Автономный LTE роутер своими руками | Часть 1 — От идеи до схемы
Приветствую, в этом цикле статей постараюсь описать разработку собственного сетевого устройства и поделиться своими мыслями, набитыми шишками и конечно же опытом. Цикл статей будет охватывать временной период порядка 1.5 лет неторопливой разработки.
Да-да, это именно разработка собственного роутера, не простой допил уже имеющегося и переупаковка в другой корпус. Отнюдь! Схема, печатная плата, пайка – всё сделаем сами и защитим диплом.
А какова мотивация?
Классическое «А зачем?» с буханками сюда тоже относятся. Буду краток, мы ведь не за этим собрались:
- Мне нужен девайс, удовлетворяющий мои потребности
- Готовые девайсы на рынке, если не совсем днище — то не проходят по требованиям
- В конце концов, это бесценный опыт и моя дипломная работа :3
Ожидая вопрос «А почему просто не использовать смартфон..» Просто? Чтобы сделать банальный TTLfix нужен Magisk, да даже если есть, то что делать с: подключением антенн, RJ45, ресурсом аккумулятора? Даже если оператор позволяет без ухищрений раздавать интернет, то не всегда такие тепличные условия доступны и надеяться только на это глупо.
Сам же роутер для меня удобнее, чем связка телефон+ноутбук или модем+ноутбук.
Надеюсь тема закрыта, не начавшись и в комментариях ко всем частям будет вестись обсуждение проекта и устройства. Приятного прочтения!
Как зарождалось устройство? И немного о себе
Электроника и околотехника – это мой основные увлечения, хотя я и не являюсь профессионалом и истиной в первой инстанции. Это так, отступление дабы у вас не формировались завышенные ожидания относительно моей компетенции.
Роутерами я увлекаюсь ещё с 16 лет. Лето 2019 года: благодаря лучшему другу Арсению ко мне в руки попадет TL-MR3220 и становится на долгое время основным, первое физическое знакомство с OpenWRT.
Снова лето, 2020 год: скилы повышаются. На этот раз расширение памяти через USB, знакомство с реализацией сетевой загрузки на OWRT и статья в локальный паблик про это дело.
Второй курс, весна 2021: в качестве дипломной работы и задачки «just for fun», я сажусь делать свой роутер.
«Почему именно роутер?» У меня эпизодически имеется необходимость в использовании портативного роутера, к примеру, при выездах на море/в гости в родную деревню. Да и это просто круто, особенно учитывая, что большая часть группы, как окажется, втупую скопипастит воду из интернета к себе в дипломы, а ты действительно что-то сделаешь руками.
Летом 2021 для этого я использовал данный сетап:
Всё бы хорошо, но это отдельные девайсы, которые мало того, что мне нужны по отдельности, так ещё не являются монолитным устройством.
Дорогу в деревню на электричке (порядка ~5ч) сетап переживает отлично, при установке на месте появляются сложности:
Проблема 1. Всё это дело питается от телефонной зарядки которая находится на чердаке. А в свою очередь, к ней на чердак тянется «переноска» c 220V и это крайне неудобно. Ещё в процессе руфинга чердака становится понятно, что PoE в роутере нужен обязательно.
Да я слышал про PoE hat, но это слишком простой путь. Поэтому жду фитбек от тех, кто пользовался PoE на малине.
Проблема 2. Крепление роутерной части на крыше, если конструкция для этого не проектировалась – крайне гиблая затея.
Проблема решается просто. Либо делаем нормальный корпус, либо покупаем антенну и прячем роутерную часть в доме.
Анализируем рынок
Прежде чем ваять что-то своё, неплохо бы ознакомиться с готовыми устройствами. Как минимум чтобы своровать идей вдохновиться и понять во что мы вляпались – Это я понял уже только после создания своего роутера, это первая ошибка . Я хоть и вдохновлялся одним из девайсов, который будет описан ниже, но этого недостаточно. На мой взгляд, балом автономных роутеров потребительского сегмента, на данный момент правят ZTE и Huawei. Если абстрагироваться от названий, которые дают операторы сотовой связи, то внутри это всё те же вышеописанные роутеры.
