Wi-Fi 技術(shù)在3G 手機(jī)設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用與研究

陳 馳

0 引言

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線相容性認(rèn)證）是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如 PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE802.11a/b/g等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。[1]Wi-Fi實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)認(rèn)證，在無線局域網(wǎng)的范疇是指“無線相容性認(rèn)證”。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是由 AP（Access Point，接入點(diǎn)）和無線網(wǎng)卡組成的一種無線網(wǎng)絡(luò)。相比較于通過網(wǎng)線連接局域網(wǎng)技術(shù)，Wi-Fi與藍(lán)牙一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。

第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3rd-generation，3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，3G與 GSM 的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。

由于3G在多媒體業(yè)務(wù)方面相比GSM更為豐富，3G網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)正逐漸成為市場(chǎng)主流。但3G在數(shù)據(jù)通信傳輸速度方面相對(duì)Wi-Fi卻有所不足，因此將Wi-Fi技術(shù)融合進(jìn)3G對(duì)用戶體驗(yàn)有巨大的提升，已成為一種市場(chǎng)主流。

1 Wi-Fi技術(shù)在3G行業(yè)中的應(yīng)用

1.1 Wi-Fi和3G之間的差別與聯(lián)系

Wi-Fi和3G都屬于寬帶無線技術(shù)，由于各自的技術(shù)特點(diǎn)，其技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)各有不同。對(duì)于Wi-Fi和3G的關(guān)系，從覆蓋區(qū)域、速率能力、基本業(yè)務(wù)類別、可移動(dòng)速率、前向擴(kuò)展演進(jìn)走向等多方面綜合分析，都可以得出3G與Wi-Fi是一種優(yōu)良的互補(bǔ)組合，不是正面競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。3G和 Wi-Fi的比較，如表1所示：

表1 3G和Wi-Fi的比較

從以上比較可以看出，Wi-Fi技術(shù)更傾向于對(duì)有線局域網(wǎng)的替代，同時(shí)可以在一定范圍內(nèi)達(dá)到對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，承載低移動(dòng)性的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

1.2 Wi-Fi技術(shù)在3G行業(yè)的應(yīng)用

如前文所述，Wi-Fi技術(shù)的定位之一，可以是作為蜂窩移動(dòng)通信的補(bǔ)充。蜂窩移動(dòng)通信可以提供廣覆蓋、高移動(dòng)性和中低等數(shù)據(jù)傳輸速率，它可以利用Wi-Fi高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)彌補(bǔ)自己數(shù)據(jù)傳輸速率受限的不足。而Wi-Fi不僅可以利用蜂窩移動(dòng)通信完善的鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)機(jī)制，而且可以結(jié)合蜂窩移動(dòng)通信廣覆蓋的特點(diǎn)，進(jìn)行多接入切換功能。Wi-Fi作為3G的一種補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi與蜂窩移動(dòng)通信的融合，使蜂窩移動(dòng)通信的運(yùn)營錦上添花，進(jìn)一步擴(kuò)大其業(yè)務(wù)量。

目前，Wi-Fi技術(shù)已廣泛應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)，熱點(diǎn)公共接入在3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的推動(dòng)下發(fā)展迅速，相應(yīng)的Wi-Fi手機(jī)終端也逐漸成為3G手機(jī)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

2 3G手機(jī)集成Wi-Fi功能設(shè)計(jì)方案

當(dāng)前主流Wi-Fi手機(jī)設(shè)計(jì)方案為Wi-Fi芯片供應(yīng)商提供整套Wi-Fi協(xié)議解決方案，將其整合到手機(jī)方案中。經(jīng)過近兩三年的商用，單獨(dú)的Wi-Fi本身的主體功能已經(jīng)相對(duì)比較成熟，這在本文不再贅述；而Wi-Fi在GSM手機(jī)上的設(shè)計(jì)，由于2G手機(jī)業(yè)務(wù)比3G手機(jī)簡單，也相對(duì)比較成熟，不是本文的重點(diǎn)。本文側(cè)重于在 Wi-Fi集成到3G手機(jī)的設(shè)計(jì)中，和 3G手機(jī)上的多種業(yè)務(wù)之間可能存在的兼容性問題的研究與解決。

