基于嵌入式Linux系統(tǒng)的3G4G路由器設(shè)計(jì)

[導(dǎo)讀]3G的接人技術(shù)已經(jīng)從WCDMA/TD-SCDMA/CD-MA2000開展到HSDPA、HSUPA以及HSPA+，并開始由3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)過渡。3G的接人技術(shù)已經(jīng)從WCDMA/TD-SCDMA/CD-MA2000開展到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的接入帶寬可以到達(dá)7.2Mbps，HSPA+的接人帶寬可以到達(dá)21Mbps，而即將部署的LTE的網(wǎng)絡(luò)帶寬甚至到達(dá)了100Mbps。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，人們對移動(dòng)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(shí)，必定存在帶寬的過剩問題，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10Mbps、54Mbps和300Mbps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(shí)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，提出了一種共享3G/4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的無線路由器設(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(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jì)方案本路由器的設(shè)計(jì)是基于三個(gè)模塊來實(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)營商的無線數(shù)據(jù)卡進(jìn)行PPP撥號(hào)，使得路由器能通過運(yùn)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〔AccessPoint〕模式，并配置動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議的腳本文件，來建立一個(gè)2.4GHz的WiFi無線局域網(wǎng)。Linux硬件平臺(tái)模塊的功能主要有兩個(gè)方面，一方面要支持無線網(wǎng)卡和無線數(shù)據(jù)卡的驅(qū)動(dòng)，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(gè)IP地址之后，那么通過該無線局域網(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)那么通過3G/4G模塊上的網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)接口來接收和發(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13G/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評估板的根本結(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)，下行峰值速率可以到達(dá)21Mbps，上行峰值速率可以到達(dá)5.76Mbps;局部地區(qū)采用64QAM調(diào)制技術(shù)和MIMO技術(shù)對HsPA+進(jìn)行再次升級(jí)，下行峰值速率可以到達(dá)42Mbps左右;而即將部署的4G網(wǎng)絡(luò)，下行峰值速率可以到達(dá)i00Mbps，上行峰值速率可以到達(dá)50Mbps。TL-WN821N型無線網(wǎng)卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設(shè)計(jì)的，采用MIMO技術(shù)和空頻道檢測技術(shù)，支持802.11n/b/g，性能穩(wěn)定且能夠提供最大300Mbps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(gè)無線局域網(wǎng)，并配置無線局域網(wǎng)的根本信息，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(gè)局部。3.13G/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(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33G/4G網(wǎng)絡(luò)接入流程圖多模無線上網(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。假設(shè)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，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無線上網(wǎng)卡的VID和PID，過程如下：#defineHUAWEI_VENDOR_ID0x12D1#defineHUAWEI_PRODUCT_E14460x1446{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Devicesdriver→usbsupport→usbSerialConverterSupport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線上網(wǎng)卡，完成驅(qū)動(dòng)加載。終端模式轉(zhuǎn)換在節(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(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：①下載并解壓usb-modeswitch一.tar.bz2。②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-/instal1/inc1ude&〔LIB〕…。-L/home/libusb-/install/lib③make。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：DefaultVendor=12D1DefaultProduct=1446TargetVendor=12D1TargetProduct=1506CheckSuccess=20HuaweiMode=O通過命令usb_modeswitch-W-cusb_modeswitch.conf對無線上網(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。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(gè)小型的無線局域網(wǎng)，一方面提供應(yīng)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)。其根本流程如圖4所示。圖4無線局域網(wǎng)組建流程圖無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)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RTI8192cu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)核對驅(qū)動(dòng)源碼進(jìn)行編譯，即可生成該無線USB網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。具體步驟如下：①下載驅(qū)動(dòng)源碼rtl8188c8192cusblinux-v-4749.2.121105.tar.gz，并解壓。②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=yifeq〔$〔CONFIG_PLATFORM_NEW〕，y〕EXTRA_CFLAGS+=-DCONFIG_LLTTLE_ENDIANARCH：armCROSS_COMPILE：=arm-none-linux-gnueabi-KSRC=/home/linux--devkit8500endif③make，生成該無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)8192cu.ko。然后加載該驅(qū)動(dòng)，再通過命令ifconfigwlan0up，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)口的根本配置信息。3.2.2A將無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(diǎn)模式，并利用該模式建立一個(gè)無線局域網(wǎng)。hostapd在Linux系統(tǒng)中的移植過程如下：①下載并解壓hostapd_0.8_rtw_20230803.zip。②進(jìn)入主目錄，修改Makefile，指定交叉編譯器：CC=arm-none-linux-gnueabi-gcc③make。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)置該無線網(wǎng)卡的效勞集標(biāo)識(shí)〔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hostapdrtl_hostapd.conf-B，完成該無線網(wǎng)卡的工作模式的切換。DHCP配置在無線網(wǎng)卡的AP模式切換完成之后，需要通過DH-CP協(xié)議配置該無線局域網(wǎng)的動(dòng)態(tài)地址池及其網(wǎng)關(guān)，該無線局域網(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：interfacewlan0optdns.4optlease864000然后在Linux系統(tǒng)中執(zhí)行udhcp-fSdhcp.conf，啟動(dòng)DHCP協(xié)議。之后該無線網(wǎng)卡會(huì)建立一個(gè)無線局域網(wǎng)，并給接入到此無線局域網(wǎng)中的智能終端等設(shè)備自動(dòng)分配一3.3iptables連通在實(shí)現(xiàn)3G/4G網(wǎng)絡(luò)的接人和無線局域網(wǎng)的組建之后，該路由器采用Linux系統(tǒng)中的IP信息報(bào)過濾系統(tǒng)，即iptables，將3G/4G網(wǎng)絡(luò)和組建好的無線局域網(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)包過濾框架的支持，需要重新配置內(nèi)核，選中內(nèi)核中NetworkingSupport→Networkingoptions→Networkpacketfilteringframework，將其框架編譯進(jìn)Linux內(nèi)核，然后需要對iptables進(jìn)行移植，其移植過程如下：①下載并解壓iptablesj..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--devkit85O0③make并makeinstall。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)那么，該路由器進(jìn)入3G/4G網(wǎng)絡(luò)的接口為無線上網(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-forwar