基于嵌入式Linux系統(tǒng)的3G/4G路由器設(shè)計(jì)

　　3G的接人技術(shù)已經(jīng)從WCDMA/TD- SCDMA/CD-MA2000發(fā)展到HSDPA、HSUPA 以及HSPA+ ,并開(kāi)始由3G 網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。目前HSDPA的接入帶寬可以達(dá)到7.2 Mbps,HSPA+ 的接人帶寬可以達(dá)到21 Mbps,而即將部署的LTE的網(wǎng)絡(luò)帶寬甚至達(dá)到了100 Mbps 。同時(shí)，由于接人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) 的智能終端的數(shù)量快速增長(zhǎng)，人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求也日益增長(zhǎng)。當(dāng)人們面對(duì)幾十兆帶寬甚至是上百兆帶寬時(shí)，必定存在帶寬的過(guò)剩問(wèn)題，即人們不需要在任何時(shí)刻都需要這么大的帶寬，因而可以將過(guò)剩的用戶帶寬分配給更多的用戶。

　　目前，WiFi技術(shù)能夠支持IEEE的802.11b、802.11g和802.1ln標(biāo)準(zhǔn)，分別支持10 Mbps、54 Mbps和300 Mbps的無(wú)線傳輸速率。而在傳輸距離上，WiFi能夠在幾米到100m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

　　本文正是基于3G/4G 不斷增長(zhǎng)的接入帶寬以及WiFi技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，提出了一種共享3G/4G 網(wǎng)絡(luò)帶寬的無(wú)線路由器設(shè)計(jì)方案。該方案首先利用嵌入式Linux系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)基于WiFi技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)，智能終端等用戶可以利用自帶的WiFi功能接入該無(wú)線局域網(wǎng)，然后再將該無(wú)線局域網(wǎng)橋接至3G/4G網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能終端設(shè)備對(duì)3G/4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的共享。

　　1. 3G/4G路由器設(shè)計(jì)方案

　　本路由器的設(shè)計(jì)是基于三個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，分別為3G模塊、WiFi模塊和Linux硬件平臺(tái)，如圖1所示。3G模塊的功能是利用運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線數(shù)據(jù)卡進(jìn)行PPP撥號(hào)，使得路由器能通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)連接至互聯(lián)網(wǎng)。WiFi模塊的功能是使得無(wú)線網(wǎng)卡工作在AP(Access Point)模式，并配置動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議的腳本文件，來(lái)建立一個(gè)2.4 GHz的WiFi無(wú)線局域網(wǎng)。Linux硬件平臺(tái)模塊的功能主要有兩個(gè)方面，一方面要支持無(wú)線網(wǎng)卡和無(wú)線數(shù)據(jù)卡的驅(qū)動(dòng)，另一方面要通過(guò)嵌入式Linux系統(tǒng)中的iptables數(shù)據(jù)包過(guò)濾系統(tǒng)將無(wú)線局域網(wǎng)和3G/4G網(wǎng)絡(luò)連通。智能終端等設(shè)備通過(guò)WiFi信道接人到該路由器所提供的無(wú)線局域網(wǎng)中，分配到一個(gè)IP地址之后，則通過(guò)該無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送，而該網(wǎng)關(guān)則通過(guò)3G/4G模塊上的網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)接口來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包至3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了該路由器的設(shè)計(jì)方案。

　　圖1 3G/4G路由器設(shè)計(jì)方案圖

　　2. 3G/4G路由器硬件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)3G/4G路由器設(shè)計(jì)方案，其硬件結(jié)構(gòu)的三大模塊分別采用深圳天謨公司生產(chǎn)的Devkit8500D評(píng)估板、華為公司的E392型無(wú)線上網(wǎng)卡和TP-Link公司的TL-WN821N型無(wú)線網(wǎng)卡。

　　Devkit8500D評(píng)估板的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該硬件平臺(tái)采用的是TI公司的DM3730微處理器。

　　圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖

　　E392型無(wú)線上網(wǎng)卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片組，同時(shí)支持TD-SCDMA/WCDMA 的3G 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和LTE-TDD/FDD 的4G 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。目前，利用3G網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)部署升級(jí)的HSPA+技術(shù)，下行峰值速率可以達(dá)到21 Mbps，上行峰值速率可以達(dá)到5.76 Mbps;部分地區(qū)采用64QAM 調(diào)制技術(shù)和MIMO技術(shù)對(duì)HsPA+進(jìn)行再次升級(jí)，下行峰值速率可以達(dá)到42 Mbps左右;而即將部署的4G網(wǎng)絡(luò)，下行峰值速率可以達(dá)到i00 Mbps,上行峰值速率可以達(dá)到50 Mbps。