在Wi-Fi手機(jī)設(shè)計(jì)中，硬件工作電路設(shè)計(jì)上，各芯片廠商都有主流推薦參考電路，這些都已經(jīng)相對(duì)比較成熟和完善，因此設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)在于Wi-Fi芯片和手機(jī)基帶芯片（Base Band Chip）之間的數(shù)據(jù)交互接口。

3G手機(jī)集成Wi-Fi功能的設(shè)計(jì)方案，一般采用手機(jī)內(nèi)嵌Wi-Fi芯片，手機(jī)基帶芯片和Wi-Fi芯片進(jìn)行交互數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)策略：需要一顆單獨(dú)的Wi-Fi芯片來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信以達(dá)到相比于3G手機(jī)更優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸速率，而手機(jī)基帶芯片通過SPI或SDIO接口和Wi-Fi芯片交互數(shù)據(jù)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。

SPI數(shù)據(jù)接口示意圖，如圖1所示：

圖1 SPI Driver

SDIO數(shù)據(jù)接口示意圖，如圖2所示：

圖2 SDIO Driver

3 3G手機(jī)內(nèi)嵌Wi-Fi芯片所涉及的一些技術(shù)問題

前文敘述了Wi-Fi手機(jī)的基本工作過程，但Wi-Fi芯片內(nèi)嵌于3G手機(jī)中，還可能會(huì)遇到一些技術(shù)問題。

3.1 Wi-Fi與藍(lán)牙的頻帶沖突處理

現(xiàn)今絕大部分都具有藍(lán)牙（Bluetooth）功能，因此可能存在某種場(chǎng)景：用戶在使用Wi-Fi上網(wǎng)的同時(shí)與其他用戶通過藍(lán)牙傳輸文件；或者在Wi-Fi下載時(shí)來電話，通過藍(lán)牙耳機(jī)接聽電話。在這種需要同時(shí)使用Wi-Fi設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備的情況下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或者通話質(zhì)量受到嚴(yán)重影響的現(xiàn)象。針對(duì)以上現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，Wi-Fi設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備的信號(hào)產(chǎn)生了相互干擾，而這種干擾很可能是因?yàn)轭l帶沖突造成的。

眾所周知，Wi-Fi所遵循的 IEEE802.11定義了 MAC（Medium Access Control，介質(zhì)訪問控制）層和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段（Industrial Scientific Medical Band）上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸方式，總數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為 2Mbit/s。兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接（ad Hoc）方式進(jìn)行，也可以在基站（BS，Base Station）或者訪問點(diǎn)（AP，Access Point）的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。后又補(bǔ)充兩個(gè)版本：802.11a定義了一個(gè)在 5GHz ISM頻段上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)54Mbit/s的物理層；802.11b定義了一個(gè)在2.4GHz ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)11Mbit/s的物理層。而2.4GHz ISM頻段被世界上絕大多數(shù)國家所使用，因此IEEE802.11b得到了最為廣泛的應(yīng)用。

而對(duì)于藍(lán)牙，同樣也是準(zhǔn)許 IEEE802規(guī)范中的IEEE802.15協(xié)議，與Wi-Fi一樣使用2.4GHz ISM無線頻段。因此Wi-Fi和藍(lán)牙同時(shí)工作時(shí)，兩個(gè)相同的頻段必將產(chǎn)生相互干擾，增加另一個(gè)設(shè)備的底噪，如圖3所示：

圖3 Wi-Fi and Bluetooth sensitivity

3.1.1 自適應(yīng)跳頻機(jī)制（AFH, Adaptive Frequency Hopping）

針對(duì)Wi-Fi和藍(lán)牙信號(hào)廣泛存在的同頻干擾問題，引入自適應(yīng)跳頻機(jī)制解決干擾問題。

由于藍(lán)牙可以使用分布在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段的79個(gè)信道頻點(diǎn)，因此在Bluetooth 1.2版本中引入了自適應(yīng)跳頻機(jī)制。這種機(jī)制可以讓藍(lán)牙避免使用和Wi-Fi信號(hào)相互干擾嚴(yán)重的頻點(diǎn)，將干擾大的信道重映射到干擾小的信道上，如圖4所示：

