OpenWIFI项目架构与核心功能解析

OpenWIFI项目架构与核心功能解析

openwifi open-source IEEE 802.11 WiFi baseband FPGA (chip) design: driver, software 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/op/openwifi

项目概述

OpenWIFI是一个开源的软件定义无线电(SDR)Wi-Fi实现项目，它通过FPGA和Linux驱动实现了完整的IEEE 802.11协议栈。该项目将传统Wi-Fi芯片的硬件功能通过软件和可编程逻辑实现，为无线通信研究提供了高度灵活的平台。

系统架构解析

OpenWIFI系统由软件和硬件/FPGA两大模块组成，下图展示了其详细架构：

主要功能模块

1. 驱动模块：位于openwifi/driver/目录下，实现Linux mac80211子系统接口
2. FPGA模块：包括rx_intf、tx_intf、openofdm_rx、openofdm_tx和xpu等核心组件
3. 用户空间工具：sdrctl程序位于openwifi/user_space/sdrctl_src/

系统通过sysfs文件系统提供用户空间与驱动通信的接口，将驱动变量映射为虚拟文件。

驱动与软件原理

OpenWIFI驱动(sdr.c)实现了Linux mac80211子系统定义的一系列API(ieee80211_ops)，主要包括：

关键API实现

1. 数据收发控制：

   • tx：上层有数据包要发送时调用
   • start/stop：网络接口启用/停用时调用
   • add_interface/remove_interface：网络接口创建/删除时调用

2. 无线参数配置：

   • config：改变信道/频率时调用(如扫描操作)
   • set_antenna/get_antenna：天线选择控制
   • bss_info_changed：BSS参数变更时调用(BSSID、发射功率等)
   • conf_tx：配置发送参数(AIFS、CW_MIN等)

3. 底层控制：

   • configure_filter：配置FPGA中的帧过滤规则
   • get_tsf/set_tsf/reset_tsf：FPGA定时器控制
   • ampdu_action：AMPDU相关操作
   • testmode_cmd：处理测试命令

数据流处理机制

1. 接收流程：

   • FPGA从空中接收数据包并触发中断
   • 驱动调用openwifi_rx_interrupt()处理
   • 通过ieee80211_rx_irqsafe()将数据包及元信息(时间戳、RSSI等)传递给上层

2. 发送流程：

   • 上层通过驱动发送数据包
   • FPGA发送完成后触发openwifi_tx_interrupt()
   • 通过ieee80211_tx_status_irqsafe()报告发送结果

sdrctl命令详解

sdrctl是OpenWIFI提供的专用控制工具，可实现以下功能：

基本参数操作

# 获取参数值
sdrctl dev sdr0 get para_name

# 设置参数值 
sdrctl dev sdr0 set para_name value

常用参数包括：

• slice_idx：网络切片索引(0-3)
• addr：目标MAC地址
• slice_total：发送周期长度(微秒)
• tsf：设置TSF值(需高低32位两个值)

寄存器操作

# 读取寄存器
sdrctl dev sdr0 get reg module_name reg_idx

# 写入寄存器
sdrctl dev sdr0 set reg module_name reg_idx reg_value

主要模块寄存器说明

1. 驱动模块(drv_rx/drv_tx/drv_xpu)：

   • 接收灵敏度阈值
   • 天线选择
   • 速率控制覆盖
   • LBT/CCA阈值

2. RF前端模块(rf)：

   • 发射衰减(dB*1000)
   • 发射/接收频率(MHz)

3. 接收接口(rx_intf)：

   • 中断控制
   • 环路回测试配置
   • DMA控制
   • 数字增益设置

4. 发送接口(tx_intf)：

   • CTS自配置
   • CSI模糊器配置
   • 队列状态监控
   • 天线选择与CDD控制

5. OFDM收发模块(rx/tx)：

   • 信道估计平滑控制
   • 功率触发阈值
   • 加扰器初始状态

6. XPU模块：

   • TSF定时器控制
   • CSMA引擎配置
   • ACK控制
   • AMPDU处理

关键功能实现

接收流程与过滤配置

接收数据包时，FPGA会根据配置的过滤规则决定是否触发中断。过滤规则通过configure_filterAPI配置，支持以下过滤类型：

1. 控制帧过滤
2. 管理帧过滤
3. 数据帧过滤
4. 多播/广播过滤
5. 探测请求过滤

发送流程与配置

发送流程支持多种高级功能：

1. 速率控制：可覆盖Linux默认速率选择
2. 天线选择：支持多天线配置
3. 队列管理：实时监控FPGA发送队列状态
4. 时序控制：精确控制发送时序

时间戳处理

OpenWIFI提供精确的时间戳功能：

1. 64位FPGA定时器(TSF)
2. 接收/发送时间戳记录
3. 时间同步功能

频率配置

支持灵活的射频配置：

1. 模拟/数字频率设计
2. 信道切换
3. 法规遵从性配置

调试方法

OpenWIFI提供多种调试手段：

1. 寄存器调试：通过sdrctl读写寄存器
2. 日志控制：调整驱动打印级别
3. 状态监控：读取各模块状态寄存器
4. 测试模式：特殊测试功能支持

应用场景

OpenWIFI适用于以下场景：

1. 无线通信协议研究
2. 物理层算法验证
3. 新型MAC协议开发
4. 无线安全研究
5. 频谱共享技术实验

通过灵活的配置和开放的架构，OpenWIFI为无线通信领域的创新提供了强大平台。

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