Wi-Fi 技术在3G 手机设计方案中的应用与研究

陈 驰

0 引言

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线相容性认证）是一种可以将个人电脑、手持设备（如 PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。随着技术的发展，以及IEEE802.11a/b/g等标准的出现，现在IEEE802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。[1]Wi-Fi实质上是一种商业认证，在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”。Wi-Fi 网络是由 AP（Access Point，接入点）和无线网卡组成的一种无线网络。相比较于通过网线连接局域网技术，Wi-Fi与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。

第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，3G与 GSM 的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

由于3G在多媒体业务方面相比GSM更为丰富，3G网络和手机正逐渐成为市场主流。但3G在数据通信传输速度方面相对Wi-Fi却有所不足，因此将Wi-Fi技术融合进3G对用户体验有巨大的提升，已成为一种市场主流。

1 Wi-Fi技术在3G行业中的应用

1.1 Wi-Fi和3G之间的差别与联系

Wi-Fi和3G都属于宽带无线技术，由于各自的技术特点，其技术的侧重点各有不同。对于Wi-Fi和3G的关系，从覆盖区域、速率能力、基本业务类别、可移动速率、前向扩展演进走向等多方面综合分析，都可以得出3G与Wi-Fi是一种优良的互补组合，不是正面竞争关系。3G和 Wi-Fi的比较，如表1所示：

表1 3G和Wi-Fi的比较

从以上比较可以看出，Wi-Fi技术更倾向于对有线局域网的替代，同时可以在一定范围内达到对3G网络的补充，承载低移动性的高速数据业务。

1.2 Wi-Fi技术在3G行业的应用

如前文所述，Wi-Fi技术的定位之一，可以是作为蜂窝移动通信的补充。蜂窝移动通信可以提供广覆盖、高移动性和中低等数据传输速率，它可以利用Wi-Fi高速数据传输的特点弥补自己数据传输速率受限的不足。而Wi-Fi不仅可以利用蜂窝移动通信完善的鉴权和计费机制，而且可以结合蜂窝移动通信广覆盖的特点，进行多接入切换功能。Wi-Fi作为3G的一种补充，可以实现Wi-Fi与蜂窝移动通信的融合，使蜂窝移动通信的运营锦上添花，进一步扩大其业务量。

目前，Wi-Fi技术已广泛应用于3G网络，热点公共接入在3G网络运营商的推动下发展迅速，相应的Wi-Fi手机终端也逐渐成为3G手机市场的主流产品。

2 3G手机集成Wi-Fi功能设计方案

当前主流Wi-Fi手机设计方案为Wi-Fi芯片供应商提供整套Wi-Fi协议解决方案，将其整合到手机方案中。经过近两三年的商用，单独的Wi-Fi本身的主体功能已经相对比较成熟，这在本文不再赘述；而Wi-Fi在GSM手机上的设计，由于2G手机业务比3G手机简单，也相对比较成熟，不是本文的重点。本文侧重于在 Wi-Fi集成到3G手机的设计中，和 3G手机上的多种业务之间可能存在的兼容性问题的研究与解决。

在Wi-Fi手机设计中，硬件工作电路设计上，各芯片厂商都有主流推荐参考电路，这些都已经相对比较成熟和完善，因此设计的侧重点在于Wi-Fi芯片和手机基带芯片（Base Band Chip）之间的数据交互接口。

3G手机集成Wi-Fi功能的设计方案，一般采用手机内嵌Wi-Fi芯片，手机基带芯片和Wi-Fi芯片进行交互数据的实现策略：需要一颗单独的Wi-Fi芯片来实现无线数据通信以达到相比于3G手机更优的数据传输速率，而手机基带芯片通过SPI或SDIO接口和Wi-Fi芯片交互数据和进行网络管理。

SPI数据接口示意图，如图1所示：

图1 SPI Driver

SDIO数据接口示意图，如图2所示：

图2 SDIO Driver

3 3G手机内嵌Wi-Fi芯片所涉及的一些技术问题

前文叙述了Wi-Fi手机的基本工作过程，但Wi-Fi芯片内嵌于3G手机中，还可能会遇到一些技术问题。

3.1 Wi-Fi与蓝牙的频带冲突处理

现今绝大部分都具有蓝牙（Bluetooth）功能，因此可能存在某种场景：用户在使用Wi-Fi上网的同时与其他用户通过蓝牙传输文件；或者在Wi-Fi下载时来电话，通过蓝牙耳机接听电话。在这种需要同时使用Wi-Fi设备和蓝牙设备的情况下，经常会出现数据传输不稳定或者通话质量受到严重影响的现象。针对以上现象分析发现，Wi-Fi设备和蓝牙设备的信号产生了相互干扰，而这种干扰很可能是因为频带冲突造成的。

