陳 馳

0 引言

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

第三代移動通信技術（3rd-generation，3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術。3G服務能夠同時傳送聲音及數(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更好地實現(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、電話會議、電子商務等多種信息服務。

由于3G在多媒體業(yè)務方面相比GSM更為豐富，3G網(wǎng)絡和手機正逐漸成為市場主流。但3G在數(shù)據(jù)通信傳輸速度方面相對Wi-Fi卻有所不足，因此將Wi-Fi技術融合進3G對用戶體驗有巨大的提升，已成為一種市場主流。

1 Wi-Fi技術在3G行業(yè)中的應用

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，由于各自的技術特點，其技術的側重點各有不同。對于Wi-Fi和3G的關系，從覆蓋區(qū)域、速率能力、基本業(yè)務類別、可移動速率、前向擴展演進走向等多方面綜合分析，都可以得出3G與Wi-Fi是一種優(yōu)良的互補組合，不是正面競爭關系。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技術更傾向于對有線局域網(wǎng)的替代，同時可以在一定范圍內達到對3G網(wǎng)絡的補充，承載低移動性的高速數(shù)據(jù)業(yè)務。

1.2 Wi-Fi技術在3G行業(yè)的應用

如前文所述，Wi-Fi技術的定位之一，可以是作為蜂窩移動通信的補充。蜂窩移動通信可以提供廣覆蓋、高移動性和中低等數(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彌補自己數(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通信完善的鑒權和計費機制，而且可以結合蜂窩移動通信廣覆蓋的特點，進行多接入切換功能。Wi-Fi作為3G的一種補充，可以實現(xiàn)Wi-Fi與蜂窩移動通信的融合，使蜂窩移動通信的運營錦上添花，進一步擴大其業(yè)務量。

目前，Wi-Fi技術已廣泛應用于3G網(wǎng)絡，熱點公共接入在3G網(wǎng)絡運營商的推動下發(fā)展迅速，相應的Wi-Fi手機終端也逐漸成為3G手機市場的主流產(chǎn)品。

2 3G手機集成Wi-Fi功能設計方案

當前主流Wi-Fi手機設計方案為Wi-Fi芯片供應商提供整套Wi-Fi協(xié)議解決方案，將其整合到手機方案中。經(jīng)過近兩三年的商用，單獨的Wi-Fi本身的主體功能已經(jīng)相對比較成熟，這在本文不再贅述；而Wi-Fi在GSM手機上的設計，由于2G手機業(yè)務比3G手機簡單，也相對比較成熟，不是本文的重點。本文側重于在 Wi-Fi集成到3G手機的設計中，和 3G手機上的多種業(yè)務之間可能存在的兼容性問題的研究與解決。

在Wi-Fi手機設計中，硬件工作電路設計上，各芯片廠商都有主流推薦參考電路，這些都已經(jīng)相對比較成熟和完善，因此設計的側重點在于Wi-Fi芯片和手機基帶芯片（Base Band Chip）之間的數(shù)據(jù)交互接口。

3G手機集成Wi-Fi功能的設計方案，一般采用手機內嵌Wi-Fi芯片，手機基帶芯片和Wi-Fi芯片進行交互數(shù)據(jù)的實現(xiàn)策略：需要一顆單獨的Wi-Fi芯片來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信以達到相比于3G手機更優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸速率，而手機基帶芯片通過SPI或SDIO接口和Wi-Fi芯片交互數(shù)據(jù)和進行網(wǎng)絡管理。

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手機內嵌Wi-Fi芯片所涉及的一些技術問題

前文敘述了Wi-Fi手機的基本工作過程，但Wi-Fi芯片內嵌于3G手機中，還可能會遇到一些技術問題。

3.1 Wi-Fi與藍牙的頻帶沖突處理

現(xiàn)今絕大部分都具有藍牙（Bluetooth）功能，因此可能存在某種場景：用戶在使用Wi-Fi上網(wǎng)的同時與其他用戶通過藍牙傳輸文件；或者在Wi-Fi下載時來電話，通過藍牙耳機接聽電話。在這種需要同時使用Wi-Fi設備和藍牙設備的情況下，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或者通話質量受到嚴重影響的現(xiàn)象。針對以上現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，Wi-Fi設備和藍牙設備的信號產(chǎn)生了相互干擾，而這種干擾很可能是因為頻帶沖突造成的。