Небольшая подборка роутеров из онлайн магазинов двух операторов связи, что доступны в продаже на момент написания статьи
Кроме моделей от именитых брендов, рынок роутеров и модемов наводнили китайские подделки и поделки. Не знаю, зачем и почему, но их отличительной чертой является логотип, который китайцы не стесняются лепить, как и на свои поделки, так и на подделки.
Если стесняются лепить логотип на страницу устройства, то залепят в веб:
Возвращаясь к теме, давайте отберём 2 интересных на мой взгляд роутера и разберём каждый, что называется «по косточкам». Предвидя возможный вопрос: «А почему именно 2, их же вон сколько всяких разных!» — позвольте снова немного отойти и ввести в курс дела, ибо информация довольно нетипичная для Хабра.
Так уж сложилось, что автономно-портативные роутеры базируются на двух вариациях чипсетов – относительно открытые и поддающиеся переходу на свободные прошивки, и закрытые, модификации ПО для которых долго и скрупулёзно создаются в ходе реверс-инжиниринга. Для конечного пользователя это практически ничего не меняет (за исключением ограниченности возможных модификаций), но вот для разработчика собственного устройства, чипсет – это первая отправная точка.
Ниже представлена сводная таблица, составленная в процессе анализа рынка, располагайтесь удобнее, наливайте чай и анализируйте вместе со мной :3
Обозначим тезисы после взгляда на таблицу:
- Форм-фактор «роутеров повербанков» с возможностью подключения внешнего USB LTE модема, не особо прижился среди пользователей, их вытеснили роутеры с встроенным модемом и слотом под SIM – это видно, как из доступности, так и из годов выпуска SoC, которые обычно коррелируют с годами производства девайсов.
- Все модемные SoC базируются на ARM – повод задуматься о энергоэффективности MIPS роутеров.*
- Модемные SoC сложны для разработки и подходят для крупных партий устройств – на все описанные безмодемные SoC имеется техническая документация, не обложенная NDA (либо обложенная когда-то, но ныне слитая в сеть)
*UPD: По крайней мере на чипсетах 2010-2016 годов, что с энергоэффективностью свежих SoC — мне пока не известно.
С форм-фактором относительно всё понятно, пользователи обленились и перестали собирать свои сетапы роутер+USB LTE модем, ведь на рынке появились удобные, умещающиеся в среднюю по размеру ладонь, роутеры со встроенным модемом.
Но вот c модемными SoC не всё так однозначно, c одной стороны удобство для разработчиков, когда практически на одном чипе располагается модемо-вычислительная часть, но это одновременно и сложность ведь требуется подробная документация, а без полноценного партнёрства и/или без лицензии её получить нереально. Помимо этого сложности с ПО – в мейнлайн ветке Linux вы не найдёте поддержки модемов серии MDM, кроме одного единственного MDM9615 , а следовательно и кастомных прошивках аля OpenWRT и прочих – тоже. Это же подтверждается тем что, выложенные в сеть исходники ПО базируются на версиях ядра 3.x.x.
«Отлично, а что с автономными роутерами на относительно открытых чипсетах?» – по сути, те же роутеры что и их большие собратья. Если открыть даташит на один из указанных в таблице чипсетов, то это быстро станет понятно. Соответственно программная поддержка есть, в отличии от роутеров на модемных чипсетах.
Итак, после того как все точки над Ё расставлены, можно наконец ознакомиться с готовыми девайсами, которые лично мне приглянулись:
Роутер для 4G своими руками
Бывают ситуации когда готовые решения от производителей сетевого оборудования не подходят для реализации поставленной задачи или они очень дороги.
