辑层WiFi模拟实现单一设备的P2P Group组网；
系统逻辑层WiFi同时工作于Legacy STA和P2P GO；
系统逻辑层WiFi利用P2P GO模拟SoftAP；
系统逻辑层WiFi利用P2P GO桥接Legacy STA作为整个网络节点的upstream。
为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：
根据本发明的一个实施方案，具体包括以下步骤：
步骤一、WiFi作为Legacy STA，进行标准的scan动作，获取当前无线环境，计算出后续SoftAP的工作信道；
步骤二、评定所述工作信道的环境干扰情况，以降低或提高MCS等级，用于最大程度发挥WiFi传输能力或保证WiFi传输稳定性；
步骤三、系统在逻辑层触发WiFi P2P enable，按照WiFi P2P标准架构，首先执行P2P Discovery，同样遵循802.11协议中的定义的Scan phase和Findphase，在一定信道发送Probe Request帧，监听Probe Response帧；在应用层编写client端模拟其它设备，同样执行P2P Discovery，用于在同一WiFi设备模拟P2P设备发现流程；
步骤四、P2P发现后，系统在逻辑层触发P2P Group Formation，在GONegotiation Request中将GO Intent进行相应设置；
步骤五、P2P Group Formation后，系统逻辑层WiFi按照WPA2-PSK加密类型，AES加密算法随机生成PIN码，以及和应用层client通过WSC协议交换加密信息；
步骤六、应用层client公开逻辑层WifiP2P GO的essid和配套加密属性，供外部设备接入；
步骤七、系统WiFi同时保持原始局域网的Legacy STA，并基于同一包wpa_supplicant，参考步骤一和步骤二的配置参数开始P2P GO的工作，实现SoftAP，同时基于现场环境选择最优的初始化参数。
根据本发明的另一个实施方案，它还包括：
步骤八、强化组网技术支撑：
(1)GO静态分配一个独立于Legacy STA的网关状态；
(2)桥接Legacy STA作为upstream，记录外网状态的DNS参数；
(3)监听子client设备的接入信息，并通过dnsmasq提供DHCPCD服务，DNS转发。
根据本发明的另一个实施方案，所述强化组网技术支撑还包括：
(4)通过iptables设置子设备通信过滤属性。
根据本发明的另一个实施方案，所述步骤一中计算后续SoftAP的工作信道的算法包括：
在2.4G类WiFi的1、6、11，5G类WiFi的149、153、157、161、165，共八个信道，每个起始分数均为300分，如果当前信道有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去10分，如有多个，则累计计算；对于2.4G，如有旁瓣信道中有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去5分，如有多个，则累计计算；最后得分最高的信道确定为SoftAP工作信道。
与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：
本发明的一种利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，在不增加硬件成本的前提下，利用单一WiFi终端设备，实现一个局域网的网络环境下，于内部构建相对高抗干扰能力的子局域网功能。
附图说明
为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。
图1示出了根据本发明一个实施例的利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
一、本发明一个实施例涉及到的WiFi硬件需求：
1、本方法实现的功能，将建立在牺牲一部分WiFi本身传输性能(吞吐率)的基础上进行，因此，WiFi至少需要支持802.11n协议(802.11n的1x1极限吞吐率可达到150Mps，且可工作于2.4G/5G双频段，而802.11b/g只有54Mps，只能工作在2.4G单一频段，实际效果不佳)；
2、本方法实现的功能，需要WiFi模组的天线数量至少为2x2，其中一组用于Legacy STA工作，另一组用于下文中模拟的SoftAP工作；
3、WiFi通过Legacy STA模拟SoftAP由于涉及WSC(WiFi SimpleConfiguration)，需要：
(1)实现802.1X supplicant功能，并支持EAP-WSC算法(WiFi P2P GroupClient硬性要求)；
(2)实现802.1X authenticator功能，并实现EAP-WSC算法(WiFi P2P GroupOwner硬性要求)。