圖4 自適應(yīng)跳頻

藍(lán)牙設(shè)備自適應(yīng)跳頻到中心頻段兩側(cè)干擾小的頻點(diǎn)上，可以減少與Wi-Fi設(shè)備之間的相互影響，使雙方都能夠正常工作。

但引入自適應(yīng)跳頻機(jī)制后，卻遇到了兩種情況：對(duì)于不同的PCB板設(shè)計(jì)，其中部分電路設(shè)計(jì)板手機(jī)可以解決同頻干擾問題，對(duì)于需要同時(shí)使用Wi-Fi設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備的一些場(chǎng)景，不再存在相互干擾影響的問題；而另外一些電路設(shè)計(jì)板手機(jī)仍然存在互相干擾的情況。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，能否避免干擾的關(guān)鍵在于Wi-Fi天線和藍(lán)牙天線的信號(hào)強(qiáng)度。針對(duì)不同設(shè)計(jì)板，自適應(yīng)跳頻能夠有效解決同頻干擾問題的PCB板，存在一個(gè)現(xiàn)象，普遍都是Wi-Fi設(shè)備的天線和藍(lán)牙設(shè)備的天線設(shè)計(jì)的距離比較遠(yuǎn)；而引入自適應(yīng)跳頻機(jī)制后仍然存在干擾的PCB板，則是W-Fi設(shè)備的天線和藍(lán)牙設(shè)備的天線之間距離比較近。

顯而易見，距離的遠(yuǎn)近，正好說明了信號(hào)的強(qiáng)弱。因此可以得出一個(gè)結(jié)論：自適應(yīng)跳頻機(jī)制并非總是有效的，在非常強(qiáng)的干擾下，任何對(duì)頻率的跳頻操作都可能會(huì)沒有效果，如圖5所示：

圖5 自適應(yīng)跳頻無效

3.1.2 時(shí)分多路轉(zhuǎn)換(TDM, Time division multiplex)

由于現(xiàn)今的手機(jī)主板已經(jīng)做得非常小，出于PCB板設(shè)計(jì)上的一些限制，Wi-Fi設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備的間距一般無法保證能拉開到足夠遠(yuǎn)的間距，因而往往導(dǎo)致信號(hào)的相互干擾強(qiáng)到自適應(yīng)跳頻無法起作用的程度。因此出于對(duì)并發(fā)情況的考慮，在手機(jī)方案中，一般需要考慮自適應(yīng)跳頻無效的情況下如何處理。

在硬件限制導(dǎo)致無法保證同時(shí)并發(fā)的情況下，引入時(shí)分多路轉(zhuǎn)換機(jī)制，利用握手信號(hào)，使Wi-Fi和藍(lán)牙分時(shí)工作在2.4GHz ISM頻段，避免產(chǎn)生相互沖突和干擾。但是時(shí)分多路轉(zhuǎn)換機(jī)制會(huì)降低Wi-Fi和藍(lán)牙的吞吐量，所以這個(gè)機(jī)制一般是在自適應(yīng)跳頻不能產(chǎn)生良好效果時(shí)使用[3]。

IEEE802.15.2協(xié)議中規(guī)定了仲裁方式和信號(hào)的框架，很多藍(lán)牙芯片廠商也有自己專有的握手信號(hào)定義，道理上來說設(shè)計(jì)還需要了解主流Wi-Fi芯片的握手信號(hào)定義，簡單說明如下：

3.1.2.1 兩線模式

Wi-Fi給藍(lán)牙信號(hào)wl_active，表示W(wǎng)i-Fi有通信，如果這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生，藍(lán)牙應(yīng)該只接收/發(fā)送高優(yōu)先級(jí)的包，其它包延遲處理；

藍(lán)牙給Wi-Fi信號(hào)bt_priority，表示藍(lán)牙要接收/發(fā)送高優(yōu)先級(jí)的包，Wi-Fi必須停止當(dāng)前通信。