　　TL-WN821N 型無(wú)線網(wǎng)卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設(shè)計(jì)的，采用MIMO技術(shù)和空頻道檢測(cè)技術(shù)，支持802.11n/b/g,性能穩(wěn)定且能夠提供最大300 Mbps的無(wú)線傳輸速率，完全滿足智能終端等設(shè)備的帶寬需求。

　　3. 3G/4G路由器關(guān)鍵技術(shù)

　　3G/4G路由器是指利用WiFi的2.4GHz頻段，組建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，并配置無(wú)線局域網(wǎng)的基本信息，通過(guò)Linux系統(tǒng)的iptables將無(wú)線局域網(wǎng)接人到3G/4G網(wǎng)絡(luò)中。其關(guān)鍵技術(shù)具體分為3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的接入、無(wú)線局域網(wǎng)的組建以及iptables的連通三個(gè)部分。

　　3.1 3G/4G網(wǎng)絡(luò)的接入

　　該無(wú)線路由器利用E392型多模無(wú)線上網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統(tǒng)中進(jìn)行PPP撥號(hào)，分別接入到TD-SCDMA，WCDMA以及TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中。其具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

　　圖3 3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入流程圖

　　3.1.1 多模無(wú)線上網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載

　　當(dāng)一個(gè)新的USB設(shè)備接入到Linux主機(jī)中，主機(jī)首先會(huì)通過(guò)控制端點(diǎn)讀入此設(shè)備的配置，接口和端點(diǎn)等信息，利用控制管道完成控制型傳輸，然后主機(jī)再對(duì)該設(shè)備進(jìn)行枚舉。枚舉即讀取該 設(shè)備的許多重要信息，其中最重要的是讀取該設(shè)備的生產(chǎn)商識(shí)別碼(VID)以及產(chǎn)品識(shí)別碼(PID)，將這兩個(gè)識(shí)別碼分別與USB內(nèi)核中意存在的各個(gè)識(shí)別碼進(jìn)行匹配。若匹配成功，即的利用Linux系統(tǒng)的USB內(nèi)核成功實(shí)現(xiàn)了 該設(shè)備的USB驅(qū)動(dòng)的加載。

　　本設(shè)計(jì)方案中采用的嵌入式Linux系統(tǒng)的內(nèi)核版本號(hào)為2.6.32,該內(nèi)核中與USB設(shè)備的VID和PID號(hào)相關(guān)的源碼存在kernel/drivers/usb/serial/option.c中，修改該文件并添加本 終端設(shè)計(jì)方案中所采用的華為E392無(wú)線上網(wǎng)卡的VID和PID，過(guò)程如下：

　　# define HUAWEI_VENDOR_ID 0x12D1

　　# define HUAWEI_PRODUCT_E1446 0x1446

　　{USB_DEVICE_AND_INTERFACE_INFO(HUAWEI_VENDOR_ID,

　　HUAWEI_PRODUCT_E1446,0xff,0xff,0xff)}

　　然后配置嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的Devices driver→usb support→usb Serial Converter Support選項(xiàng)，使得Linux系統(tǒng)內(nèi)核支持USB串口轉(zhuǎn)換，然后選擇按模塊重新編譯內(nèi)核，生成option.ko和usbserial.ko 驅(qū)動(dòng)文件。最后加載這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)文件并插上該多模無(wú)線上網(wǎng)卡，完成驅(qū)動(dòng)加載。

　　3.1.2 終端模式轉(zhuǎn)換

　　在3.1.1節(jié)中實(shí)現(xiàn)的是USB設(shè)備的加載，即Linux系統(tǒng)識(shí)別出無(wú)線上網(wǎng)卡為USB設(shè)備并能與之通信。而一般 USB無(wú)線上網(wǎng)卡設(shè)備都具有兩個(gè)USB子設(shè)備模式，即usb-storage子設(shè)備模式和modern子設(shè)備模式。此時(shí) Linux系統(tǒng)默認(rèn)會(huì)將該設(shè)備識(shí)別為usb-storage子設(shè)備模式，需要通過(guò)USB設(shè)備的模式轉(zhuǎn)換工具usb- modeswitch將USB設(shè)備的工作模式轉(zhuǎn)換為modem模式，這樣才能使得無(wú)線上網(wǎng)卡能夠正常工作。

　　首先需要將usb- modeswitch工具移植至開(kāi)發(fā)板，移植過(guò)程如下：

　?、?下載并解壓usb-modeswitch一1.2.5.tar.bz2。

　?、?進(jìn)入usb-modeswitch目錄，修改Makefile,指定交叉編譯器：

　　CC = arm-none-linux-gnueabi - gcc

　　$(PROG)：&(OBJS)&(CC) - o $(PROG)&(OBJS)

