基于嵌入式Linux系统的3G4G路由器设计

[导读] 3G的接人技术已经从WCDMA/TD- SCDMA/CD-MA2000发展到HSDPA、HSUPA 以及HSPA+ ，并开始由3G 网络向4G网络过渡。

3G的接人技术已经从WCDMA/TD- SCDMA/CD-MA2000发展到HSDPA、HSUPA 以及HSPA+ ，并开始由3G 网络向4G网络过渡。

目前HSDPA的接入带宽可以达到7.2 Mbps，HSPA+ 的接人带宽可以达到21 Mbps，而即将部署的LTE的网络带宽甚至达到了100 Mbps 。

同时，由于接人移动互联网的智能终端的数量快速增长，人们对移动互联网的应用需求也日益增长。

当人们面对几十兆带宽甚至是上百兆带宽时，必定存在带宽的过剩问题，即人们不需要在任何时刻都需要这么大的带宽，因而可以将过剩的用户带宽分配给更多的用户。

目前，WiFi技术能够支持IEEE的802.11b、802.11g和802.1ln标准，分别支持10 Mbps、54 Mbps和300 Mbps的无线传输速率。

而在传输距离上，WiFi能够在几米到100m范围内实现完全覆盖。

本文正是基于3G/4G 不断增长的接入带宽以及WiFi技术的各项优点，提出了一种共享3G/4G 网络带宽的无线路由器设计方案。

该方案首先利用嵌入式Linux系统，构建一个基于WiFi技术的无线局域网，智能终端等用户可以利用自带的WiFi功能接入该无线局域网，然后再将该无线局域网桥接至3G/4G网络中，从而实现各个智能终端设备对3G/4G网络带宽的共享。

1. 3G/4G路由器设计方案
本路由器的设计是基于三个模块来实现的，分别为3G模块、WiFi模块和Linux硬件平台，如图1所示。

3G模块的功能是利用运营商的无线数据卡进行PPP拨号，使得路由器能通过运营商网络连接至互联网。

WiFi模块的功能是使得无线网卡工作在AP（Access Point）模式，并配置动态主机配置协议的脚本文件，来建立一个2.4 GHz的WiFi无线局域网。

Linux硬件平台模块的功能主要有两个方面，一方面要支持无线网卡和无线数据卡的驱动，另一方面要通过嵌入式Linux系统中的iptables数据包过滤系统将无线局域网和3G/4G网络连通。

智能终端等设备通过WiFi信道接人到该路由器所提供的无线局域网中，分配到一个IP地址之后，则通过该无线局域网的网关进行数据包的接收和发送，而该网关则通过3G/4G模块上的网络拨号接口来接收和发送数据包至3G/4G 网络，从而实现了该路由器的设计方案。

图1 3G/4G路由器设计方案图
2. 3G/4G路由器硬件结构
根据3G/4G路由器设计方案，其硬件结构的三大模块分别采用深圳天谟公司生产的Devkit8500D评估板、华为公司的E392型无线上网卡和TP-Link公司的TL-WN821N型无线网卡。

Devkit8500D评估板的基本结构如图2所示。

该硬件平台采用的是TI公司的DM3730微处理器。

图2 终端硬件结构图
E392型无线上网卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片组，同时支持TD-SCDMA/WCDMA 的3G 网络标准和LTE-TDD/FDD 的4G 网络标准。

目前，利用3G网络中已经部署升级的HSPA+技术，下行峰值速率可以达到21 Mbps，上行峰值速率可以达到5.76 Mbps;部分地区采用64QAM 调制技术和MIMO技术对HsPA+进行再次升级，下行峰值速率可以达到42 Mbps左右;而即将部署的4G网络，下行峰值速率可以达到i00 Mbps，上行峰值速率可以达到50 Mbps。

TL-WN821N 型无线网卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片设计的，采用MIMO技术和空频道检测技术，支持802.11n/b/g，性能稳定且能够提供最大300 Mbps的无线传输速率，完全满足智能终端等设备的带宽需求
3. 3G/4G路由器关键技术
3G/4G路由器是指利用WiFi的2.4GHz频段，组建一个无线局域网，并配置无线局域网的基本信息，通过Linux系统的 iptables将无线局域网接人到3G/4G网络中。

