基于單Wi-Fi模塊的STA+P2P+AP共存方案

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和投屏互聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)功能的需求越來越高，需要越來越多特殊的網(wǎng)絡(luò)功能來滿足各種場景。在Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中，除了提供基本的無線接入服務(wù)外，還可以支持AP 和P2P 等特殊網(wǎng)絡(luò)功能；AP 可以幫助多個無線設(shè)備連接在一起，并實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸；而P2P 則可以直接將不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶進(jìn)行文件傳輸、投屏等操作。

一般的單Wi-Fi 模塊，因?yàn)橛布?qū)動的限制，只能支持STA+P2P 共存或者STA+AP 共存，無法做到三者共存。但實(shí)際場景中，特別是多人協(xié)同的會議、家庭多人娛樂等場景下有較強(qiáng)需求。常規(guī)的做法是使用兩個Wi-Fi 模塊，1 個提供STA+P2P 功能，1 個提供AP 功能，這樣雖然能實(shí)現(xiàn)三者共存，但無疑增加了相應(yīng)的硬件成本同時對相關(guān)終端的SoC 也提出了更高要求。因此，本文提出了一種基于單Wi-Fi 模塊的STA+P2P+AP 共存方案，利用P2P 特性原理，產(chǎn)生一種兼容AP 功能的的P2P Group，并使用網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)換等技術(shù)，達(dá)到單Wi-Fi模塊3 項(xiàng)功能共存的效果。

1 硬件需求

不同規(guī)格的Wi-Fi 模塊對最終產(chǎn)品的性能表現(xiàn)有著較大影響，特別是在連接穩(wěn)定性、連接設(shè)備數(shù)量、信號強(qiáng)度傳輸距離等方面，起著關(guān)鍵性的作用。一般情況下的AP、P2P 一體化功能，需要滿足至少4 個設(shè)備的AP、P2P 連接，要實(shí)現(xiàn)4 路Miracast 投屏功能，因此要求WiFi 模塊應(yīng)滿足如下規(guī)格。

1.1 支持雙頻雙并發(fā)

DBDC，全稱Dual-Band Dual-Concurrent，是Wi-Fi技術(shù)領(lǐng)域中的一個概念，指的是一種同時支持2.4 GHz和5 GHz 雙頻段，且能夠同時處理兩個頻段信號的技術(shù)。該技術(shù)可以大幅提升Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶體驗(yàn)。傳統(tǒng)的單頻Wi-Fi 只能支持1 個頻段的信號，不能同時處理2.4 GHz 和5 GHz 的信號，因此在高密度場景下容易出現(xiàn)擁堵和干擾。而DBDC 技術(shù)可以同時支持2.4 GHz 和5 GHz 雙頻段信號，用戶可以選擇最佳的頻段連接網(wǎng)絡(luò)，以獲得更加穩(wěn)定和高速的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。這種技術(shù)在一些場景下非常有用，比如家庭、辦公室和公共場所等，可以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、容量和安全性。

1.2 支持2×2 MIMO

MIMO 技術(shù)是一種多輸入多輸出技術(shù)，指的是在無線通信中，使用多個發(fā)射天線和多個接收天線，同時傳輸多個數(shù)據(jù)流，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性的技術(shù)。在傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)中，只能使用1 個天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收，因此數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性受到限制。而MIMO 技術(shù)則可以同時使用多個天線，在同一頻段內(nèi)進(jìn)行多路數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。

MIMO 技術(shù)將原來的1 個天線看作1 個發(fā)送接收鏈路，每個天線可以傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，因此，通過增加場景中的天線數(shù)量，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率并改善信道性能。另外，MIMO 技術(shù)可以利用空間分集的技術(shù)，消除多徑傳播造成的干擾，提高通信的可靠性。

MIMO 技術(shù)可以將1 個物理通道分解為多個獨(dú)立的子通道，每個子通道都可以傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，這就是空間流。舉例來說，2×2 MIMO 技術(shù)可以支持兩個空間流，3×3 MIMO 技術(shù)可以支持3 個空間流。

在MIMO 技術(shù)中，每個天線都可以傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，因此天線數(shù)量越多，可以支持的空間流就越多，數(shù)據(jù)傳輸速率也就越高。通常，MIMO 技術(shù)的天線數(shù)量和每個空間流的數(shù)量是成比例的，例如2×2 MIMO 需要4 個天線，可以支持2 個空間流，3×3 MIMO 需要6個天線，可以支持3 個空間流。

