嵌入式Linux系統的3G／4G路由器設計＊

黃小敏，余翔，宋瑤

（重慶郵電大學，重慶400065）

引 言

3G的接入技術已經從WCDMA／TD－SCDMA／CDMA2000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7.2Mbps，HSPA＋的接入帶寬可以達到21Mbps，而即將部署的LTE的網絡帶寬甚至達到了100Mbps［1］。同時，由于接入移動互聯網［2］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802.11n標準，分別支持10Mbps、54Mbps和300Mbps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［3］，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］

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2.4GHz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信道接入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TLWN821N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21Mbps，上行峰值速率可以達到5.76Mbps；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42Mbps左右；而即將部署的4G網絡，下行峰值速率可以達到100Mbps，上行峰值速率可以達到50Mbps［5］。

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300Mbps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將無線局域網接入到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

圖3 3G／4G網接入流程圖

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TDLTE實驗網中。其具體實現流程如圖3所示。

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內核中已存在的各個識別碼進行匹配。若匹配成功，即利用Linux系統的USB內核成功實現了該設備的USB驅動的加載［6－7］。

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＿VEN

DOR＿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，完成驅動的加載。

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－storge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。

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－1.2.5.tar.bz2。

②進入usb＿modeswitch目錄，修改Makefile，指定交叉編譯器:

③make。

將生成的usb＿modeswitch二進制執行文件拷入Linux系統中，并修改usb＿modeswitch目錄下usb＿modeswitch.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:

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。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:

③make，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 wlan0up，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入點，以接入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:

③make。

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

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RTL8192cu芯片，Realtek公司提在無線網卡的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:

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個IP地址。

3.3 iptables連通

在實現3G／4G網絡的接入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iptables＿1.4.3.1.tar.gz。

②進入主目錄，配置編譯選項:

③make并make install。

將生成的iptables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ppp0網絡接口，其內容如下:

在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

圖5 3G／4G路由器運行狀態圖

在嵌入式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入到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功能接入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2.45Mbps；在WCDMA網中，單個智能終端設備的最高下行速率可以達到7.02Mbps；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85.97Mbps。

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。

［1］王映民，孫韶輝.TD－LTE技術原理與系統設計［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］崔勇，張鵬，吳建平.無線移動互聯網:原理、技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［3］劉乃安.無線局域網（WLAN）——原理、技術與應用［M］.西安:西安電子科學大學出版社，2004.

［4］Texas Instruments.TI Application Report（SPRS283D）.TMS320DM6446Digital Media System－on－Chip，2005.

［5］Hard Holma，Antti Toskala.UMTS中的WCDMA－HSPA演進及LTE［M］.楊大成，譯.4版.北京:機械工業出版社，2012.

［6］宋寶華.Linux設備驅動開發詳解［M］.2版.北京:人民郵電出版社，2010.

［7］Corbet J，Rubini A，Kroah－hartman G.Linux device drivers［M］.Cambridge:O’Reilly Media，2006.