基于TDM技术的WLAN/WPAN网络适配器

范晨灿,颜钢锋

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

随着蓝牙和WLAN设备的不断普及和数据交换需求的与日俱增，WLAN和WPAN网络在2.4 GHz频段的共存问题更加严峻。目前WLAN和WPAN网络设备节点往往独立运作，当节点天线距离靠近时，天线之间的干扰和信道冲突降低了网络吞吐量[1]，导致无法得到对方网络信息，因此,本文给出了一种WLAN/WPAN网络共存系统的设计,通过硬连线协作和自动切换射频开关来共享天线,不仅实现了WLAN/WPAN网络的双接入,还可获取对方网络活动状态。通过软件的MAC层数据包优先级仲裁机制分配流量,确保了WPAN实时语音业务质量。

1 硬件设计

1.1 总体架构

系统的下位机硬件电路以WLAN和蓝牙模组为核心，扩展出外围的存储电路、射频前端耦合电路、TDM开关单元、阻抗匹配电路、本地协作接口及天线。WLAN模组采用USI的 WM-G-MR-09模块，内部集成了Marvell 88w8686芯片以及外围的多级功率放大器、低噪声放大器、带通滤波器，支持IEEE 802.11b/g标准。蓝牙模组采用CSR的Bluecore 4系列BC04芯片，兼容蓝牙2.1+EDR标准。EEPROM用于存储固件程序,其中WLAN模组也可上电启动后，从SDIO接口引导固件。将系统RF前端配置成共用天线的发送和接收，实现蓝牙和WLAN收发线路的无缝切换。本地协作接口用于收集数据包优先级信息，为MAC层仲裁器提供判决依据。为了便于分析网络性能，通过USB和SDIO接口连接Cortex-A8架构的AM3517平台,主频高达500 MHz。总体架构如图1所示。

1.2 射频前端调理电路

如图2所示，射频前端整体硬件由前端匹配电路、发射检测电路、TDM开关单元与天线组成，其中符号BT_P与BT_N是BC04输出的蓝牙差分信号，符号WL是WLAN模块输出的WLAN单端信号。

1.2.1 前端匹配和发射检测电路

对于WLAN信号，WM-G-MR-09模块已将端口阻抗匹配至2.4 GHz/50 Ω。DBF81F104用于将蓝牙的等幅反相信号转成单端输出并进行匹配。由于发射端口的信号已经过PA放大，为了防止后级的功率检测器输出饱和电压，采用了耦合度为19.5 dB和隔离度为34.5 dB的定向耦合器DCS2146,保证射频通路信号强度不受影响[2]。LT5534是3 GHz频段内具有60 dB动态范围的高精度对数RF检波器，输出检测电压与输入功率对数成正比，能够检测只有38 ns延迟的全标度RF功率变化，且内部的温度补偿电路保障了工作特性的稳定。当蓝牙和WLAN网络处于发射状态时 (芯片发射功率约为6 dBm和11 dBm)，在LT5534输入端产生-10 dBm左右的耦合功率，芯片输出电压约为2.2 V(输出斜率为 35 mV/dB)，用于触发三极管。

1.2.2 TDM开关单元

为了产生抗噪性更强的TDM开关信号，需要将功率检测器输出的线性电压转换成数字电压，逻辑电路采用 2个 NPN管9011和3个双P沟道场效应管RF1K49093，如图2中的 T1、T2、M1～M6 （MOS管的上升下降时间在10 ns以内），射频单刀双掷开关AS179-92和单刀三掷开关SKY13385构成前向通路切换和后向通路切换。TDM开关逻辑的结果是能分时切换三种网络活动通路：WLAN发射、WPAN发射、WLAN/WPAN接收。如WPAN发射的控制逻辑，当功率检测器输出高电平时，T1管集电极输出低电平,串联的M1、M2管输出一对驱动能力更强的电平至 SPDT的 V2、V3，将 J1口闭合到 J3，通过线与逻辑将SP3T的J1闭合至RFC，发送WLAN信号至天线。WLAN/WPAN网络若无发射活动，功率检测器输出低电平，控制SP3T和功分器将接收信号分配至蓝牙和WLAN链路，由基带芯片各自接收。

