一種基于GPRS/CDMA 1X的無線路由器

引言

無線路由器是一款基于GPRS/CDMA 1X公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)平臺，通過無線接入Internet或VPDN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它能提供可移動(dòng)的、低成本的基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸通道。

無線路由器可廣泛應(yīng)用于金融、保險(xiǎn)、電力、監(jiān)控、交通、氣象、水文監(jiān)測等行業(yè)。利用穩(wěn)定的GPRS/CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)，無線路由器可以代替部分有線以太網(wǎng)路由器、HUB、有線MODEM，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。在公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下，原先采用以太網(wǎng)接口，依靠有線以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的各種終端設(shè)備，如PC機(jī)、工控機(jī)、ATM機(jī)、POS機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等，都可以很方便地通過無線路由器接入到GPRS/CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)中，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1  模擬器工作原理示意圖

與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)接入相比，無線路由器設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·不受線纜的約束，能迅速提供無線TCP/IP服務(wù)。

·具有移動(dòng)性，可以安裝在輪船、火車、汽車等移動(dòng)載體上。

·靈活可變，根據(jù)需要隨時(shí)增減設(shè)備。

無線路由器硬件設(shè)計(jì)

無線路由器由無線通信模塊、以太網(wǎng)接口、嵌入式處理器及存儲器、電源模塊等四部分組成，如圖1所示，它一端通過無線通信模塊經(jīng)天線接入GPRS/CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)，另一端通過以太網(wǎng)接口連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，如PC、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、多媒體終端等，無線路由器相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)之間搭起了一座橋梁。無線通信模塊部分完成接入GPRS/CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)的工作，相當(dāng)于一部可以撥號上網(wǎng)的移動(dòng)調(diào)制解調(diào)器。

無線路由器通過無線通信模塊連接GPRS或CDMA 1X移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)接口連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者內(nèi)部局域網(wǎng)。無線路由器具備網(wǎng)絡(luò)路由功能，能夠在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。各種終端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口被處理器接收，處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后再通過串行口1發(fā)送給無線通信模塊，由它轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)中。同理，從無線網(wǎng)絡(luò)來的反向數(shù)據(jù)經(jīng)過相反的路徑最終送回網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。

無線路由器硬件包括嵌入式處理器、存儲器、無線通信模塊、接口和電源等幾部分，如圖2所示。

圖2  無線路由器硬件設(shè)計(jì)框圖

處理器

無線路由器的嵌入式處理器采用ARM處理器S3C4510B，內(nèi)核為ARM7TDMI，主頻為50MHz，它提供2個(gè)UART串行口、1個(gè)I2C總線控制器、1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和1個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)控制器。

存儲器

FLASH存儲器為1片1M×16位數(shù)據(jù)寬度的HY29LV160，它的容量為16M位(2M字節(jié))，工作電壓為2.7V~3.6V。

SDRAM存儲器為1片16位數(shù)據(jù)寬度的HY57V641620，它的容量為4組×16M位(8M字節(jié))，工作電壓為3.3V。

I2C存儲器為1片AT24C01，它提供了128字節(jié)的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時(shí)需要保存的數(shù)據(jù)。

無線通信模塊

采用Wavecom公司生產(chǎn)的GPRS模塊Q2406B或CDMA 1X模塊Q2358C，嵌入式處理器通過串行口1與無線通信模塊的相連，模塊通過外接天線與公用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的蜂窩小區(qū)基站通信，收發(fā)無線數(shù)據(jù)。

對外接口

路由器對外有三個(gè)接口：一個(gè)SMA座的天線接口，50Ω阻抗；一個(gè)RJ45座的10M以太網(wǎng)口接口，連接各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備；一個(gè)DB9座的RS232串行口，既可以配置成控制臺接口，用來設(shè)置參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，也可配置成串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口數(shù)據(jù)。

電源

考慮到車載電瓶電壓大都為+12V，為了方便連接汽車的點(diǎn)煙器或車載電瓶，無線路由器電源模塊采用直流電源+12輸入，輸出4V、2.8V、3.3V，分別供給無線通信模塊、S3C4510、FLASH等數(shù)字電路部分。

無線路由器的軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)軟件

mClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL(通用公共許可證)公約的項(xiàng)目和完全開放代碼，它是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個(gè)分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護(hù)。它專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌放式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。

無線路由器的操作系統(tǒng)軟件采用mClinux，它是基于Linux內(nèi)核公開源代碼的一種嵌入式操作系統(tǒng)。由于無線路由器的硬件電路是針對此應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，mClinux并不能直接使用，所以重新修改mClinux操作系統(tǒng)軟件中與硬件電路相關(guān)的部分源代碼，使得mClinux操作系統(tǒng)能夠在無線路由器電路板上正常運(yùn)行，針對mClinux進(jìn)行的改動(dòng)主要有：

·ARM S3C4510B和存儲器芯片的初始化程序；

·mClinux內(nèi)核的引導(dǎo)程序bootloader；

·無線路由器各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的配置文件；

·針對ARM S3C4510B處理器，選擇合適的編譯工具和參數(shù)選項(xiàng)，重新編譯整個(gè)操作系統(tǒng)。

無線路由器支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無線路由器支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議示于表1。

表1  無線路由器支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

應(yīng)用軟件

無線路由器的網(wǎng)絡(luò)接口包括有線以太網(wǎng)接口和無線撥號上網(wǎng)接口，無線路由器的作用就是在這兩個(gè)接口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提供靜態(tài)路由功能。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼已經(jīng)內(nèi)嵌在mClinux操作系統(tǒng)中，在內(nèi)核中設(shè)置“IP轉(zhuǎn)發(fā)”和“IP偽裝”就能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)路由功能。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序：PPP應(yīng)用程序和iptables應(yīng)用程序。

