嵌入式Linux系统的3G／4G路由器设计＊

2014-03-20黄小敏余翔宋瑶

单片机与嵌入式系统应用 2014年4期

黄小敏，余翔，宋瑶

（重庆邮电大学，重庆400065）

引言

3G的接入技术已经从WCDMA／TD－SCDMA／CDMA2000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7.2Mbps，HSPA＋的接入带宽可以达到21Mbps，而即将部署的LTE的网络带宽甚至达到了100Mbps［1］。同时，由于接入移动互联网［2］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802.11n标准，分别支持10Mbps、54Mbps和300Mbps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［3］，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］

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2.4GHz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信道接入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TLWN821N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21Mbps，上行峰值速率可以达到5.76Mbps；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42Mbps左右；而即将部署的4G网络，下行峰值速率可以达到100Mbps，上行峰值速率可以达到50Mbps［5］。

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300Mbps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将无线局域网接入到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

图3 3G／4G网接入流程图

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TDLTE实验网中。其具体实现流程如图3所示。

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内核中已存在的各个识别码进行匹配。若匹配成功，即利用Linux系统的USB内核成功实现了该设备的USB驱动的加载［6－7］。

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＿VEN

DOR＿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，完成驱动的加载。

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－storge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－1.2.5.tar.bz2。

②进入usb＿modeswitch目录，修改Makefile，指定交叉编译器:

③make。

将生成的usb＿modeswitch二进制执行文件拷入Linux系统中，并修改usb＿modeswitch目录下usb＿modeswitch.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:

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。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:

③make，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 wlan0up，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入点，以接入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:

③make。

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

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RTL8192cu芯片，Realtek公司提在无线网卡的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:

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个IP地址。

3.3 iptables连通

在实现3G／4G网络的接入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iptables＿1.4.3.1.tar.gz。

②进入主目录，配置编译选项:

③make并make install。

将生成的iptables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ppp0网络接口，其内容如下:

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。

4 实验结果

图5 3G／4G路由器运行状态图

在嵌入式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入到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功能接入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2.45Mbps；在WCDMA网中，单个智能终端设备的最高下行速率可以达到7.02Mbps；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85.97Mbps。