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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(shí)驗(yàn)網(wǎng)中。其具體實(shí)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(diǎn)讀入此設(shè)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(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(shí)現(xiàn)了 該設(shè)備的USB驅(qū)動的加載。
本設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng)，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(shí)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(shí) 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。
首先需要將usb- modeswitch工具移植至開發(fā)板，移植過程如下：
?、?下載并解壓usb-modeswitch一1.2.5.tar.bz2。
?、?進(jìn)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 $（PROG）&（OBJS）
& （CFLAGS）… 。 - I/home/libusb- 0.1.12/instal1/inc1ude
&（LIB） … 。 - L/home/libusb- 0.1.12/install/lib
③ make。
將生成的usb_modeswitch二進(jìn)制執(zhí)行文件拷人Linux系統(tǒng)中，并修改usb_modeswitch目錄下usb_mode- switch.conf配置文件，在該文件末添加該無線上網(wǎng)卡的VID設(shè)備號和其usb-storage子設(shè)備PID設(shè)備號，然后指定其modern子設(shè)備號。具體配置信息如下：
Default Vendor = 12D1
Default Product = 1446
Target Vendor = 12D1
Target Product = 1506
CheckSuccess = 20
HuaweiMode = O
通過命令usb_modeswitch - W - c usb_modeswitch.conf對無線上網(wǎng)卡進(jìn)行USB設(shè)備的模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后無線上網(wǎng)卡即工作在調(diào)制解調(diào)器模式下，同時(shí)可通過命令 ls/dev可以查看到Linux系統(tǒng)生成4個虛擬USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備，即ttyUSB0，ttyUSB1，ttyUSB2和ttyUSB3，可以通過這幾個串口進(jìn)行PPP撥號，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中。
3.2 無線局域網(wǎng)的組建
該無線路由器利用無線網(wǎng)卡在嵌入式Linux系統(tǒng)中組建一個小型的無線局域網(wǎng)，一方面提供給智能終端等設(shè)備接入，另一方面將無線局域網(wǎng)接入至3G/4G 網(wǎng)絡(luò)。其基本流程如圖4所示。
圖4 無線局域網(wǎng)組建流程圖
3.2.1 無線網(wǎng)卡驅(qū)動加載
TL-WN821N 型無線網(wǎng)卡采用的WLAN芯片組為Realtek公司的提供的RTI 8192cu芯片，Realtek公司提供了基于Linux系統(tǒng)的該芯片組驅(qū)動源碼，根據(jù) 編譯環(huán)境及Linux內(nèi)核對驅(qū)動源碼進(jìn)行編譯，即可生成該無線USB網(wǎng)卡的驅(qū)動。具體步驟如下：
?、?下載驅(qū)動源碼rtl8188c 8192c usb linux - v3.4.4- 4749.2.121105.tar.gz，并解壓。
② 進(jìn)入到驅(qū)動源碼包中，修改Makefile文件，指定編譯環(huán)境及Linux內(nèi)核：
CONFIG_PLATFORM_NEW = y
ifeq（$（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(wǎng)卡的驅(qū)動8192cu.ko。
然后加載該驅(qū)動，再通過命令ifconfig wlan0 up，將無線網(wǎng)卡的網(wǎng)口wlan0掛載至Linux系統(tǒng)中，可通過ifconfig命令查看該網(wǎng)口的基本配置信息。
3.2.2 AP模式轉(zhuǎn)換
將無線網(wǎng)卡驅(qū)動加載成功之后，該無線網(wǎng)卡的默認(rèn)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(diǎn)，以接人到其他的無線局域網(wǎng)中，而 3G/4G路由器需要利用無線網(wǎng)卡的模式轉(zhuǎn)換工具h(yuǎn)ostapd將該網(wǎng)卡的工作模式由工作站模式切換為AP模式，也稱接入點(diǎn)模式，并利用該模式建立一個無線局域網(wǎng)。hostapd在Linux系統(tǒng)中的移植過程如下：
① 下載并解壓hostapd_0.8_rtw_20120803.zip。
② 進(jìn)入主目錄，修改Makefile，指定交叉編譯器：
CC = arm-none-linux-gnueabi-gcc
?、?make。
