基于嵌入式Linux系統(tǒng)的3G/4G路由器設(shè)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(yùn)營商的無線數(shù)據(jù)卡進(jìn)行PPP撥號，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(Access Point)模式，并配置動態(tài)主機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)中，主機(jī)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(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(jìn)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。

3.1.2 終端模式轉(zhuǎn)換

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。