其关键技术具体分为3G/4G 网络的接入、无线局域网的组建以及iptables的连通三个部分。

3.1 3G/4G网络的接入
该无线路由器利用E392型多模无线上网卡在嵌入式Linux系统中进行PPP拨号，分别接入到TD-SCDMA，WCDMA以及TD-LTE实验网中。

其具体实现流程如图3所示。

图3 3G/4G网络接入流程图
3.1.1 多模无线上网卡驱动加载
当一个新的USB设备接入到Linux主机中，主机首先会通过控制端点读入此设备的配置，接口和端点等信息，利用控制管道完成控制型传输，然后主机再对该设备进行枚举。

枚举即读取该设备的许多重要信息，其中最重要的是读取该设备的生产商识别码（VID）以及产品识别码（PID），将这两个识别码分别与USB内核中意存在的各个识别码进行匹配。

若匹配成功，即的利用Linux系统的USB内核成功实现了该设备的USB驱动的加载。

本设计方案中采用的嵌入式Linux系统的内核版本号为2.6.32，该内核中与USB设备的VID和PID号相关的源码存在
kernel/drivers/usb/serial/option.c中，修改该文件并添加本终端设计方案中所采用的华为E392无线上网卡的VID和PID，过程如下：# 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系统内核中的Devices driver→usb support→usb Serial Converter Support选项，使得Linux系统内核支持USB串口转换，然后选择按模块重新编译内核，生成option.ko和usbserial.ko 驱动文件。

最后加载这两个驱动文件并插上该多模无线上网卡，完成驱动加载。

3.1.2 终端模式转换
在3.1.1节中实现的是USB设备的加载，即Linux系统识别出无线上网卡为USB设备并能与之通信。

而一般 USB无线上网卡设备都具有两个USB子设备模式，即usb-storage子设备模式和modern子设备模式。

此时 Linux系统默认会将该设备识别为usb-storage子设备模式，需要通过USB设备的模式转换工具usb- modeswitch将USB设备的工作模式转换为modem模式，这样才能使得无线上网卡能够正常工作。

首先需要将usb- modeswitch工具移植至开发板，移植过程如下：
①下载并解压usb-modeswitch一1.2.5.tar.bz2。

②进入usb-modeswitch目录，修改Makefile，指定交叉编译器：
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
③ make。

将生成的usb_modeswitch二进制执行文件拷人Linux系统中，并修改usb_modeswitch目录下usb_mode- switch.conf配置文件，在该文件末添加该无线上网卡的VID设备号和其usb-storage子设备PID设备号，然后指定其modern子设备号。

具体配置信息如下：Default Vendor = 12D1
Default Product = 1446
Target Vendor = 12D1
Target Product = 1506
CheckSuccess = 20
HuaweiMode = O
通过命令usb_modeswitch - W - c usb_modeswitch.conf对无线上网卡进行USB设备的模式转换，转换成功后无线上网卡即工作在调制解调器模式下，同时可通过命令 ls/dev可以查看到Linux系统生成4个虚拟USB转串口设备，即ttyUSB0，ttyUSB1，ttyUSB2和ttyUSB3，可以通过这几个串口进行PPP拨号，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE实验网中。

3.2 无线局域网的组建
该无线路由器利用无线网卡在嵌入式Linux系统中组建一个小型的无线局域网，一方面提供给智能终端等设备接入，另一方面将无线局域网接入至3G/4G 网络。

其基本流程如图4所示。

图4 无线局域网组建流程图
3.2.1 无线网卡驱动加载
TL-WN821N 型无线网卡采用的WLAN芯片组为Realtek公司的提供的RTI 8192cu芯片，Realtek公司提供了基于Linux系统的该芯片组驱动源码，根据编译环境及Linux内核对驱动源码进行编译，即可生成该无线USB网卡的驱动。

具体步骤如下：
①下载驱动源码rtl8188c 8192c usb linux - v3.4.4- 4749.2.121105.tar.gz，并解压。

②进入到驱动源码包中，修改Makefile文件，指定编译环境及Linux内核：
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
③ make，生成该无线网卡的驱动8192cu.ko。

