基于單Wi-Fi模塊的STA+P2P+AP共存方案

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

一般的單Wi-Fi 模塊，因為硬件驅(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，這樣雖然能實現(xiàn)三者共存，但無疑增加了相應的硬件成本同時對相關終端的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)絡包轉(zhuǎn)換等技術，達到單Wi-Fi模塊3 項功能共存的效果。

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、連接設備數(shù)量、信號強度傳輸距離等方面，起著關鍵性的作用。一般情況下的AP、P2P 一體化功能，需要滿足至少4 個設備的AP、P2P 連接，要實現(xiàn)4 路Miracast 投屏功能，因此要求WiFi 模塊應滿足如下規(guī)格。

1.1 支持雙頻雙并發(fā)

DBDC，全稱Dual-Band Dual-Concurrent，是Wi-Fi技術領域中的一個概念，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。該技術可以大幅提升Wi-Fi 網(wǎng)絡的性能和用戶體驗。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，以獲得更加穩(wěn)定和高速的網(wǎng)絡體驗。這種技術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)絡的穩(wěn)定性、容量和安全性。

1.2 支持2×2 MIMO

MIMO 技術是一種多輸入多輸出技術，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。在傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)中，只能使用1 個天線進行數(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 技術則可以同時使用多個天線，在同一頻段內(nèi)進行多路數(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 技術可以利用空間分集的技術，消除多徑傳播造成的干擾，提高通信的可靠性。

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

在MIMO 技術中，每個天線都可以傳輸獨立的數(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)絡中的一種特殊類型的數(shù)據(jù)包，一般由無線接入點（AP）定期發(fā)送，用于在無線網(wǎng)絡中進行廣播，向附近的設備（如手機、電腦等）廣播網(wǎng)絡的存在和相關信息，這些信息包括網(wǎng)絡的名稱（SSID）、網(wǎng)絡的安全性設置、支持的WiFi 標準和速率、信號強度以及其他網(wǎng)絡參數(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)絡中的設備和傳輸數(shù)據(jù)。設備可以通過監(jiān)聽Beacon 幀來獲取網(wǎng)絡信息，以便進行網(wǎng)絡連接和通信。

因此，如果將GO 主動發(fā)送的beacon 幀，攜帶AP所需要的網(wǎng)絡信息，即可達到在P2P 功能上擴展附加了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)議具體細節(jié)，GO 廣播的beacon 幀中攜帶的網(wǎng)絡名稱必須以DIRECT-XX[xxx] 格式，其中DIRECT- 為固定標識頭，XX表示必須的隨機的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，并在移動設備（后稱為A設備）的網(wǎng)絡界面，通過對應密碼進行連接。連接完成時，移動端設備系統(tǒng)會自動將一體化AP 的IP 地址作為自己的默認網(wǎng)關，所有需要連接外網(wǎng)的網(wǎng)絡包都會發(fā)送至一體化AP 所在的設備（后稱為B 設備）。但此時，該設備并不會將網(wǎng)絡包轉(zhuǎn)發(fā)至外部網(wǎng)絡，因此還需要在該設備上啟用NAT 轉(zhuǎn)換功能。啟用之后，所有從A 設備發(fā)往外網(wǎng)的網(wǎng)絡包，都會在B 設備內(nèi)部進行中轉(zhuǎn)，中轉(zhuǎn)到B設備連接外網(wǎng)的網(wǎng)絡端口，以達到A 設備上網(wǎng)的目的。

2.4 P2P與AP功能的獨立性

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，關閉時則同步關閉。此時無法完全滿足用戶單獨開關某項功能的需求，因此需要進一步客制化，才能滿足P2P 與AP 功能互相之間的獨立性：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置回系統(tǒng)默認值，此時雖然beacon 依然存在，但不是用戶設置的AP 信息，因此不會被用戶察覺，達到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，此時因為P2P Group 信息不全，設備就不被當作一個P2P 設備，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 模塊下實現(xiàn)STA+P2P+AP 功能的共存，降低了硬件成本和終端設備要求，普及度極大提升。在多人協(xié)作、多設備協(xié)作的場景下，具備極為廣闊的應用前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）