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)致無法得到對方網(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),通過硬連線協(xié)作和自動切換射頻開關(guān)來共享天線,不僅實(shí)現(xiàn)了WLAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)的雙接入,還可獲取對方網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)。通過軟件的MAC層數(shù)據(jù)包優(yōu)先級仲裁機(jī)制分配流量, 確保了WPAN實(shí)時(shí)語音業(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)展出外圍的存儲電路、射頻前端耦合電路、TDM開關(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用于存儲固件程序,其中WLAN模組也可上電啟動后，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)線路的無縫切換。本地協(xié)作接口用于收集數(shù)據(jù)包優(yōu)先級信息，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USB和SDIO接口連接Cortex-A8架構(gòu)的AM3517平臺,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)射檢測電路、TDM開關(guān)單元與天線組成，其中符號BT_P與BT_N是BC04輸出的藍(lán)牙差分信號，符號WL是WLAN模塊輸出的WLAN單端信號。

1.2.1 前端匹配和發(fā)射檢測電路
    對于WLAN信號，WM-G-MR-09模塊已將端口阻抗匹配至2.4 GHz/50 ?贅。DBF81F104用于將藍(lán)牙的等幅反相信號轉(zhuǎn)成單端輸出并進(jìn)行匹配。由于發(fā)射端口的信號已經(jīng)過PA放大，為了防止后級的功率檢測器輸出飽和電壓， 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, 保證射頻通路信號強(qiáng)度不受影響[2]。LT5534是3 GHz頻段內(nèi)具有60 dB動態(tài)范圍的高精度對數(shù)RF檢波器，輸出檢測電壓與輸入功率對數(shù)成正比，能夠檢測只有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開關(guān)單元
      為了產(chǎn)生抗噪性更強(qiáng)的TDM開關(guān)信號，需要將功率檢測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)），射頻單刀雙擲開關(guān)AS179-92和單刀三擲開關(guān)SKY13385構(gòu)成前向通路切換和后向通路切換。TDM開關(guān)邏輯的結(jié)果是能分時(shí)切換三種網(wǎng)絡(luò)活動通路：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管輸出一對驅(qū)動能力更強(qiáng)的電平至SPDT的V2、V3，將J1口閉合到J3，通過線與邏輯將SP3T的J1閉合至RFC，發(fā)送WLAN信號至天線。WLAN/WPAN網(wǎng)絡(luò)若無發(fā)射活動，功率檢測器輸出低電平，控制SP3T和功分器將接收信號分配至藍(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)引腳對應(yīng)相連。當(dāng)藍(lán)牙基帶需要傳輸時(shí),會置高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,判決信號WL_ACTIVE決定誰有媒介訪問權(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，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。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。WLAN高優(yōu)先級享有最高特權(quán)，WPAN高優(yōu)先級介于WLAN高優(yōu)先級與WLAN低優(yōu)先級之間，WPAN低優(yōu)先級最低。
2.2 TDM程序設(shè)計(jì)
     對于WLAN基帶程序，當(dāng)PTA先收到外部藍(lán)牙請求（此時(shí)BT_PRIORITY=1），會讀BT_STATE電平得到藍(lán)牙請求優(yōu)先級，然后啟動75 ?滋s仲裁窗口，75 μs內(nèi)收到的WLAN發(fā)送和接收請求都要經(jīng)過仲裁。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)送或接收請求，由于來自本地，仲裁窗口設(shè)為0 μs，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。

3 測試和分析
     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語音鏈路數(shù)據(jù)包缺少CRC校驗(yàn)和重傳機(jī)制，只能通過配對單聲道藍(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)活動干擾下，用藍(lán)牙耳機(jī)播放音樂時(shí)夾雜明顯的嗡嗡聲,但TDM節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙耳機(jī)播放音樂時(shí)音訊清晰,表明TDM系統(tǒng)通過提高HV3幀優(yōu)先級保護(hù)了WPAN語音業(yè)務(wù)。
參考文獻(xiàn)
[1] 夏威，李恪，許勁楊. 藍(lán)牙與Wi-Fi共存問題在藍(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.