1.3 三线协作接口和上位机接口

WM-G-MR-09与BC04都具备三线共存 I/O口，系统将芯片的 WL_ACTIVE、BT_PRIORITY、BT_STATE三个引脚对应相连。当蓝牙基带需要传输时,会置高BT_PRIORITY引脚以通知WLAN基带,并用BT_STATE引脚的电平高低表明数据包的优先级,判决信号WL_ACTIVE决定谁有媒介访问权,蓝牙LMP层只能等到WL_ACTIVE拉低才能传输。Linux系统通过SDIO接口发送802.3帧，WLAN基带负责将802.3帧转换为802.11帧，蓝牙HCI层命令、数据和事件分组则通过USB接口发送。

2 TDM软件实现

2.1 TDM仲裁器

802.11数据包的帧控制域包含2位帧类型域和4位子类型域[3],其中2位帧类型域将MAC帧分为控制帧、管理帧和数据帧，4位子类型域进一步判断帧类型。蓝牙链路管理层的协议数据单元PDU用7位操作码标识类型[4]。根据不同数据包类型，WLAN与WPAN均划分为高低两个优先级，仅将重要的WLAN控制帧和管理帧（如接收AP定时发送的Beacon帧和接收确认的ACK帧）以及WPAN LMP层命令包（如查询、扫描、广播、定时同步）定义为高优先级。因为单声道耳机的SCO/HV3帧缺少ARQ机制[5]，任何丢包都会表现为杂讯声音,因此蓝牙SCO数据包必须是高优先级。WLAN高优先级享有最高特权，WPAN高优先级介于WLAN高优先级与WLAN低优先级之间，WPAN低优先级最低。

2.2 TDM程序设计

对于WLAN基带程序，当PTA先收到外部蓝牙请求（此时 BT_PRIORITY=1），会读 BT_STATE电平得到蓝牙请求优先级，然后启动 75 μs仲裁窗口，75 μs内收到的WLAN发送和接收请求都要经过仲裁。PTA允许蓝牙使用,则拉低WL_ACTIVE，蓝牙基带程序要负责传输完整个数据包再将BT_PRIORITY引脚拉低，BT_PRIORITY下降沿通知PTA蓝牙已经结束传输,否则拉高WL_ACTIVE，直到等到WL_ACTIVE上升沿才允许蓝牙传输。若PTA先收到WLAN发送或接收请求，由于来自本地，仲裁窗口设为0μs，使WLAN数据包得到及时传输。WLAN基带使用固件程序，BC04蓝牙基带程序设计如图3所示。

图3 WPAN基带仲裁程序

3 测试和分析

图4、图5所示为WLAN与WPAN网络相距智能手机长度时，Linux系统下独立节点（单独天线的WLAN和蓝牙节点）和TDM节点（三线协作且共享天线）的网络吞吐量测试比较。

实验结果表明，当近距离共存的WLAN和WPAN网络同时服务时，TDM系统将WLAN TCP包和WPAN ACL数据链路的吞吐量提升了约25%，这也是智能手机大多采用TDM天线的原因。WPAN SCO语音链路数据包缺少CRC校验和重传机制，只能通过配对单声道蓝牙耳机检验WPAN HV3数据分组实时传输质量，实验中独立节点在WLAN网络活动干扰下，用蓝牙耳机播放音乐时夹杂明显的嗡嗡声,但TDM节点的蓝牙耳机播放音乐时音讯清晰,表明TDM系统通过提高HV3帧优先级保护了WPAN语音业务。

[1]夏威，李恪，许劲杨.蓝牙与Wi-Fi共存问题在蓝牙系统端的解决方案[J].计算机应用研究,2004(7):14-16.

[2]路德维格.射频电路设计[M].北京:电子工业出版社,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，刘云.蓝牙网络QoS机制的分析及其改进[J].北京交通大学学报,2002,26(6):91-95.