范晨燦,顏鋼鋒

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

隨著藍(lán)牙和WLAN設(shè)備的不斷普及和數(shù)據(jù)交換需求的與日俱增，WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)在2.4 GHz頻段的共存問(wèn)題更加嚴(yán)峻。目前WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)往往獨(dú)立運(yùn)作，當(dāng)節(jié)點(diǎn)天線距離靠近時(shí)，天線之間的干擾和信道沖突降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量[1]，導(dǎo)致無(wú)法得到對(duì)方網(wǎng)絡(luò)信息，因此,本文給出了一種WLAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)共存系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過(guò)硬連線協(xié)作和自動(dòng)切換射頻開(kāi)關(guān)來(lái)共享天線,不僅實(shí)現(xiàn)了WLAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)的雙接入,還可獲取對(duì)方網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)軟件的MAC層數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制分配流量,確保了WPAN實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)質(zhì)量。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)的下位機(jī)硬件電路以WLAN和藍(lán)牙模組為核心，擴(kuò)展出外圍的存儲(chǔ)電路、射頻前端耦合電路、TDM開(kāi)關(guān)單元、阻抗匹配電路、本地協(xié)作接口及天線。WLAN模組采用USI的 WM-G-MR-09模塊，內(nèi)部集成了Marvell 88w8686芯片以及外圍的多級(jí)功率放大器、低噪聲放大器、帶通濾波器，支持IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙模組采用CSR的Bluecore 4系列BC04芯片，兼容藍(lán)牙2.1+EDR標(biāo)準(zhǔn)。EEPROM用于存儲(chǔ)固件程序,其中WLAN模組也可上電啟動(dòng)后，從SDIO接口引導(dǎo)固件。將系統(tǒng)RF前端配置成共用天線的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和WLAN收發(fā)線路的無(wú)縫切換。本地協(xié)作接口用于收集數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)信息，為MAC層仲裁器提供判決依據(jù)。為了便于分析網(wǎng)絡(luò)性能，通過(guò)USB和SDIO接口連接Cortex-A8架構(gòu)的AM3517平臺(tái),主頻高達(dá)500 MHz?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

1.2 射頻前端調(diào)理電路

如圖2所示，射頻前端整體硬件由前端匹配電路、發(fā)射檢測(cè)電路、TDM開(kāi)關(guān)單元與天線組成，其中符號(hào)BT_P與BT_N是BC04輸出的藍(lán)牙差分信號(hào)，符號(hào)WL是WLAN模塊輸出的WLAN單端信號(hào)。

1.2.1 前端匹配和發(fā)射檢測(cè)電路

對(duì)于WLAN信號(hào)，WM-G-MR-09模塊已將端口阻抗匹配至2.4 GHz/50 Ω。DBF81F104用于將藍(lán)牙的等幅反相信號(hào)轉(zhuǎn)成單端輸出并進(jìn)行匹配。由于發(fā)射端口的信號(hào)已經(jīng)過(guò)PA放大，為了防止后級(jí)的功率檢測(cè)器輸出飽和電壓，采用了耦合度為19.5 dB和隔離度為34.5 dB的定向耦合器DCS2146,保證射頻通路信號(hào)強(qiáng)度不受影響[2]。LT5534是3 GHz頻段內(nèi)具有60 dB動(dòng)態(tài)范圍的高精度對(duì)數(shù)RF檢波器，輸出檢測(cè)電壓與輸入功率對(duì)數(shù)成正比，能夠檢測(cè)只有38 ns延遲的全標(biāo)度RF功率變化，且內(nèi)部的溫度補(bǔ)償電路保障了工作特性的穩(wěn)定。當(dāng)藍(lán)牙和WLAN網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí) (芯片發(fā)射功率約為6 dBm和11 dBm)，在LT5534輸入端產(chǎn)生-10 dBm左右的耦合功率，芯片輸出電壓約為2.2 V(輸出斜率為 35 mV/dB)，用于觸發(fā)三極管。

1.2.2 TDM開(kāi)關(guān)單元

為了產(chǎn)生抗噪性更強(qiáng)的TDM開(kāi)關(guān)信號(hào)，需要將功率檢測(cè)器輸出的線性電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，邏輯電路采用 2個(gè) NPN管9011和3個(gè)雙P溝道場(chǎng)效應(yīng)管RF1K49093，如圖2中的 T1、T2、M1～M6 （MOS管的上升下降時(shí)間在10 ns以內(nèi)），射頻單刀雙擲開(kāi)關(guān)AS179-92和單刀三擲開(kāi)關(guān)SKY13385構(gòu)成前向通路切換和后向通路切換。TDM開(kāi)關(guān)邏輯的結(jié)果是能分時(shí)切換三種網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)通路：WLAN發(fā)射、WPAN發(fā)射、WLAN/WPAN接收。如WPAN發(fā)射的控制邏輯，當(dāng)功率檢測(cè)器輸出高電平時(shí)，T1管集電極輸出低電平,串聯(lián)的M1、M2管輸出一對(duì)驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)的電平至 SPDT的 V2、V3，將 J1口閉合到 J3，通過(guò)線與邏輯將SP3T的J1閉合至RFC，發(fā)送WLAN信號(hào)至天線。WLAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)若無(wú)發(fā)射活動(dòng)，功率檢測(cè)器輸出低電平，控制SP3T和功分器將接收信號(hào)分配至藍(lán)牙和WLAN鏈路，由基帶芯片各自接收。