众所周知，Wi-Fi所遵循的 IEEE802.11定义了 MAC（Medium Access Control，介质访问控制）层和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）上的两种无线调频方式和一种红外传输方式，总数据传输速率设计为 2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad Hoc）方式进行，也可以在基站（BS，Base Station）或者访问点（AP，Access Point）的协调下进行。后又补充两个版本：802.11a定义了一个在 5GHz ISM频段上的数据传输率可达54Mbit/s的物理层；802.11b定义了一个在2.4GHz ISM频段上但数据传输率达11Mbit/s的物理层。而2.4GHz ISM频段被世界上绝大多数国家所使用，因此IEEE802.11b得到了最为广泛的应用。

而对于蓝牙，同样也是准许 IEEE802规范中的IEEE802.15协议，与Wi-Fi一样使用2.4GHz ISM无线频段。因此Wi-Fi和蓝牙同时工作时，两个相同的频段必将产生相互干扰，增加另一个设备的底噪，如图3所示：

图3 Wi-Fi and Bluetooth sensitivity

3.1.1 自适应跳频机制（AFH, Adaptive Frequency Hopping）

针对Wi-Fi和蓝牙信号广泛存在的同频干扰问题，引入自适应跳频机制解决干扰问题。

由于蓝牙可以使用分布在2.4GHz～2.5GHz ISM频段的79个信道频点，因此在Bluetooth 1.2版本中引入了自适应跳频机制。这种机制可以让蓝牙避免使用和Wi-Fi信号相互干扰严重的频点，将干扰大的信道重映射到干扰小的信道上，如图4所示：

图4 自适应跳频

蓝牙设备自适应跳频到中心频段两侧干扰小的频点上，可以减少与Wi-Fi设备之间的相互影响，使双方都能够正常工作。

但引入自适应跳频机制后，却遇到了两种情况：对于不同的PCB板设计，其中部分电路设计板手机可以解决同频干扰问题，对于需要同时使用Wi-Fi设备和蓝牙设备的一些场景，不再存在相互干扰影响的问题；而另外一些电路设计板手机仍然存在互相干扰的情况。

实验发现，能否避免干扰的关键在于Wi-Fi天线和蓝牙天线的信号强度。针对不同设计板，自适应跳频能够有效解决同频干扰问题的PCB板，存在一个现象，普遍都是Wi-Fi设备的天线和蓝牙设备的天线设计的距离比较远；而引入自适应跳频机制后仍然存在干扰的PCB板，则是W-Fi设备的天线和蓝牙设备的天线之间距离比较近。

显而易见，距离的远近，正好说明了信号的强弱。因此可以得出一个结论：自适应跳频机制并非总是有效的，在非常强的干扰下，任何对频率的跳频操作都可能会没有效果，如图5所示：

图5 自适应跳频无效

3.1.2 时分多路转换(TDM, Time division multiplex)

由于现今的手机主板已经做得非常小，出于PCB板设计上的一些限制，Wi-Fi设备和蓝牙设备的间距一般无法保证能拉开到足够远的间距，因而往往导致信号的相互干扰强到自适应跳频无法起作用的程度。因此出于对并发情况的考虑，在手机方案中，一般需要考虑自适应跳频无效的情况下如何处理。

在硬件限制导致无法保证同时并发的情况下，引入时分多路转换机制，利用握手信号，使Wi-Fi和蓝牙分时工作在2.4GHz ISM频段，避免产生相互冲突和干扰。但是时分多路转换机制会降低Wi-Fi和蓝牙的吞吐量，所以这个机制一般是在自适应跳频不能产生良好效果时使用[3]。

IEEE802.15.2协议中规定了仲裁方式和信号的框架，很多蓝牙芯片厂商也有自己专有的握手信号定义，道理上来说设计还需要了解主流Wi-Fi芯片的握手信号定义，简单说明如下：

3.1.2.1 两线模式

Wi-Fi给蓝牙信号wl_active，表示Wi-Fi有通信，如果这个信号产生，蓝牙应该只接收/发送高优先级的包，其它包延迟处理；

蓝牙给Wi-Fi信号bt_priority，表示蓝牙要接收/发送高优先级的包，Wi-Fi必须停止当前通信。

以上两根信号线是分别保护Wi-Fi和蓝牙通信的，信号发生的多少会影响2.4G ISM频段上带宽在两者间的分配。从蓝牙芯片设计的角度，必须支持包优先级的区分和延迟包的处理。如果蓝牙芯片知道Wi-Fi的频带，bt_priority也可以只在频率冲突时拉起。

3.1.2.2 三线模式

三线模式和两线模式相似，多加一根蓝牙输出的bt_active，这样和bt_priority一起可以表示两种优先级的蓝牙通信。

3.1.2.3 四线模式

四线模式和三线模式相似，再多加一根蓝牙输出的bt_freq，用于指示蓝牙通信是否和Wi-Fi频带冲突。出于系统复杂度及手机设计的需要考虑，目前在手机设计上广泛采用三线模式处理Wi-Fi设备和蓝牙设备的分时工作。一个典型的三线模式时分多路复用机制的信号线连接设计图，如图6所示：