　　& (CFLAGS)… . - I/home/libusb- 0.1.12/instal1/inc1ude

　　&(LIB) … . - L/home/libusb- 0.1.12/install/lib

　?、?make。

　　將生成的usb_modeswitch二進(jìn)制執(zhí)行文件拷人Linux系統(tǒng)中，并修改usb_modeswitch目錄下usb_mode-switch.conf配置文件，在該文件末添加該無(wú)線上網(wǎng)卡的VID設(shè)備號(hào)和其usb-storage子設(shè)備PID設(shè)備號(hào)，然后指定其modern子設(shè)備號(hào)。具體配置信息如下：

　　Default Vendor = 12D1

　　Default Product = 1446

　　Target Vendor = 12D1

　　Target Product = 1506

　　CheckSuccess = 20

　　HuaweiMode = O

　　通過(guò)命令usb_modeswitch - W - c usb_modeswitch.conf對(duì)無(wú)線上網(wǎng)卡進(jìn)行USB設(shè)備的模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后無(wú)線上網(wǎng)卡即工作在調(diào)制解調(diào)器模式下，同時(shí)可通過(guò)命令ls/dev可以查看到Linux系統(tǒng)生成4個(gè)虛擬USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備，即ttyUSB0,ttyUSB1,ttyUSB2和ttyUSB3,可以通過(guò)這幾個(gè)串口進(jìn)行PPP撥號(hào)，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中。[!--empirenews.page--]

　　3.2 無(wú)線局域網(wǎng)的組建

　　該無(wú)線路由器利用無(wú)線網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統(tǒng)中組建一個(gè)小型的無(wú)線局域網(wǎng)，一方面提供給智能終端等設(shè)備接入，另一方面將無(wú)線局域網(wǎng)接入至3G/4G 網(wǎng)絡(luò)。其基本流程如圖4所示。

　　圖4 無(wú)線局域網(wǎng)組建流程圖

　　3.2.1 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載

　　TL-WN821N 型無(wú)線網(wǎng)卡采用的WLAN芯片組為Realtek公司的提供的RTI 8192cu芯片，Realtek公司提供了基于Linux系統(tǒng)的該芯片組驅(qū)動(dòng)源碼，根據(jù) 編譯環(huán)境及Linux內(nèi)核對(duì)驅(qū)動(dòng)源碼進(jìn)行編譯，即可生成該無(wú)線USB網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。具體步驟如下：

　?、?下載驅(qū)動(dòng)源碼rtl8188c 8192c usb linux - v3.4.4- 4749.2.121105.tar.gz,并解壓。

　?、?進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)源碼包中，修改Makefile文件，指定編譯環(huán)境及Linux內(nèi)核：

　　CONFIG_PLATFORM_NEW = y

　　ifeq($(CONFIG_PLATFORM_NEW )，y)

　　EXTRA_CFLAGS + = - DCONFIG_LLTTLE_ENDIAN

　　ARCH :arm

　　CROSS_COM PILE := arm-none-linux-gnueabi-

　　KSRC=/home/linux-2.6.32-devkit8500

　　endif

　?、?make,生成該無(wú)線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)8192cu.ko。

　　然后加載該驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)命令ifconfig wlan0 up,將無(wú)線網(wǎng)卡的網(wǎng)口wlan0掛載至Linux系統(tǒng)中，可通過(guò)ifconfig命令查看該網(wǎng)口的基本配置信息。

　　3.2.2 AP模式轉(zhuǎn)換

　　將無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載成功之后，該無(wú)線網(wǎng)卡的默認(rèn)工作模式為工作站模式，即作為客戶端搜索周?chē)臒o(wú)線接人點(diǎn)，以接人到其他的無(wú)線局域網(wǎng)中，而3G/4G路由器需要利用無(wú)線網(wǎng)卡的模式轉(zhuǎn)換工具h(yuǎn)ostapd將該網(wǎng)卡的工作模式由工作站模式切換為AP模式，也稱(chēng)接入點(diǎn)模式，并利用該模式建立一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)。hostapd在Linux系統(tǒng)中的移植過(guò)程如下：

　?、?下載并解壓hostapd_0.8_rtw_20120803.zip。

　?、?進(jìn)入主目錄，修改Makefile,指定交叉編譯器：

　　CC = arm-none-linux-gnueabi-gcc

　?、?make。

　　生成hostapd、hostapd_cli,將這兩個(gè)二進(jìn)制文件和rtl_hostapd.conf復(fù)制到嵌入式Linux系統(tǒng)中。在rtl_hostapd.conf配置文件中，可以設(shè)置該無(wú)線網(wǎng)卡的服務(wù)集標(biāo)識(shí)(SSID)、支持的802.11協(xié)議版本、工作頻率、無(wú)線信道以及加密的方式等一系列該無(wú)線局域網(wǎng)的配置信息。通過(guò)執(zhí)行命令hostapd rtl_hostapd.conf-B,完成該無(wú)線網(wǎng)卡的工作模式的切換。