以上兩根信號(hào)線是分別保護(hù)Wi-Fi和藍(lán)牙通信的，信號(hào)發(fā)生的多少會(huì)影響2.4G ISM頻段上帶寬在兩者間的分配。從藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)的角度，必須支持包優(yōu)先級(jí)的區(qū)分和延遲包的處理。如果藍(lán)牙芯片知道Wi-Fi的頻帶，bt_priority也可以只在頻率沖突時(shí)拉起。

3.1.2.2 三線模式

三線模式和兩線模式相似，多加一根藍(lán)牙輸出的bt_active，這樣和bt_priority一起可以表示兩種優(yōu)先級(jí)的藍(lán)牙通信。

3.1.2.3 四線模式

四線模式和三線模式相似，再多加一根藍(lán)牙輸出的bt_freq，用于指示藍(lán)牙通信是否和Wi-Fi頻帶沖突。出于系統(tǒng)復(fù)雜度及手機(jī)設(shè)計(jì)的需要考慮，目前在手機(jī)設(shè)計(jì)上廣泛采用三線模式處理Wi-Fi設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備的分時(shí)工作。一個(gè)典型的三線模式時(shí)分多路復(fù)用機(jī)制的信號(hào)線連接設(shè)計(jì)圖，如圖6所示：

圖6 三線模式接線圖

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

IEEE802.15.2協(xié)議中沒有規(guī)定 PTA具體的硬件接口和仲裁判定，是依賴實(shí)現(xiàn)的。也有類似上述2/3/4線方案。但包流量仲裁的基本思想是藍(lán)牙和 Wi-Fi提交申請(qǐng)給 PTA Controller（一般PTA Controller集成在Wi-Fi中），由PTA Controller來許可。所以包流量仲裁中的相關(guān)信號(hào)都是指“將要”的操作，不同于上面的是指已經(jīng)發(fā)生的操作。

3.2 Wi-Fi與其他手機(jī)應(yīng)用的數(shù)據(jù)總線并發(fā)問題

由于當(dāng)前3G手機(jī)市場(chǎng)的微利化趨勢(shì)，出于降低成本的需要，基帶芯片往往只提供少量的數(shù)據(jù)接口。現(xiàn)今的Wi-Fi芯片可以選者SDIO或者SPI數(shù)據(jù)接口，而3G手機(jī)基帶芯片往往只各提供一路SDIO和SPI接口。而在現(xiàn)今的3G手機(jī)方案設(shè)計(jì)， SDIO數(shù)據(jù)接口一般設(shè)計(jì)為基帶芯片和存儲(chǔ)卡間的讀寫接口；而SPI數(shù)據(jù)接口，一種應(yīng)用是可以用在支持手機(jī)電視（CMMB, China Mobile Multimedia Broadcasting,中國移動(dòng)數(shù)字多媒體廣播）的3G手機(jī)上作為基帶芯片和手機(jī)電視芯片間的數(shù)據(jù)傳輸接口，或者SPI顯示屏接口等。

因此，在多數(shù)情況下，Wi-Fi芯片和手機(jī)基帶芯片之間的數(shù)據(jù)通信，往往需要和其它手機(jī)應(yīng)用復(fù)用數(shù)據(jù)總線。在Wi-Fi手機(jī)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過程中，遇到了Wi-Fi和手機(jī)電視并發(fā)時(shí)Wi-Fi不能使用或者手機(jī)電視無法播放的問題。下面是一個(gè)典型的Wi-Fi芯片與手機(jī)電視芯片復(fù)用SPI數(shù)據(jù)總線的案例，如圖7所示：

圖7 Wi-Fi和手機(jī)電視芯片SPI通道復(fù)用接口

從圖5所示，分析發(fā)現(xiàn)Wi-Fi和CMMB的SPI CLK/DO/DI管腳直接連接到Baseband主芯片上，這樣任何一個(gè)設(shè)備的管腳信號(hào)都有可能受到另一個(gè)設(shè)備的影響。出于成本上的考慮，手機(jī)選用的第三方芯片，不能絕對(duì)保證在上電狀態(tài)下而片選信號(hào)沒有選中自身芯片的時(shí)候，各SPI數(shù)據(jù)管腳肯定為高阻態(tài)。