图6 三线模式接线图

包流量仲裁（PTA, Packet Traffic Arbitration）：

IEEE802.15.2协议中没有规定 PTA具体的硬件接口和仲裁判定，是依赖实现的。也有类似上述2/3/4线方案。但包流量仲裁的基本思想是蓝牙和 Wi-Fi提交申请给 PTA Controller（一般PTA Controller集成在Wi-Fi中），由PTA Controller来许可。所以包流量仲裁中的相关信号都是指“将要”的操作，不同于上面的是指已经发生的操作。

3.2 Wi-Fi与其他手机应用的数据总线并发问题

由于当前3G手机市场的微利化趋势，出于降低成本的需要，基带芯片往往只提供少量的数据接口。现今的Wi-Fi芯片可以选者SDIO或者SPI数据接口，而3G手机基带芯片往往只各提供一路SDIO和SPI接口。而在现今的3G手机方案设计， SDIO数据接口一般设计为基带芯片和存储卡间的读写接口；而SPI数据接口，一种应用是可以用在支持手机电视（CMMB, China Mobile Multimedia Broadcasting,中国移动数字多媒体广播）的3G手机上作为基带芯片和手机电视芯片间的数据传输接口，或者SPI显示屏接口等。

因此，在多数情况下，Wi-Fi芯片和手机基带芯片之间的数据通信，往往需要和其它手机应用复用数据总线。在Wi-Fi手机设计方案的实施过程中，遇到了Wi-Fi和手机电视并发时Wi-Fi不能使用或者手机电视无法播放的问题。下面是一个典型的Wi-Fi芯片与手机电视芯片复用SPI数据总线的案例，如图7所示：

图7 Wi-Fi和手机电视芯片SPI通道复用接口

从图5所示，分析发现Wi-Fi和CMMB的SPI CLK/DO/DI管脚直接连接到Baseband主芯片上，这样任何一个设备的管脚信号都有可能受到另一个设备的影响。出于成本上的考虑，手机选用的第三方芯片，不能绝对保证在上电状态下而片选信号没有选中自身芯片的时候，各SPI数据管脚肯定为高阻态。

例如，某厂家的Wi-Fi芯片，在芯片没有处于power off或power on状态时，即使CS未选中，WIFI_SPIDO管脚仍恒定输出低电平，这将导致在Wi-Fi后台时播放手机电视的情况下，WIFI_SPIDO管脚影响到了CMMB_SPIDO的输出状态，手机基带芯片的接收信号受到干扰，导致手机电视无法正常播放；另有某厂家的CMMB芯片，在掉电情况下如果CMMB_CS或CMMB_SPIDI管脚之一为高电平，将会使CMMB芯片的电源管脚和其它SPI管脚产生半高电平，这种情况反过来导致在Wi-Fi后台时播放手机电视，却使Wi-Fi连接断开的现象。

因此，在当今手机低成本化的环境下，选用的第三方芯片受限于自身的芯片特性，很可能单独工作没有问题，但是对并发的要求就不能很好的支持了。在这种情况下，手机设计最后考虑两种处理方式：一是对于低端机设计，将手机的需求就定位为不支持并发，即只要Wi-Fi连接打开，就在用户界面上设置禁止使用手机电视的应用（如果Wi-Fi使用的是SDIO接口则禁止使用存储卡），同样反过来使用了手机电视（或者正在通过文件管理工具使用存储卡功能）就禁止使用Wi-Fi；二是对于中高端机设计，为了提供较好的用户体验，需求设计定义为支持并发，这样在手机设计方案中可以考虑增加一个模拟切换开关，来实现数据通道的分时切换，独立工作。

对于上面处理方式中的后者，以下是设计使用的一个SPI通道的模拟切换开关，它是一个由GPIO控制的三刀双置开关，如图8所示：

图8 SPI通道切换开关示意图

模拟切换开关的工作原理是，当SPI通道需要发生切换时，软件在上拉对应芯片的片选信号管脚前操作与之相对应的GPIO管脚电平，以控制开关切换到需要使用的SPI通道上保证一方单独享有数据通道，然后拉片选信号开始数据通信。

根据以上原理，使用模拟切换开关，可以实现Wi-Fi和其它设备在数据总线上的并发设计，提高用户体验。具体软硬件实现限于篇幅本文不做赘述。

4 结论

在手机芯片方案中集成Wi-Fi功能，并在软硬件上设计了2.4GHz ISM频段冲突处理和数据总线并发支持之后，取得了以下的效果：对已有的功能没有影响，相对于3G网络本身Wi-Fi功能提供了更好的网速体验，并且在可能存在冲突的与蓝牙、手机电视、存储卡等应用上互不影响，能够很好地支持共存和并发，进一步提升了用户体验，达到了系统设计的预期目的。

[1]王志贺，马国旗，纪忆，浅谈WIFI技术，[OL]中国期刊网，2011年6月

[2]http://baike.baidu.com/view/43867.htm#1

[3]http://www.52rd.com/Blog/Detail_RD.Blog_luckygirl_25 234.html