基于嵌入式Linux系統(tǒng)的3G/4G路由器

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+ ,并開始由3G 網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)過渡。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，由于接人移動互聯(lián)網(wǎng) 的智能終端的數(shù)量快速增長，人們對移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求也日益增長。當(dāng)人們面對幾十兆帶寬甚至是上百兆帶寬時，必定存在帶寬的過剩問題，即人們不需要在任何時刻都需要這么大的帶寬，因而可以將過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)實現(xiàn)完全覆蓋。

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

1. 3G/4G路由器設(shè)計方案

   
   

本路由器的設(shè)計是基于三個模塊來實現(xiàn)的，分別為3G模塊、WiFi模塊和Linux硬件平臺，如圖1所示。3G模塊的功能是利用運營商的無線數(shù)據(jù)卡進行PPP撥號，使得路由器能通過運營商網(wǎng)絡(luò)連接至互聯(lián)網(wǎng)。WiFi模塊的功能是使得無線網(wǎng)卡工作在AP(ACCess Point)模式，并配置動態(tài)主機配置協(xié)議的腳本文件，來建立一個2.4 GHz的WiFi無線局域網(wǎng)。Linux硬件平臺模塊的功能主要有兩個方面，一方面要支持無線網(wǎng)卡和無線數(shù)據(jù)卡的驅(qū)動，另一方面要通過嵌入式Linux系統(tǒng)中的iptables數(shù)據(jù)包過濾系統(tǒng)將無線局域網(wǎng)和3G/4G網(wǎng)絡(luò)連通。智能終端等設(shè)備通過WiFi信道接人到該路由器所提供的無線局域網(wǎng)中，分配到一個IP地址之后，則通過該無線局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送，而該網(wǎng)關(guān)則通過3G/4G模塊上的網(wǎng)絡(luò)撥號接口來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包至3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了該路由器的設(shè)計方案。

圖1 3G/4G路由器設(shè)計方案圖

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評估板、華為公司的E392型無線上網(wǎng)卡和TP-Link公司的TL-WN821N型無線網(wǎng)卡。

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

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖

E392型無線上網(wǎng)卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片組，同時支持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HsPA+進行再次升級，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 型無線網(wǎng)卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設(shè)計的，采用MIMO技術(shù)和空頻道檢測技術(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，組建一個無線局域網(wǎng)，并配置無線局域網(wǎng)的基本信息，通過Linux系統(tǒng)的iptables將無線局域網(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、無線局域網(wǎng)的組建以及iptables的連通三個部分。

3.1 3G/4G網(wǎng)絡(luò)的接入

該無線路由器利用E392型多模無線上網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統(tǒng)中進行PPP撥號，分別接入到TD-SCDMA，WCDMA以及TD-LTE實驗網(wǎng)中。其具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入流程圖

3.1.1 多模無線上網(wǎng)卡驅(qū)動加載

當(dāng)一個新的USB設(shè)備接入到Linux主機中，主機首先會通過控制端點讀入此設(shè)備的配置，接口和端點等信息，利用控制管道完成控制型傳輸，然后主機再對該設(shè)備進行枚舉。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)商識別碼(VID)以及產(chǎn)品識別碼(PID)，將這兩個識別碼分別與USB內(nèi)核中意存在的各個識別碼進行匹配。若匹配成功，即的利用Linux系統(tǒng)的USB內(nèi)核成功實現(xiàn)了 該設(shè)備的USB驅(qū)動的加載。

本設(shè)計方案中采用的嵌入式Linux系統(tǒng)的內(nèi)核版本號為2.6.32,該內(nèi)核中與USB設(shè)備的VID和PID號相關(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)計方案中所采用的華為E392無線上網(wǎng)卡的VID和PID，過程如下：

　　# 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，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)動文件。最后加載這兩個驅(qū)動文件并插上該多模無線上網(wǎng)卡，完成驅(qū)動加載。

在3.1.1節(jié)中實現(xiàn)的是USB設(shè)備的加載，即Linux系統(tǒng)識別出無線上網(wǎng)卡為USB設(shè)備并能與之通信。而一般 USB無線上網(wǎng)卡設(shè)備都具有兩個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 Linux系統(tǒng)默認(rèn)會將該設(shè)備識別為usb-storage子設(shè)備模式，需要通過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，這樣才能使得無線上網(wǎng)卡能夠正常工作。

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

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

　?、?進入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線上網(wǎng)卡的VID設(shè)備號和其usb-storage子設(shè)備PID設(shè)備號，然后指定其modern子設(shè)備號。具體配置信息如下：

　　Default Vendor = 12D1

　　Default Product = 1446

　　Target Vendor = 12D1

　　Target Product = 1506

　　CheckSuccess = 20

　　HuaweiMode = O

通過命令usb_modeswitch - W - c usb_modeswitch.conf對無線上網(wǎng)卡進行USB設(shè)備的模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后無線上網(wǎng)卡即工作在調(diào)制解調(diào)器模式下，同時可通過命令ls/dev可以查看到Linux系統(tǒng)生成4個虛擬USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備，即ttyUSB0,ttyUSB1,ttyUSB2和ttyUSB3,可以通過這幾個串口進行PPP撥號，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE實驗網(wǎng)中。

3.2 無線局域網(wǎng)的組建

該無線路由器利用無線網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統(tǒng)中組建一個小型的無線局域網(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 無線局域網(wǎng)組建流程圖

3.2.1 無線網(wǎng)卡驅(qū)動加載

TL-WN821N 型無線網(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)動源碼，根據(jù) 編譯環(huán)境及Linux內(nèi)核對驅(qū)動源碼進行編譯，即可生成該無線USB網(wǎng)卡的驅(qū)動。具體步驟如下：

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

　?、?進入到驅(qū)動源碼包中，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,生成該無線網(wǎng)卡的驅(qū)動8192cu.ko。

然后加載該驅(qū)動，再通過命令ifconfig wlan0 up,將無線網(wǎng)卡的網(wǎng)口wlan0掛載至Linux系統(tǒng)中，可通過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

將無線網(wǎng)卡驅(qū)動加載成功之后，該無線網(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圍的無線接人點，以接人到其他的無線局域網(wǎng)中，而3G/4G路由器需要利用無線網(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，也稱接入點模式，并利用該模式建立一個無線局域網(wǎng)。hostapd在Linux系統(tǒng)中的移植過程如下：

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

　?、?進入主目錄，修改Makefile,指定交叉編譯器：

　　CC= arm-none-linux-gnueabi-gcc

　?、?make。

生成hostapd、hostapd_cli,將這兩個二進制文件和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)置該無線網(wǎng)卡的服務(wù)集標(biāo)識(SSID)、支持的802.11協(xié)議版本、工作頻率、無線信道以及加密的方式等一系列該無線局域網(wǎng)的配置信息。通過執(zhí)行命令hostapd rtl_hostapd.conf-B,完成該無線網(wǎng)卡的工作模式的切換。

3.2.3 DHCP配置

在無線網(wǎng)卡的AP模式切換完成之后