生成hostapd、hostapd_cli，將這兩個二進(jìn)制文件和rtl_hostapd.conf復(fù)制到嵌入式Linux系統(tǒng)中。在 rtl_hostapd.conf配置文件中，可以設(shè)置該無線網(wǎng)卡的服務(wù)集標(biāo)識（SSID）、支持的802.11協(xié)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(wǎng)的配置信息。通過執(zhí)行命令hostapd rtl_hostapd.conf-B，完成該無線網(wǎng)卡的工作模式的切換。
3.2.3 DHCP配置
在無線網(wǎng)卡的AP模式切換完成之后，需要通過DH-CP協(xié)議配置該無線局域網(wǎng)的動態(tài)地址池及其網(wǎng)關(guān)，該無線局域網(wǎng)會根據(jù)DHCP協(xié)議從配置的地址池中，自動給接入到該無線局域網(wǎng)的智能終端等設(shè)備分配一個IP地址。其DHCP協(xié)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(tǒng)中執(zhí)行udhcp-fS dhcp.conf，啟動DHCP協(xié)議。之后該無線網(wǎng)卡會建立一個無線局域網(wǎng)，并給接入到此無線局域網(wǎng)中的智能終端等設(shè)備自動分配一3.3 iptables連通
在實(shí)現(xiàn)3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的接人和無線局域網(wǎng)的組建之后，該路由器采用Linux系統(tǒng)中的IP信息報(bào)過濾系統(tǒng)，即iptables，將3G/4G網(wǎng)絡(luò)和組建好的無線局域網(wǎng)連通。iptables系統(tǒng)需要Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾框架的支持，需要重新配置內(nèi)核，選中內(nèi)核中Networking Support → Networking options → Network packet filtering framework，將其框架編譯進(jìn)Linux內(nèi)核，然后需要對iptables進(jìn)行移植，其移植過程如下：
① 下載并解壓iptablesj.4.3.1.tar.gz。
?、?進(jìn)入主目錄，配置編譯選項(xiàng)：
。 /configure-prefix=/usr/local/iptables--host = arm-none-linux-gnueabi--with-curnel=/home/SD_tools/linux-2.6.32-devkit85O0
?、?make并make install。
將生成的iptahles二進(jìn)制執(zhí)行文件復(fù)制到Linux系統(tǒng)中，并編寫iptables系統(tǒng)的運(yùn)行腳本文件net-share，該運(yùn)行腳本文件配置了IP數(shù)據(jù)包的流向、進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的接口等一系列規(guī)則，該路由器進(jìn)入3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的接口為無線上網(wǎng)卡進(jìn)行撥號后產(chǎn)生的pppO網(wǎng)絡(luò)接口，其內(nèi)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
在Linux系統(tǒng)中執(zhí)行腳本文件。/net-share，即完成了無線局域網(wǎng)至3G/4G網(wǎng)絡(luò)的連通，從而實(shí)現(xiàn)了3G/4G路由器的設(shè)計(jì)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在嵌人式Linux系統(tǒng)中完成了3G/4G路由器的設(shè)計(jì)功能之后，利用智能終端等設(shè)備對該無線路由器進(jìn)行功能測試。該路由器的工作環(huán)境如圖5所示，分別使用該無線路由器上的無線上網(wǎng)卡接人到TD-SCDMA、WCDMA和TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，然后再使用智能終端等設(shè)備自帶的WiFi功能接人到該路由器所組建的無線局域網(wǎng)中。經(jīng)實(shí)際測試，在TD-SCDMA網(wǎng)中，單個智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到2.45 Mbps;在WCDMA網(wǎng)中，單個智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到7.02 Mbps;而在TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，單個智能終端設(shè)備的最高下行速率可以達(dá)到85.97 Mbps。
5 結(jié)語
本文基于嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了3G/4G路由器，經(jīng)實(shí)際測試，該路由器工作穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)對3G/4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的共享，而且隨著3G/4G技術(shù)的不斷發(fā)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(yīng)用市場。
工商網(wǎng)監(jiān)
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