圖1 MIMO系統(tǒng)框圖

2 軟件設(shè)計

2.1 基本原理

根據(jù)Wi-Fi 聯(lián)盟（WiFi Alliance） 規(guī)定的WiFiP2P（WiFi Direct）協(xié)議具體細(xì)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)，在P2P Group 協(xié)商完成后，GO（P2P Group Owner） 會主動主動廣播beacon 幀， 以告知P2P Group 的存在。而beacon 幀是Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中的一種特殊類型的數(shù)據(jù)包，一般由無線接入點(diǎn)（AP）定期發(fā)送，用于在無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播，向附近的設(shè)備（如手機(jī)、電腦等）廣播網(wǎng)絡(luò)的存在和相關(guān)信息，這些信息包括網(wǎng)絡(luò)的名稱（SSID）、網(wǎng)絡(luò)的安全性設(shè)置、支持的WiFi 標(biāo)準(zhǔn)和速率、信號強(qiáng)度以及其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等。同時，beacon 幀還包含了一些管理信息，如時間戳、信道信息和定時器信息等，用于協(xié)調(diào)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備可以通過監(jiān)聽Beacon 幀來獲取網(wǎng)絡(luò)信息，以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和通信。

因此，如果將GO 主動發(fā)送的beacon 幀，攜帶AP所需要的網(wǎng)絡(luò)信息，即可達(dá)到在P2P 功能上擴(kuò)展附加了AP 的功能（后面稱為一體化AP）。此時只要WiFi模塊硬件驅(qū)動上支持STA+P2P 功能，同時啟用一體化AP，即可達(dá)到STA+P2P+AP 共存的效果。

圖2 P2P Group的組成和Group Owner

2.2 自定義AP信息

根據(jù)WiFi 聯(lián)盟規(guī)定的Wi-Fi P2P 協(xié)議具體細(xì)節(jié)，GO 廣播的beacon 幀中攜帶的網(wǎng)絡(luò)名稱必須以DIRECT-XX[xxx] 格式，其中DIRECT- 為固定標(biāo)識頭，XX表示必須的隨機(jī)的2 位大小寫字母或數(shù)字組合，[xxx]表示可選后綴，可選擇填入中文、英文和其他符號、數(shù)字信息。SSID 的總長度遵循Wi-Fi聯(lián)盟規(guī)定，最大支持32 個字符。

安全性方面， 可選擇OPEN 和WPA/WPA2-PSK 加密類型， 加密類型為WPA/WPA2-PSK 時，需要指定一個8~64 字符的，由大小寫英文或數(shù)字、其他符號組合的密碼。

一般來說，正常的AP 功能，都需提供SSID、加密類型、密碼3 項(xiàng)信息的修改方法，以方便用戶客制化。為了讓一體化AP 盡可能接近真實(shí)AP 的功能，也需要做一個用戶界面，允許用戶配置SSID 可選后綴、加密類型和密碼信息。

圖3 NAT轉(zhuǎn)換原理

2.3 網(wǎng)絡(luò)包的轉(zhuǎn)換

完成前面的操作之后，用戶可以掃描到自己在用戶界面上配置的一體化AP，并在移動設(shè)備（后稱為A設(shè)備）的網(wǎng)絡(luò)界面，通過對應(yīng)密碼進(jìn)行連接。連接完成時，移動端設(shè)備系統(tǒng)會自動將一體化AP 的IP 地址作為自己的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，所有需要連接外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)包都會發(fā)送至一體化AP 所在的設(shè)備（后稱為B 設(shè)備）。但此時，該設(shè)備并不會將網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)至外部網(wǎng)絡(luò)，因此還需要在該設(shè)備上啟用NAT 轉(zhuǎn)換功能。啟用之后，所有從A 設(shè)備發(fā)往外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)包，都會在B 設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行中轉(zhuǎn)，中轉(zhuǎn)到B設(shè)備連接外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)端口，以達(dá)到A 設(shè)備上網(wǎng)的目的。

2.4 P2P與AP功能的獨(dú)立性

從基本原理中可以得知，正常情況下，一體化AP的功能與P2P 功能是綁定的，也就是P2P Group 啟動時，P2P 功能可用，一體化AP 功能也同時可用，關(guān)閉時則同步關(guān)閉。此時無法完全滿足用戶單獨(dú)開關(guān)某項(xiàng)功能的需求，因此需要進(jìn)一步客制化，才能滿足P2P 與AP 功能互相之間的獨(dú)立性：在啟用P2P 而不啟用AP 時，將SSID 可選后綴，加密類型和密碼信息設(shè)置回系統(tǒng)默認(rèn)值，此時雖然beacon 依然存在，但不是用戶設(shè)置的AP 信息，因此不會被用戶察覺，達(dá)到AP 功能不啟用的目的。

在啟用AP 而不啟用P2P 時，將beacon 幀所攜帶的P2P Group 信息刪除，此時因?yàn)镻2P Group 信息不全，設(shè)備就不被當(dāng)作一個P2P 設(shè)備，因而P2P 功能不能正常使用。

3 結(jié)束語

本文提出的基于單WiFi 模塊的STA+P2P+AP 功能共存方案，充分利用了P2P 功能的特性，在P2P Group的beacon 幀中攜帶了AP 的信息，將P2P 和AP 功能合二為一，從而在單Wi-Fi 模塊下實(shí)現(xiàn)STA+P2P+AP 功能的共存，降低了硬件成本和終端設(shè)備要求，普及度極大提升。在多人協(xié)作、多設(shè)備協(xié)作的場景下，具備極為廣闊的應(yīng)用前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）