1.3 三線協(xié)作接口和上位機(jī)接口

WM-G-MR-09與BC04都具備三線共存 I/O口，系統(tǒng)將芯片的 WL_ACTIVE、BT_PRIORITY、BT_STATE三個(gè)引腳對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)藍(lán)牙基帶需要傳輸時(shí),會(huì)置高BT_PRIORITY引腳以通知WLAN基帶,并用BT_STATE引腳的電平高低表明數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí),判決信號(hào)WL_ACTIVE決定誰(shuí)有媒介訪問(wèn)權(quán),藍(lán)牙LMP層只能等到WL_ACTIVE拉低才能傳輸。Linux系統(tǒng)通過(guò)SDIO接口發(fā)送802.3幀，WLAN基帶負(fù)責(zé)將802.3幀轉(zhuǎn)換為802.11幀，藍(lán)牙HCI層命令、數(shù)據(jù)和事件分組則通過(guò)USB接口發(fā)送。

2 TDM軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 TDM仲裁器

802.11數(shù)據(jù)包的幀控制域包含2位幀類型域和4位子類型域[3],其中2位幀類型域?qū)AC幀分為控制幀、管理幀和數(shù)據(jù)幀，4位子類型域進(jìn)一步判斷幀類型。藍(lán)牙鏈路管理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU用7位操作碼標(biāo)識(shí)類型[4]。根據(jù)不同數(shù)據(jù)包類型，WLAN與WPAN均劃分為高低兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，僅將重要的WLAN控制幀和管理幀（如接收AP定時(shí)發(fā)送的Beacon幀和接收確認(rèn)的ACK幀）以及WPAN LMP層命令包（如查詢、掃描、廣播、定時(shí)同步）定義為高優(yōu)先級(jí)。因?yàn)閱温暤蓝鷻C(jī)的SCO/HV3幀缺少ARQ機(jī)制[5]，任何丟包都會(huì)表現(xiàn)為雜訊聲音,因此藍(lán)牙SCO數(shù)據(jù)包必須是高優(yōu)先級(jí)。WLAN高優(yōu)先級(jí)享有最高特權(quán)，WPAN高優(yōu)先級(jí)介于WLAN高優(yōu)先級(jí)與WLAN低優(yōu)先級(jí)之間，WPAN低優(yōu)先級(jí)最低。

2.2 TDM程序設(shè)計(jì)

對(duì)于WLAN基帶程序，當(dāng)PTA先收到外部藍(lán)牙請(qǐng)求（此時(shí) BT_PRIORITY=1），會(huì)讀 BT_STATE電平得到藍(lán)牙請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，然后啟動(dòng) 75 μs仲裁窗口，75 μs內(nèi)收到的WLAN發(fā)送和接收請(qǐng)求都要經(jīng)過(guò)仲裁。PTA允許藍(lán)牙使用,則拉低WL_ACTIVE，藍(lán)牙基帶程序要負(fù)責(zé)傳輸完整個(gè)數(shù)據(jù)包再將BT_PRIORITY引腳拉低，BT_PRIORITY下降沿通知PTA藍(lán)牙已經(jīng)結(jié)束傳輸,否則拉高WL_ACTIVE，直到等到WL_ACTIVE上升沿才允許藍(lán)牙傳輸。若PTA先收到WLAN發(fā)送或接收請(qǐng)求，由于來(lái)自本地，仲裁窗口設(shè)為0μs，使WLAN數(shù)據(jù)包得到及時(shí)傳輸。WLAN基帶使用固件程序，BC04藍(lán)牙基帶程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 WPAN基帶仲裁程序

3 測(cè)試和分析

圖4、圖5所示為WLAN與WPAN網(wǎng)絡(luò)相距智能手機(jī)長(zhǎng)度時(shí)，Linux系統(tǒng)下獨(dú)立節(jié)點(diǎn)（單獨(dú)天線的WLAN和藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)）和TDM節(jié)點(diǎn)（三線協(xié)作且共享天線）的網(wǎng)絡(luò)吞吐量測(cè)試比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)近距離共存的WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)同時(shí)服務(wù)時(shí)，TDM系統(tǒng)將WLAN TCP包和WPAN ACL數(shù)據(jù)鏈路的吞吐量提升了約25%，這也是智能手機(jī)大多采用TDM天線的原因。WPAN SCO語(yǔ)音鏈路數(shù)據(jù)包缺少CRC校驗(yàn)和重傳機(jī)制，只能通過(guò)配對(duì)單聲道藍(lán)牙耳機(jī)檢驗(yàn)WPAN HV3數(shù)據(jù)分組實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)在WLAN網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)干擾下，用藍(lán)牙耳機(jī)播放音樂(lè)時(shí)夾雜明顯的嗡嗡聲,但TDM節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙耳機(jī)播放音樂(lè)時(shí)音訊清晰,表明TDM系統(tǒng)通過(guò)提高HV3幀優(yōu)先級(jí)保護(hù)了WPAN語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

[1]夏威，李恪，許勁楊.藍(lán)牙與Wi-Fi共存問(wèn)題在藍(lán)牙系統(tǒng)端的解決方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004(7):14-16.

[2]路德維格.射頻電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3]GAST M S.802.11 Wireless networks the definitive guide[M].Sebastopol:O′Reilly Publisher,2005.

[4]Bluetooth SIG,INC.Bluetooth specification version 2.1+EDR[EB/OL].[2007-07-26].http://www.bluetooth.com.

[5]李明海，劉云.藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制的分析及其改進(jìn)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002,26(6):91-95.