PPP應(yīng)用程序

PPP應(yīng)用程序用來通過無線通信模塊撥號登錄GPRS/CDMA 1X移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，登錄過程遵循PPP點(diǎn)到點(diǎn)通信協(xié)議。mClinux操作系統(tǒng)代碼中包含有一個(gè)實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議的程序pppd，但是需要根據(jù)GPRS/CDMA 1X移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信的要求，修改pppd源代碼中的部分配置參數(shù)，如撥號號碼、登錄用戶名、登錄密碼，就能夠得到需要的PPP應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)撥號登錄移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

iptables應(yīng)用程序

iptables軟件包支持?jǐn)?shù)據(jù)處理包偽裝和過濾功能，這種功能被稱為網(wǎng)絡(luò)過濾器(netfilter)。在無線路由器中我們使用了"IP轉(zhuǎn)發(fā)"和"IP偽裝"功能。

“IP轉(zhuǎn)發(fā)”功能 ：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ipforward
　　
　　“IP偽裝”功能：

# iptables  -t  nat  -A  POSTROUTING  -o  ppp0  -j  MASQUERADE

“IP偽裝”的工作原理是：當(dāng)路由器撥號上網(wǎng)后，它擁有的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，它倆分別擁有兩個(gè)IP地址：

a.撥號網(wǎng)絡(luò)接口ppp0是一個(gè)動(dòng)態(tài)的合法公網(wǎng)IP地址，假定為a.b.c.d；

b.以太網(wǎng)口接口eth0是一個(gè)固定的私網(wǎng)的IP地址，假定為192.168.1.1

假如以太網(wǎng)口連接的是一個(gè)局域網(wǎng)192.168.1.x，通常這個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備是不能訪問到公網(wǎng)IP的。局域網(wǎng)終端設(shè)備(假定它的ip地址為192.168.1.22)將無線路由器以太網(wǎng)口的IP地址192.168.1.1設(shè)定為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，當(dāng)無線路由器收到局域網(wǎng)設(shè)備訪問公網(wǎng)的請求數(shù)據(jù)包時(shí)，通過上面的"IP轉(zhuǎn)發(fā)"命令對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，再通過的"IP偽裝"命令對其進(jìn)行改寫，將數(shù)據(jù)包的源地址192.168.1.22替換為自己的合法IP地址a.b.c.d，將源端口號port1換成一個(gè)新的端口號port2，并且對該過程進(jìn)行記錄。

當(dāng)無線路由器收到Internet主機(jī)的響應(yīng)包時(shí)，如果目的端口號正是先前改動(dòng)后的端口號port2，則再對該包進(jìn)行反向改寫，將響應(yīng)包的目的IP(a.b.c.d)及目的端口號(port2)替換為原來記錄的局域網(wǎng)設(shè)備的IP地址192.168.1.22和端口號port1，然后再發(fā)送給局域網(wǎng)設(shè)備。

將私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)化為公網(wǎng)地址，是由存儲在基于iptable的無線路由器上的數(shù)據(jù)庫完成的。無線路由器的iptable軟件維護(hù)這個(gè)數(shù)據(jù)庫，因此它知道如何進(jìn)行“逆轉(zhuǎn)換”，所以從公網(wǎng)返回的數(shù)據(jù)就能正確的送到源訪問設(shè)備。

終端設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)方式

無線路由器對終端設(shè)備提供兩個(gè)接口，分別是以太接口和無線ppp接口。無線路由器中的路由軟件將來自以太口的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)，或者接收來自GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給以太口的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這種由無線路由器的自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)能力提供了以下三種功能：

·網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備只要通過以太網(wǎng)口連接到無線路由器，并將默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置成無線路由器的IP地址，就可以接入到GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備本身的通信軟件無需作任何的改變。

·網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的即插即用

無線路由器內(nèi)置DHCP服務(wù)器。終端設(shè)備只要設(shè)置成自動(dòng)獲取IP地址，通過以太口連接到無線路由器，就可以通過DHCP協(xié)議自動(dòng)獲取動(dòng)態(tài)的IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、DNS等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后可以接入到GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備本身的通信軟件無需作任何的改變，真正做到了即插即用。

·移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)

無線路由器內(nèi)置軟件能自動(dòng)識別路由器硬件配置的無線通信模塊類型，然后采用不同的撥號參數(shù)，登錄GPRS或者CDMA 1X移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

圖3   無線路由器的設(shè)備外形圖

結(jié)語

有線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備可以利用已有的GPRS/CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)，無需鋪設(shè)網(wǎng)線便可通過無線路由器完成網(wǎng)絡(luò)無線接入。CDMA 1X無線路由器設(shè)備可在高速公路監(jiān)控、防汛指揮、山區(qū)防火、地質(zhì)災(zāi)害等場合作為應(yīng)急通信手段。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，島嶼、汽車、三峽游輪、火車等架設(shè)通信線路困難或架線不經(jīng)濟(jì)的地方，使用GPRS/CDMA 1X無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)或者專用VPDN是一種迅速、廉價(jià)的解決方法。本設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用在太湖流域管理局的太湖水文數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中。

總之，在GPRS/CDMA 1X蜂窩網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，無線路由器設(shè)備能快速經(jīng)濟(jì)地提供無線網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)。本文所提供方法實(shí)現(xiàn)的無線路由器設(shè)備通用性強(qiáng)，能夠高效率地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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