4、WiFi安全部分需要WPA2支持。
二、系统逻辑
参见图1所示，本实施例提供的办法将基于Linux/Android系统，一种利用单一WiFi终端设备组建高抗干扰能力子局域网的方法，包括：1)利用WiFiLegacy STA进行环境评估，提供SoftAP最优初始化参数；2)系统应用模拟client，与系统逻辑WiFi模拟实现单一设备的P2P Group组网；3)系统逻辑WiFi同时工作于Legacy STA和P2P GO；4)系统逻辑WiFi利用P2P GO模拟SoftAP；5)系统逻辑WiFi利用P2P GO桥接Legacy STA作为整个网络节点的upstream；6)系统逻辑WiFi利用P2P GO模拟SoftAP的其它技术支持。
具体而言，包含如下步骤：
步骤1：WiFi作为Legacy STA，进行标准的scan动作，获取当前无线环境，包含2.4G/5G各个信道下的AP数量，绝对信号强度，通过如下算法，计算出后续SoftAP的工作信道：
在1、6、11(2.4G)，149，153，157，161，165(5G)共八个信道，每个起始分数均为300分，如果当前信道有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去10分，如有多个，则累计计算；对于2.4G，如有旁瓣信道(如和6信道有频段重叠的旁瓣信道为3、4、7、8信道)有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去5分，如有多个，则累计计算；5G频段个信道频段独立，不存在此问题，最后得分最高的信道确定为SoftAP工作信道。
步骤2：支持802.11n的WiFi可工作在HT20(20MHz)和HT40(40MHz)两种带宽，在每种带宽下它存在16种速率，即MCS0-MCS15，MCS(Modulation andcoding scheme)，具体对应数据为：
HT20 MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7
6.5M 13M 19.5M 26M 39M 52M 58.5M 65M
HT20 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15
13M 26M 39M 52M 78M 104M 117M 130M
HT40 MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7
13.5M 27M 40.5M 54M 81M 108M 121.5M 135M
HT40 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15
27M 54M 81M 108M 162M 216M 243M 270M
本文的方法利用步骤1最终确定工作信道的得分，按照如下得分确定MSC工作等级：
说明：
当信道得分高时，说明空中环境干净，提高MCS等级，以最大程度发挥WiFi传输能力；
当信道得分低时，说明空中环境复杂，降低MCS等级，以降低传输速率保证WiFi传输稳定性。
步骤3：系统在逻辑层触发WiFi P2P enable，按照WiFi P2P标准架构，首先执行P2P Discovery，同样遵循802.11协议中的定义的Scan phase和Findphase，在1、6、11三个信道发送Probe Request帧，监听Probe Response帧；在应用层编写client端模拟其它设备，同样执行P2P Discovery，用于在同一WiFi设备模拟P2P设备发现流程。
步骤4：P2P Discovery后，系统在逻辑层触发P2P Group Formation，在GO Negotiation Request中将GO Intent设置为15(GO负责工作信道的确定，GO Intent越大，则表示越希望充当GO)，应用层client端在GO NegotiationResponse中将client GO Intent设置为0，确保GO Negotiation Confirm后，系统WiFi一定能成为本次P2P会话的Group Owner。
步骤5：P2P Group Formation后，系统逻辑层WiFi按照WPA2-PSK加密类型，AES加密算法随机生成8位PIN码，和应用层client通过WSC协议交换加密信息，该步骤为WSC协议标准流程，不再累述。
步骤6：应用层client此时不再继续P2P Group的后续组网步骤，而是直接公开逻辑层WifiP2P GO的essid和配套加密属性，供外部设备接入。
步骤7：系统WiFi同时保持原始局域网的Legacy STA，并基于同一包wpa_supplicant，参考步骤1、2的配置参数开始P2P GO的工作，实现SoftAP，同时基于现场环境选择了最优的初始化参数，因此具备高抗干扰能力。