然后加载该驱动，再通过命令ifconfig wlan0 up，将无线网卡的网口wlan0挂载至Linux系统中，可通过ifconfig命令查看该网口的基本配置信息。

3.2.2 AP模式转换
将无线网卡驱动加载成功之后，该无线网卡的默认工作模式为工作站模式，即作为客户端搜索周围的无线接人点，以接人到其他的无线局域网中，而 3G/4G路由器需要利用无线网卡的模式转换工具hostapd将该网卡的工作模式由工作站模式切换为AP模式，也称接入点模式，并利用该模式建立一个无线局域网。

hostapd在Linux系统中的移植过程如下：
①下载并解压hostapd_0.8_rtw_20120803.zip。

②进入主目录，修改Makefile，指定交叉编译器：
CC = arm-none-linux-gnueabi-gcc
生成hostapd、hostapd_cli，将这两个二进制文件和rtl_hostapd.conf复制到嵌入式Linux系统中。

在 rtl_hostapd.conf配置文件中，可以设置该无线网卡的服务集标识（SSID）、支持的802.11协议版本、工作频率、无线信道以及加密的方式等一系列该无线局域网的配置信息。

通过执行命令hostapd rtl_hostapd.conf-B，完成该无线网卡的工作模式的切换。

3.2.3 DHCP配置
在无线网卡的AP模式切换完成之后，需要通过DH-CP协议配置该无线局域网的动态地址池及其网关，该无线局域网会根据DHCP协议从配置的地址池中，自动给接入到该无线局域网的智能终端等设备分配一个IP地址。

其DHCP协议的配置文件dhcp.conf具体如下：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系统中执行udhcp-fS dhcp.conf，启动DHCP协议。

之后该无线网卡会建立一个无线局域网，并给接入到此无线局域网中的智能终端等设备自动分配一3.3 iptables连通
在实现3G/4G 网络的接人和无线局域网的组建之后，该路由器采用Linux系统中的IP信息报过滤系统，即iptables，将3G/4G网络和组建好的无线局域网连通。

iptables系统需要Linux系统内核中的网络数据包过滤框架的支持，需要重新配置内核，选中内核中Networking Support →Networking options → Network packet filtering framework，将其框架编译进Linux内核，然后需要对iptables进行移植，其移植过程如下：
①下载并解压iptablesj.4.3.1.tar.gz。

②进入主目录，配置编译选项：。

/configure-prefix=/usr/local/iptables--host = arm-none-linux-gnueabi--with-curnel=/home/SD_tools/linux-2.6.32-devkit85O0
③ make并make install。

将生成的iptahles二进制执行文件复制到Linux系统中，并编写iptables系统的运行脚本文件net-share，该运行脚本文件配置了IP数据包的流向、进入网络的接口等一系列规则，该路由器进入3G/4G 网络的接口为无线上网卡进行拨号后产生的pppO网络接口，其内容如下：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系统中执行脚本文件。

/net-share，即完成了无线局域网至3G/4G网络的连通，从而实现了3G/4G路由器的设计。

在嵌人式Linux系统中完成了3G/4G路由器的设计功能之后，利用智能终端等设备对该无线路由器进行功能测试。

该路由器的工作环境如图5所示，分别使用该无线路由器上的无线上网卡接人到TD-SCDMA、WCDMA和TD-LTE实验网中，然后再使用智能终端等设备自带的WiFi功能接人到该路由器所组建的无线局域网中。

经实际测试，在TD-SCDMA网中，单个智能终端设备的最高下行速率可以达到2.45 Mbps;在WCDMA网中，单个智能终端设备的最高下行速率可以达到7.02 Mbps;而在TD-LTE实验网中，单个智能终端设备的最高下行速率可以达到85.97 Mbps。

5 结语
本文基于嵌入式Linux系统设计并实现了3G/4G路由器，经实际测试，该路由器工作稳定，系统可靠性高，可以实现对3G/4G网络带宽的共享，而且随着3G/4G技术的不断发展，所提供的带宽也会越来越大，因此该路由器必将有着广阔的应用市场。