基于TDM技術的WLAN/WPAN網絡適配器

范晨燦,顏鋼鋒

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

隨著藍牙和WLAN設備的不斷普及和數據交換需求的與日俱增，WLAN和WPAN網絡在2.4 GHz頻段的共存問題更加嚴峻。目前WLAN和WPAN網絡設備節點往往獨立運作，當節點天線距離靠近時，天線之間的干擾和信道沖突降低了網絡吞吐量[1]，導致無法得到對方網絡信息，因此,本文給出了一種WLAN/WPAN網絡共存系統的設計,通過硬連線協作和自動切換射頻開關來共享天線,不僅實現了WLAN/WPAN網絡的雙接入,還可獲取對方網絡活動狀態。通過軟件的MAC層數據包優先級仲裁機制分配流量,確保了WPAN實時語音業務質量。

1 硬件設計

1.1 總體架構

系統的下位機硬件電路以WLAN和藍牙模組為核心，擴展出外圍的存儲電路、射頻前端耦合電路、TDM開關單元、阻抗匹配電路、本地協作接口及天線。WLAN模組采用USI的 WM-G-MR-09模塊，內部集成了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標準。藍牙模組采用CSR的Bluecore 4系列BC04芯片，兼容藍牙2.1+EDR標準。EEPROM用于存儲固件程序,其中WLAN模組也可上電啟動后，從SDIO接口引導固件。將系統RF前端配置成共用天線的發送和接收，實現藍牙和WLAN收發線路的無縫切換。本地協作接口用于收集數據包優先級信息，為MAC層仲裁器提供判決依據。為了便于分析網絡性能，通過USB和SDIO接口連接Cortex-A8架構的AM3517平臺,主頻高達500 MHz。總體架構如圖1所示。

1.2 射頻前端調理電路

如圖2所示，射頻前端整體硬件由前端匹配電路、發射檢測電路、TDM開關單元與天線組成，其中符號BT_P與BT_N是BC04輸出的藍牙差分信號，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 Ω。DBF81F104用于將藍牙的等幅反相信號轉成單端輸出并進行匹配。由于發射端口的信號已經過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度不受影響[2]。LT5534是3 GHz頻段內具有60 dB動態范圍的高精度對數RF檢波器，輸出檢測電壓與輸入功率對數成正比，能夠檢測只有38 ns延遲的全標度RF功率變化，且內部的溫度補償電路保障了工作特性的穩定。當藍牙和WLAN網絡處于發射狀態時 (芯片發射功率約為6 dBm和11 dBm)，在LT5534輸入端產生-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)，用于觸發三極管。

1.2.2 TDM開關單元

為了產生抗噪性更強的TDM開關信號，需要將功率檢測器輸出的線性電壓轉換成數字電壓，邏輯電路采用 2個 NPN管9011和3個雙P溝道場效應管RF1K49093，如圖2中的 T1、T2、M1～M6 （MOS管的上升下降時間在10 ns以內），射頻單刀雙擲開關AS179-92和單刀三擲開關SKY13385構成前向通路切換和后向通路切換。TDM開關邏輯的結果是能分時切換三種網絡活動通路：WLAN發射、WPAN發射、WLAN/WPAN接收。如WPAN發射的控制邏輯，當功率檢測器輸出高電平時，T1管集電極輸出低電平,串聯的M1、M2管輸出一對驅動能力更強的電平至 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，發送WLAN信號至天線。WLAN/WPAN網絡若無發射活動，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牙和WLAN鏈路，由基帶芯片各自接收。

1.3 三線協作接口和上位機接口

WM-G-MR-09與BC04都具備三線共存 I/O口，系統將芯片的 WL_ACTIVE、BT_PRIORITY、BT_STATE三個引腳對應相連。當藍牙基帶需要傳輸時,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據包的優先級,判決信號WL_ACTIVE決定誰有媒介訪問權,藍牙LMP層只能等到WL_ACTIVE拉低才能傳輸。Linux系統通過SDIO接口發送802.3幀，WLAN基帶負責將802.3幀轉換為802.11幀，藍牙HCI層命令、數據和事件分組則通過USB接口發送。

2 TDM軟件實現

2.1 TDM仲裁器

802.11數據包的幀控制域包含2位幀類型域和4位子類型域[3],其中2位幀類型域將MAC幀分為控制幀、管理幀和數據幀，4位子類型域進一步判斷幀類型。藍牙鏈路管理層的協議數據單元PDU用7位操作碼標識類型[4]。根據不同數據包類型，WLAN與WPAN均劃分為高低兩個優先級，僅將重要的WLAN控制幀和管理幀（如接收AP定時發送的Beacon幀和接收確認的ACK幀）以及WPAN LMP層命令包（如查詢、掃描、廣播、定時同步）定義為高優先級。因為單聲道耳機的SCO/HV3幀缺少ARQ機制[5]，任何丟包都會表現為雜訊聲音,因此藍牙SCO數據包必須是高優先級。WLAN高優先級享有最高特權，WPAN高優先級介于WLAN高優先級與WLAN低優先級之間，WPAN低優先級最低。

2.2 TDM程序設計

對于WLAN基帶程序，當PTA先收到外部藍牙請求（此時 BT_PRIORITY=1），會讀 BT_STATE電平得到藍牙請求優先級，然后啟動 75 μs仲裁窗口，75 μs內收到的WLAN發送和接收請求都要經過仲裁。PTA允許藍牙使用,則拉低WL_ACTIVE，藍牙基帶程序要負責傳輸完整個數據包再將BT_PRIORITY引腳拉低，BT_PRIORITY下降沿通知PTA藍牙已經結束傳輸,否則拉高WL_ACTIVE，直到等到WL_ACTIVE上升沿才允許藍牙傳輸。若PTA先收到WLAN發送或接收請求，由于來自本地，仲裁窗口設為0μs，使WLAN數據包得到及時傳輸。WLAN基帶使用固件程序，BC04藍牙基帶程序設計如圖3所示。

圖3 WPAN基帶仲裁程序

3 測試和分析

圖4、圖5所示為WLAN與WPAN網絡相距智能手機長度時，Linux系統下獨立節點（單獨天線的WLAN和藍牙節點）和TDM節點（三線協作且共享天線）的網絡吞吐量測試比較。

實驗結果表明，當近距離共存的WLAN和WPAN網絡同時服務時，TDM系統將WLAN TCP包和WPAN ACL數據鏈路的吞吐量提升了約25%，這也是智能手機大多采用TDM天線的原因。WPAN SCO語音鏈路數據包缺少CRC校驗和重傳機制，只能通過配對單聲道藍牙耳機檢驗WPAN HV3數據分組實時傳輸質量，實驗中獨立節點在WLAN網絡活動干擾下，用藍牙耳機播放音樂時夾雜明顯的嗡嗡聲,但TDM節點的藍牙耳機播放音樂時音訊清晰,表明TDM系統通過提高HV3幀優先級保護了WPAN語音業務。

[1]夏威，李恪，許勁楊.藍牙與Wi-Fi共存問題在藍牙系統端的解決方案[J].計算機應用研究,2004(7):14-16.

[2]路德維格.射頻電路設計[M].北京:電子工業出版社,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.藍牙網絡QoS機制的分析及其改進[J].北京交通大學學報,2002,26(6):91-95.