　　3.2.3 DHCP配置

　　在無(wú)線網(wǎng)卡的AP模式切換完成之后，需要通過(guò)DH-CP協(xié)議配置該無(wú)線局域網(wǎng)的動(dòng)態(tài)地址池及其網(wǎng)關(guān)，該無(wú)線局域網(wǎng)會(huì)根據(jù)DHCP協(xié)議從配置的地址池中，自動(dòng)給接入到該無(wú)線局域網(wǎng)的智能終端等設(shè)備分配一個(gè)IP地址。其DHCP協(xié)議的配置文件dhcp.conf具體如下：

　　start 192.168.0.20

　　end 192.168.0.254

　　interface wlan0

　　opt dns 8.8.4.4

　　opt subnet 255.255.255.0

　　opt router 192.168.0.1

　　opt lease 864000

　　然后在Linux系統(tǒng)中執(zhí)行udhcp-fS dhcp.conf,啟動(dòng)DHCP協(xié)議。之后該無(wú)線網(wǎng)卡會(huì)建立一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，并給接入到此無(wú)線局域網(wǎng)中的智能終端等設(shè)備自動(dòng)分配一3.3 iptables連通

　　在實(shí)現(xiàn)3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的接人和無(wú)線局域網(wǎng)的組建之后，該路由器采用Linux系統(tǒng)中的IP信息報(bào)過(guò)濾系統(tǒng)，即iptables,將3G/4G網(wǎng)絡(luò)和組建好的無(wú)線局域網(wǎng)連通。iptables系統(tǒng)需要Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過(guò)濾框架的支持，需要重新配置內(nèi)核，選中內(nèi)核中Networking Support → Networking options → Network packet filtering framework,將其框架編譯進(jìn)Linux內(nèi)核，然后需要對(duì)iptables進(jìn)行移植，其移植過(guò)程如下：

　　① 下載并解壓iptablesj.4.3.1.tar.gz。

　　② 進(jìn)入主目錄，配置編譯選項(xiàng)：

　　. /configure-prefix=/usr/local/iptables--host = arm-none-linux-gnueabi--with-curnel=/home/SD_tools/linux-2.6.32-devkit85O0

　?、?make并make install。

　　將生成的iptahles二進(jìn)制執(zhí)行文件復(fù)制到Linux系統(tǒng)中，并編寫(xiě)iptables系統(tǒng)的運(yùn)行腳本文件net-share,該運(yùn)行腳本文件配置了IP數(shù)據(jù)包的流向、進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的接口等一系列規(guī)則，該路由器進(jìn)入3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的接口為無(wú)線上網(wǎng)卡進(jìn)行撥號(hào)后產(chǎn)生的pppO網(wǎng)絡(luò)接口，其內(nèi)容如下：

　　echo“1”> /pr0c/sys/net/ipv4/ip- forward

　　iptables-F

　　iptables-P INPUT ACCEPT

　　iptables-P OUTPUT ACCEPT

　　iptables-P FORW ARD ACCEPT

　　iptables-t nat-A POSTROUTING -o ppp0-j MASQUERADE

　　在Linux系統(tǒng)中執(zhí)行腳本文件。/net-share,即完成了無(wú)線局域網(wǎng)至3G/4G網(wǎng)絡(luò)的連通，從而實(shí)現(xiàn)了3G/4G路由器的設(shè)計(jì)。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在嵌人式Linux系統(tǒng)中完成了3G/4G路由器的設(shè)計(jì)功能之后，利用智能終端等設(shè)備對(duì)該無(wú)線路由器進(jìn)行功能測(cè)試。該路由器的工作環(huán)境如圖5所示，分別使用該無(wú)線路由器上的無(wú)線上網(wǎng)卡接人到TD-SCDMA、WCDMA和TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，然后再使用智能終端等設(shè)備自帶的WiFi功能接人到該路由器所組建的無(wú)線局域網(wǎng)中。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在TD-SCDMA網(wǎng)中，單個(gè)智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到2.45 Mbps;在WCDMA網(wǎng)中，單個(gè)智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到7.02 Mbps;而在TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，單個(gè)智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到85.97 Mbps。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文基于嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了3G/4G路由器，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該路由器工作穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3G/4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的共享，而且隨著3G/4G技術(shù)的不斷發(fā)展，所提供的帶寬也會(huì)越來(lái)越大，因此該路由器必將有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。