步骤8：基于步骤1-7，P2P GO模拟SoftAP，仅提供一个设备接入点，需要进一步强化组网技术支撑：
(1)GO静态分配一个独立于Legacy STA的网关状态；
(2)桥接Legacy STA作为upstream，记录外网状态的DNS参数；
(3)监听子client设备的接入信息，并通过dnsmasq提供DHCPCD服务，DNS转发；
(4)可选功能：通过iptables设置子设备通信过滤属性，实现特殊功能，例如：统一过滤某种传输协议的通信请求/应答，将某个IP列入黑名单等等。
由此，整套系统功能实现。
综上所述，本发明从系统平台角度入手，在不增加硬件成本的前提下，利用单一WiFi终端设备，同时实现Legacy STA和SoftAP。其中，Legacy STA用于充当upstream，负责在原有局域网实现和外部设备(AP，其它Client)的数据交互，SoftAP用于在现场建立一个无线空中环境相对干净，相对安全的私有子局域网，负责和参与子局域网中的子Client进行关键数据的传输。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，其特征在于它包括：
利用WiFiLegacy STA进行环境评估，提供SoftAP最优初始化参数；
系统应用模拟client，与系统逻辑层WiFi模拟实现单一设备的P2P Group组网；
系统逻辑层WiFi同时工作于Legacy STA和P2P GO；
系统逻辑层WiFi利用P2P GO模拟SoftAP；
系统逻辑层WiFi利用P2P GO桥接Legacy STA作为整个网络节点的upstream。
2.根据权利要求1所述的利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤一、WiFi作为Legacy STA，进行标准的scan动作，获取当前无线环境，计算出后续SoftAP的工作信道；
步骤二、评定所述工作信道的环境干扰情况，以降低或提高MCS等级，用于最大程度发挥WiFi传输能力或保证WiFi传输稳定性；
步骤三、系统在逻辑层触发WiFi P2P enable，按照WiFi P2P标准架构，首先执行P2P Discovery，同样遵循802.11协议中的定义的Scan phase和Findphase，在一定信道发送Probe Request帧，监听Probe Response帧；在应用层编写client端模拟其它设备，同样执行P2P Discovery，用于在同一WiFi设备模拟P2P设备发现流程；
步骤四、P2P发现后，系统在逻辑层触发P2P Group Formation，在GONegotiation Request中将GO Intent进行相应设置；
步骤五、P2P Group Formation后，系统逻辑层WiFi按照WPA2-PSK加密类型，AES加密算法随机生成PIN码，以及和应用层client通过WSC协议交换加密信息；
步骤六、应用层client公开逻辑层WifiP2P GO的essid和配套加密属性，供外部设备接入；
步骤七、系统WiFi同时保持原始局域网的Legacy STA，并基于同一包wpa_supplicant，参考步骤一和步骤二的配置参数开始P2P GO的工作，实现SoftAP，同时基于现场环境选择最优的初始化参数。
3.根据权利要求2所述的利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，其特征在于它还包括：
步骤八、强化组网技术支撑：
(1)GO静态分配一个独立于Legacy STA的网关状态；
(2)桥接Legacy STA作为upstream，记录外网状态的DNS参数；
(3)监听子client设备的接入信息，并通过dnsmasq提供DHCPCD服务，DNS转发。
4.根据权利要求3所述的利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，其特征在于所述强化组网技术支撑还包括：
(4)通过iptables设置子设备通信过滤属性。
5.根据权利要求2所述的利用单一WiFi终端设备组建抗干扰能力子局域网的方法，其特征在于所述步骤一中计算后续SoftAP的工作信道的算法包括：
在2.4G类WiFi的1、6、11，5G类WiFi的149、153、157、161、165，共八个信道，每个起始分数均为300分，如果当前信道有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去10分，如有多个，则累计计算；对于2.4G，如有旁瓣信道中有一个绝对强度超过-60dbm的AP，则减去5分，如有多个，则累计计算；最后得分最高的信道确定为SoftAP工作信道。
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