例如，某廠家的Wi-Fi芯片，在芯片沒有處于power off或power on狀態(tài)時(shí)，即使CS未選中，WIFI_SPIDO管腳仍恒定輸出低電平，這將導(dǎo)致在Wi-Fi后臺(tái)時(shí)播放手機(jī)電視的情況下，WIFI_SPIDO管腳影響到了CMMB_SPIDO的輸出狀態(tài)，手機(jī)基帶芯片的接收信號(hào)受到干擾，導(dǎo)致手機(jī)電視無法正常播放；另有某廠家的CMMB芯片，在掉電情況下如果CMMB_CS或CMMB_SPIDI管腳之一為高電平，將會(huì)使CMMB芯片的電源管腳和其它SPI管腳產(chǎn)生半高電平，這種情況反過來導(dǎo)致在Wi-Fi后臺(tái)時(shí)播放手機(jī)電視，卻使Wi-Fi連接斷開的現(xiàn)象。

因此，在當(dāng)今手機(jī)低成本化的環(huán)境下，選用的第三方芯片受限于自身的芯片特性，很可能單獨(dú)工作沒有問題，但是對(duì)并發(fā)的要求就不能很好的支持了。在這種情況下，手機(jī)設(shè)計(jì)最后考慮兩種處理方式：一是對(duì)于低端機(jī)設(shè)計(jì)，將手機(jī)的需求就定位為不支持并發(fā)，即只要Wi-Fi連接打開，就在用戶界面上設(shè)置禁止使用手機(jī)電視的應(yīng)用（如果Wi-Fi使用的是SDIO接口則禁止使用存儲(chǔ)卡），同樣反過來使用了手機(jī)電視（或者正在通過文件管理工具使用存儲(chǔ)卡功能）就禁止使用Wi-Fi；二是對(duì)于中高端機(jī)設(shè)計(jì)，為了提供較好的用戶體驗(yàn)，需求設(shè)計(jì)定義為支持并發(fā)，這樣在手機(jī)設(shè)計(jì)方案中可以考慮增加一個(gè)模擬切換開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的分時(shí)切換，獨(dú)立工作。

對(duì)于上面處理方式中的后者，以下是設(shè)計(jì)使用的一個(gè)SPI通道的模擬切換開關(guān)，它是一個(gè)由GPIO控制的三刀雙置開關(guān)，如圖8所示：

圖8 SPI通道切換開關(guān)示意圖

模擬切換開關(guān)的工作原理是，當(dāng)SPI通道需要發(fā)生切換時(shí)，軟件在上拉對(duì)應(yīng)芯片的片選信號(hào)管腳前操作與之相對(duì)應(yīng)的GPIO管腳電平，以控制開關(guān)切換到需要使用的SPI通道上保證一方單獨(dú)享有數(shù)據(jù)通道，然后拉片選信號(hào)開始數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)以上原理，使用模擬切換開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi和其它設(shè)備在數(shù)據(jù)總線上的并發(fā)設(shè)計(jì)，提高用戶體驗(yàn)。具體軟硬件實(shí)現(xiàn)限于篇幅本文不做贅述。

4 結(jié)論

在手機(jī)芯片方案中集成Wi-Fi功能，并在軟硬件上設(shè)計(jì)了2.4GHz ISM頻段沖突處理和數(shù)據(jù)總線并發(fā)支持之后，取得了以下的效果：對(duì)已有的功能沒有影響，相對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò)本身Wi-Fi功能提供了更好的網(wǎng)速體驗(yàn)，并且在可能存在沖突的與藍(lán)牙、手機(jī)電視、存儲(chǔ)卡等應(yīng)用上互不影響，能夠很好地支持共存和并發(fā)，進(jìn)一步提升了用戶體驗(yàn)，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

[1]王志賀，馬國旗，紀(jì)憶，淺談WIFI技術(shù)，[OL]中國期刊網(wǎng)，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