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基于嵌入式Linux系統的3G/4G路由器的設計方案

供稿:中國工控網 2016/11/18 15:38:41

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  • 關鍵詞: Linux系統 嵌入式 3G/4G路由器
  • 摘要:本文正是基于3G/4G 不斷增長的接入帶寬以及WiFi技術的各項優點,提出了一種共享3G/4G 網絡帶寬的無線路由器設計方案。該方案首先利用嵌入式Linux系統,構建一個基于WiFi技術的無線局域網,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,然后再將該無線局域網橋接至3G/4G網絡中,從而實現各個智能終端設備對3G/4G網絡帶寬的共享。

  3G的接人技術已經從WCDMA/TD- SCDMA/CD-MA2000發展到HSDPA、HSUPA 以及HSPA+ ,并開始由3G網絡向4G網絡過渡。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21Mbps,而即將部署的LTE的網絡帶寬甚至達到了100Mbps 。同時,由于接人移動互聯網的智能終端的數量快速增長,人們對移動互聯網的應用需求也日益增長。當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的無線傳輸速率。而在傳輸距離上,WiFi能夠在幾米到100m范圍內實現完全覆蓋。

  本文正是基于3G/4G 不斷增長的接入帶寬以及WiFi技術的各項優點,提出了一種共享3G/4G  網絡帶寬的無線路由器設計方案。該方案首先利用嵌入式Linux系統,構建一個基于WiFi技術的無線局域網,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,然后再將該無線局域網橋接至3G/4G網絡中,從而實現各個智能終端設備對3G/4G網絡帶寬的共享。

1. 3G/4G路由器設計方案

  本路由器的設計是基于三個模塊來實現的,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商的無線數據卡進行PPP撥號,使得路由器能通過運營商網絡連接至互聯網。WiFi模塊的功能是使得無線網卡工作在AP(Access Point)模式,并配置動態主機配置協議的腳本文件,來建立一個2.4  GHz的WiFi無線局域網。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卡和無線數據卡的驅動,另一方面要通過嵌入式Linux系統中的iptables數據包過濾系統將無線局域網和3G/4G網絡連通。智能終端等設備通過WiFi信道接人到該路由器所提供的無線局域網中,分配到一個IP地址之后,則通過該無線局域網的網關進行數據包的接收和發送,而該網關則通過3G/4G模塊上的網絡撥號接口來接收和發送數據包至3G/4G  網絡,從而實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的Devkit8500D評估板、華為公司的E392型無線上網卡和TP-Link公司的TL-WN821N型無線網卡。

  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型無線上網卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片組,同時支持TD-SCDMA/WCDMA 的3G 網絡標準和LTE-TDD/FDD 的4G  網絡標準。目前,利用3G網絡中已經部署升級的HSPA+技術,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調制技術和MIMO技術對HsPA+進行再次升級,下行峰值速率可以達到42 Mbps左右;而即將部署的4G網絡,下行峰值速率可以達到i00Mbps,上行峰值速率可以達到50 Mbps。TL-WN821N 型無線網卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設計的,采用MIMO技術和空頻道檢測技術,支持802.11n/b/g,性能穩定且能夠提供最大300  Mbps的無線傳輸速率,完全滿足智能終端等設備的帶寬需求。

3. 3G/4G路由器關鍵技術

  3G/4G路由器是指利用WiFi的2.4GHz頻段,組建一個無線局域網,并配置無線局域網的基本信息,通過Linux系統的iptables將無線局域網接人到3G/4G網絡中。其關鍵技術具體分為3G/4G網絡的接入、無線局域網的組建以及iptables的連通三個部分。

3.1 3G/4G網絡的接入

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

圖3 3G/4G網絡接入流程圖

3.1.1 多模無線上網卡驅動加載

  當一個新的USB設備接入到Linux主機中,主機首先會通過控制端點讀入此設備的配置,接口和端點等信息,利用控制管道完成控制型傳輸,然后主機再對該設備進行枚舉。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商識別碼(VID)以及產品識別碼(PID),將這兩個識別碼分別與USB內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系統的USB內核成功實現了  該設備的USB驅動的加載。

  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無線上網卡的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  驅動文件。最后加載這兩個驅動文件并插上該多模無線上網卡,完成驅動加載。

3.1.2 終端模式轉換

  在3.1.1節中實現的是USB設備的加載,即Linux系統識別出無線上網卡為USB設備并能與之通信。而一般  USB無線上網卡設備都具有兩個USB子設備模式,即usb-storage子設備模式和modern子設備模式。此時  Linux系統默認會將該設備識別為usb-storage子設備模式,需要通過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,這樣才能使得無線上網卡能夠正常工作。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201609/304513.htm

首先需要將usb- modeswitch工具移植至開發板,移植過程如下:

① 下載并解壓usb-modeswitch一1.2.5.tar.bz2。

② 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

③ make。

將生成的usb_modeswitch二進制執行文件拷人Linux系統中,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卡的VID設備號和其usb-storage子設備PID設備號,然后指定其modern子設備號。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對無線上網卡進行USB設備的模式轉換,轉換成功后無線上網卡即工作在調制解調器模式下,同時可通過命令  ls/dev可以查看到Linux系統生成4個虛擬USB轉串口設備,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實驗網中。

3.2 無線局域網的組建

  該無線路由器利用無線網卡在嵌入式Linux系統中組建一個小型的無線局域網,一方面提供給智能終端等設備接入,另一方面將無線局域網接入至3G/4G  網絡。其基本流程如圖4所示。

圖4 無線局域網組建流程圖

3.2.1 無線網卡驅動加載

  TL-WN821N 型無線網卡采用的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系統的該芯片組驅動源碼,根據  編譯環境及Linux內核對驅動源碼進行編譯,即可生成該無線USB網卡的驅動。具體步驟如下:

① 下載驅動源碼rtl8188c 8192c usb linux - v3.4.4- 4749.2.121105.tar.gz,并解壓。

② 進入到驅動源碼包中,修改Makefile文件,指定編譯環境及Linux內核:

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,生成該無線網卡的驅動8192cu.ko。

然后加載該驅動,再通過命令ifconfig wlan0  up,將無線網卡的網口wlan0掛載至Linux系統中,可通過ifconfig命令查看該網口的基本配置信息。

3.2.2 AP模式轉換

  將無線網卡驅動加載成功之后,該無線網卡的默認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中,而  3G/4G路由器需要利用無線網卡的模式轉換工具hostapd將該網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。hostapd在Linux系統中的移植過程如下:

① 下載并解壓hostapd_0.8_rtw_20120803.zip。

② 進入主目錄,修改Makefile,指定交叉編譯器:

CC = arm-none-linux-gnueabi-gcc

③ make。

  生成hostapd、hostapd_cli,將這兩個二進制文件和rtl_hostapd.conf復制到嵌入式Linux系統中。在  rtl_hostapd.conf配置文件中,可以設置該無線網卡的服務集標識(SSID)、支持的802.11協議版本、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的配置信息。通過執行命令hostapd  rtl_hostapd.conf-B,完成該無線網卡的工作模式的切換。

3.2.3 DHCP配置

  在無線網卡的AP模式切換完成之后,需要通過DH-CP協議配置該無線局域網的動態地址池及其網關,該無線局域網會根據DHCP協議從配置的地址池中,自動給接入到該無線局域網的智能終端等設備分配一個IP地址。其DHCP協議的配置文件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系統中執行udhcp-fS  dhcp.conf,啟動DHCP協議。之后該無線網卡會建立一個無線局域網,并給接入到此無線局域網中的智能終端等設備自動分配一3.3 iptables連通

  在實現3G/4G  網絡的接人和無線局域網的組建之后,該路由器采用Linux系統中的IP信息報過濾系統,即iptables,將3G/4G網絡和組建好的無線局域網連通。iptables系統需要Linux系統內核中的網絡數據包過濾框架的支持,需要重新配置內核,選中內核中Networking  Support → Networking options → Network packet filtering  framework,將其框架編譯進Linux內核,然后需要對iptables進行移植,其移植過程如下:

① 下載并解壓iptablesj.4.3.1.tar.gz。

② 進入主目錄,配置編譯選項:

。 /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。

將生成的iptahles二進制執行文件復制到Linux系統中,并編寫iptables系統的運行腳本文件net-share,該運行腳本文件配置了IP數據包的流向、進入網絡的接口等一系列規則,該路由器進入3G/4G  網絡的接口為無線上網卡進行撥號后產生的pppO網絡接口,其內容如下:

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

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201609/304513.htm

Linux系統中執行腳本文件。/net-share,即完成了無線局域網至3G/4G網絡的連通,從而實現了3G/4G路由器的設計。

4 實驗結果

  在嵌人式Linux系統中完成了3G/4G路由器的設計功能之后,利用智能終端等設備對該無線路由器進行功能測試。該路由器的工作環境如圖5所示,分別使用該無線路由器上的無線上網卡接人到TD-SCDMA、WCDMA和TD-LTE實驗網中,然后再使用智能終端等設備自帶的WiFi功能接人到該路由器所組建的無線局域網中。經實際測試,在TD-SCDMA網中,單個智能終端設備的最高下行速率可以達到2.45  Mbps;在WCDMA網中,單個智能終端設備的最高下行速率可以達到7.02 Mbps;而在TD-LTE實驗網中,單個智能終端設備的最高下行速率可以達到85.97  Mbps。

5 結語

  本文基于嵌入式Linux系統設計并實現了3G/4G路由器,經實際測試,該路由器工作穩定,系統可靠性高,可以實現對3G/4G網絡帶寬的共享,而且隨著3G/4G技術的不斷發展,所提供的帶寬也會越來越大,因此該路由器必將有著廣闊的應用市場。

審核編輯(王靜)
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