基于嵌入式Linux系統的3G/4G路由器設計

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的接入帶寬可以達到7.2 Mbps，HSPA+ 的接人帶寬可以達到21 Mbps，而即將部署的LTE的網(wǎng)絡(luò )帶寬甚至達到了100 Mbps 。同時(shí)，由于接人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) 的智能終端的數量快速增長(cháng)，人們對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應用需求也日益增長(cháng)。當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(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(hù)帶寬分配給更多的用戶(hù)。

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

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

1. 3G/4G路由器設計方案

本路由器的設計是基于三個(gè)模塊來(lái)實(shí)現的，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(yíng)商的無(wú)線(xiàn)數據卡進(jìn)行PPP撥號，使得路由器能通過(guò)運營(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(xiàn)網(wǎng)卡工作在A(yíng)P(Access Point)模式，并配置動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議的腳本文件，來(lái)建立一個(gè)2.4 GHz的WiFi無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。Linux硬件平臺模塊的功能主要有兩個(gè)方面，一方面要支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和無(wú)線(xiàn)數據卡的驅動(dòng)，另一方面要通過(guò)嵌入式Linux系統中的iptables數據包過(guò)濾系統將無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和3G/4G網(wǎng)絡(luò )連通。智能終端等設備通過(guò)WiFi信道接人到該路由器所提供的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中，分配到一個(gè)IP地址之后，則通過(guò)該無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據包的接收和發(fā)送，而該網(wǎng)關(guān)則通過(guò)3G/4G模塊上的網(wǎng)絡(luò )撥號接口來(lái)接收和發(fā)送數據包至3G/4G 網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現了該路由器的設計方案。

圖1 3G/4G路由器設計方案圖

2. 3G/4G路由器硬件結構

根據3G/4G路由器設計方案，其硬件結構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(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡和TP-Link公司的TL-WN821N型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。

Devkit8500D評估板的基本結構如圖2所示。該硬件平臺采用的是TI公司的DM3730微處理器。

圖2 終端硬件結構圖

E392型無(wú)線(xiàn)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 )標準和LTE-TDD/FDD 的4G 網(wǎng)絡(luò )標準。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到21 Mbps，上行峰值速率可以達到5.76 Mbps;部分地區采用64QAM 調制技術(shù)和MIMO技術(shù)對HsPA+進(jìn)行再次升級，下行峰值速率可以達到42 Mbps左右;而即將部署的4G網(wǎng)絡(luò )，下行峰值速率可以達到i00 Mbps，上行峰值速率可以達到50 Mbps。

TL-WN821N 型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設計的，采用MIMO技術(shù)和空頻道檢測技術(shù)，支持802.11n/b/g，性能穩定且能夠提供最大300 Mbps的無(wú)線(xiàn)傳輸速率，完全滿(mǎn)足智能終端等設備的帶寬需求。

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(xiàn)局域網(wǎng)，并配置無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的基本信息，通過(guò)Linux系統的 iptables將無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路由器利用E392型多模無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統中進(jìn)行PPP撥號，分別接入到TD-SCDMA，WCDMA以及TD-LTE實(shí)驗網(wǎng)中。其具體實(shí)現流程如圖3所示。

圖3 3G/4G網(wǎng)絡(luò )接入流程圖

3.1.1 多模無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡驅動(dòng)加載

當一個(gè)新的USB設備接入到Linux主機中，主機首先會(huì )通過(guò)控制端點(diǎn)讀入此設備的配置，接口和端點(diǎn)等信息，利用控制管道完成控制型傳輸，然后主機再對該設備進(jìn)行枚舉。枚舉即讀取該 設備的許多重要信息，其中最重要的是讀取該設備的生產(chǎn)商識別碼(VID)以及產(chǎn)品識別碼(PID)，將這兩個(gè)識別碼分別與USB內核中意存在的各個(gè)識別碼進(jìn)行匹配。若匹配成功，即的利用Linux系統的USB內核成功實(shí)現了 該設備的USB驅動(dòng)的加載。

本設計方案中采用的嵌入式Linux系統的內核版本號為2.6.32，該內核中與USB設備的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 終端設計方案中所采用的華為E392無(wú)線(xiàn)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系統內核中的Devices driver→usb support→usb Serial Converter Support選項，使得Linux系統內核支持USB串口轉換，然后選擇按模塊重新編譯內核，生成option.ko和usbserial.ko 驅動(dòng)文件。最后加載這兩個(gè)驅動(dòng)文件并插上該多模無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡，完成驅動(dòng)加載。

3.1.2 終端模式轉換

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