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)點往往獨立運作,，當(dāng)節(jié)點天線距離靠近時,，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,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)先級仲裁機制分配流量, 確保了WPAN實時語音業(yè)務(wù)質(zhì)量,。

1 硬件設(shè)計
1.1 總體架構(gòu)
     系統(tǒng)的下位機硬件電路以WLAN和藍(lán)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(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(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NPN管9011和3個雙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,，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三個引腳對應(yīng)相連,。當(dāng)藍(lán)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(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均劃分為高低兩個優(yōu)先級，僅將重要的WLAN控制幀和管理幀（如接收AP定時發(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、定時同步）定義為高優(yōu)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(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
     對于WLAN基帶程序,，當(dāng)PTA先收到外部藍(lán)牙請求（此時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)包得到及時傳輸。WLAN基帶使用固件程序,，BC04藍(lán)牙基帶程序設(shè)計如圖3所示,。

3 測試和分析
     圖4、圖5所示為WLAN與WPAN網(wǎng)絡(luò)相距智能手機長度時,，Linux系統(tǒng)下獨立節(jié)點（單獨天線的WLAN和藍(lán)牙節(jié)點）和TDM節(jié)點（三線協(xié)作且共享天線）的網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試比較,。

    實驗結(jié)果表明，當(dāng)近距離共存的WLAN和WPAN網(wǎng)絡(luò)同時服務(wù)時,，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校驗和重傳機制,，只能通過配對單聲道藍(lán)牙耳機檢驗WPAN HV3數(shù)據(jù)分組實時傳輸質(zhì)量,，實驗中獨立節(jié)點在WLAN網(wǎng)絡(luò)活動干擾下，用藍(lán)牙耳機播放音樂時夾雜明顯的嗡嗡聲,但TDM節(jié)點的藍(lán)牙耳機播放音樂時音訊清晰,表明TDM系統(tǒng)通過提高HV3幀優(yōu)先級保護了WPAN語音業(yè)務(wù),。
參考文獻
[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]. 計算機應(yīng)用研究, 2004(7):14-16.
[2] 路德維格.射頻電路設(shè)計[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機制的分析及其改進[J].北京交通大學(xué)學(xué)報, 2002,26(6):91-95.