В таком случае можно попробовать собрать роутер своими руками, как это делают со стационарными компьютерами: выбирают материнскую плату, процессор, оперативку и т.д.
К сожалению для сетевого оборудования выбор не особо большой ( в бюджетном сегменте) и практически единственным производителем таких компонентов является Mikrotik (noname китай с алиэкспресс сейчас не рассматриваем).
Для наших же целей (роутер со встроенным модемом 4G) подходят несколько видов плат Mikrotik:
RB11G — плата с одним слотом mPCIe и гигабитным портом
RB 912UAG-2HPnD — слот mPCIe и мощный 1Ватт WiFi
RBM 33G — 2 слота mPCIe, разьем USB, разьем m2 для жесткого диска и т.д.
Есть и другие платы, но они существенно дороже.
Важным достоинством таких устройств является возможность их установки в антенны с герметичным боксом , прямо на улице ведь диапазон заявленных рабочих температур от -40 до +70.
Кроме этого все перечисленные устройства имеют Гигабитные порты, что при использовании модемов cat.6 lte гарантирует отсутствие «узких мест» в сети: это когда модем может выдавать 300 Мбит, например, но из за того , что у вас порт LAN 100Mb (а часто роутеры имеют именно такие порты) скорость на выходе значительно урезается.
Естественно для максимальной отдачи материнская плата роутера должна иметь мощный процессор и достаточный объем оперативки, у последнего девайса , например, используется двуядерный процессор 880 МГц и 256мб ОЗУ, что очень круто, ведь у большинство современных роутеров использует одноядерные решения 400-500МГц и 64 мб оперативки макс.
Еще один плюс от использования именно mPCIe модемов кроется в отсутствии проблем с питанием устройств. Номинал USB разьема 500мА, в то время как модем с агрегацией частот под максимальной нагрузкой может жрать 1,5 А и больше. Из за этого могут случаться перезагрузки или зависания. Номинал шин mPCIe у микротик — 3 Ампера, что с лихвой перекрывает возможное потребление тока модемом.
Давайте рассмотрим возможные применения на примере последней платы RBM33G . Она имеет 2 слота для mPCIe , что позволяет нам установить 2 lte cat6. модема и получить на выходе теоретическую скорость до 600 Мбит.
ДА. Возможности RouterOS позволяют организовать обьединение 2х модемов в один канал для увеличения производительности, а установка на крыше совместно с 2мя MiMo антеннами, может обеспечить прием сигнала сотовых операторов с 2х разных направлений, тогда в случае перегрузки на одной базе можно перераспределить трафик на другую.
Если мега скорость не требуется, но необходима надежность, можно использовать один mPCIe модем и один обычный недорогой USB модем для резерва. В этом случае при падении основного канала, трафик автоматически будет переброшен на USB свисток, а на почту придет уведомление, что сеть «упала».
Кроме этих фишек, в плату можно установить miсroSD карту и m2 жесткий диск и организовать сетевое хранилище информации. Свободный слот mPCIe можно использовать под WiFi модуль.
Есть еще одна интересная возможность RouterOS от Микротик. На базе нее можно разворачивать бесшовную WiFi сеть с подключением нескольких точек доступа, это может быть полезно при необходимости покрытия беспроводной сетью больших площадей или нескольких зданий.
Думаю функционал этой платы можно было бы расширить и за счет использования служебных джамперов, но к сожалению я не нашел внятного мануала для их применения, если Вы знаете зачем они нужны, напишите в комментариях, буду признателен.
В конце хотелось бы сделать небольшое замечание: все описанные фишки, требуют настройки в ПО роутера, по умолчанию «из коробки» они работать не будут, поэтому оценивайте свои познания в конфигурации оборудования адекватно, что бы не было мучительно больно в последствии:) Если же будут вопросы, можете писать здесь или на моем сайте антеннаяслужба.рф буду рад поделится опытом.