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）上的兩種無線調頻方式和一種紅外傳輸方式，總數(shù)據(jù)傳輸速率設計為 2Mbit/s。兩個設備之間的通信可以自由直接（ad Hoc）方式進行，也可以在基站（BS，Base Station）或者訪問點（AP，Access Point）的協(xié)調下進行。后又補充兩個版本：802.11a定義了一個在 5GHz ISM頻段上的數(shù)據(jù)傳輸率可達54Mbit/s的物理層；802.11b定義了一個在2.4GHz ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸率達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用。

而對于藍牙，同樣也是準許 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和藍牙同時工作時，兩個相同的頻段必將產(chǎn)生相互干擾，增加另一個設備的底噪，如圖3所示：

圖3 Wi-Fi and Bluetooth sensitivity

3.1.1 自適應跳頻機制（AFH, Adaptive Frequency Hopping）

針對Wi-Fi和藍牙信號廣泛存在的同頻干擾問題，引入自適應跳頻機制解決干擾問題。

由于藍牙可以使用分布在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段的79個信道頻點，因此在Bluetooth 1.2版本中引入了自適應跳頻機制。這種機制可以讓藍牙避免使用和Wi-Fi信號相互干擾嚴重的頻點，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 自適應跳頻

藍牙設備自適應跳頻到中心頻段兩側干擾小的頻點上，可以減少與Wi-Fi設備之間的相互影響，使雙方都能夠正常工作。

但引入自適應跳頻機制后，卻遇到了兩種情況：對于不同的PCB板設計，其中部分電路設計板手機可以解決同頻干擾問題，對于需要同時使用Wi-Fi設備和藍牙設備的一些場景，不再存在相互干擾影響的問題；而另外一些電路設計板手機仍然存在互相干擾的情況。

實驗發(fā)現(xiàn)，能否避免干擾的關鍵在于Wi-Fi天線和藍牙天線的信號強度。針對不同設計板，自適應跳頻能夠有效解決同頻干擾問題的PCB板，存在一個現(xiàn)象，普遍都是Wi-Fi設備的天線和藍牙設備的天線設計的距離比較遠；而引入自適應跳頻機制后仍然存在干擾的PCB板，則是W-Fi設備的天線和藍牙設備的天線之間距離比較近。

顯而易見，距離的遠近，正好說明了信號的強弱。因此可以得出一個結論：自適應跳頻機制并非總是有效的，在非常強的干擾下，任何對頻率的跳頻操作都可能會沒有效果，如圖5所示：

圖5 自適應跳頻無效

3.1.2 時分多路轉換(TDM, Time division multiplex)

由于現(xiàn)今的手機主板已經(jīng)做得非常小，出于PCB板設計上的一些限制，Wi-Fi設備和藍牙設備的間距一般無法保證能拉開到足夠遠的間距，因而往往導致信號的相互干擾強到自適應跳頻無法起作用的程度。因此出于對并發(fā)情況的考慮，在手機方案中，一般需要考慮自適應跳頻無效的情況下如何處理。

在硬件限制導致無法保證同時并發(fā)的情況下，引入時分多路轉換機制，利用握手信號，使Wi-Fi和藍牙分時工作在2.4GHz ISM頻段，避免產(chǎn)生相互沖突和干擾。但是時分多路轉換機制會降低Wi-Fi和藍牙的吞吐量，所以這個機制一般是在自適應跳頻不能產(chǎn)生良好效果時使用[3]。

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

3.1.2.1 兩線模式

Wi-Fi給藍牙信號wl_active，表示W(wǎng)i-Fi有通信，如果這個信號產(chǎn)生，藍牙應該只接收/發(fā)送高優(yōu)先級的包，其它包延遲處理；

藍牙給Wi-Fi信號bt_priority，表示藍牙要接收/發(fā)送高優(yōu)先級的包，Wi-Fi必須停止當前通信。

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

3.1.2.2 三線模式

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

3.1.2.3 四線模式

四線模式和三線模式相似，再多加一根藍牙輸出的bt_freq，用于指示藍牙通信是否和Wi-Fi頻帶沖突。出于系統(tǒng)復雜度及手機設計的需要考慮，目前在手機設計上廣泛采用三線模式處理Wi-Fi設備和藍牙設備的分時工作。一個典型的三線模式時分多路復用機制的信號線連接設計圖，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牙和 Wi-Fi提交申請給 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信號都是指“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與其他手機應用的數(shù)據(jù)總線并發(fā)問題

由于當前3G手機市場的微利化趨勢，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手機方案設計， SDIO數(shù)據(jù)接口一般設計為基帶芯片和存儲卡間的讀寫接口；而SPI數(shù)據(jù)接口，一種應用是可以用在支持手機電視（CMMB, China Mobile Multimedia Broadcasting,中國移動數(shù)字多媒體廣播）的3G手機上作為基帶芯片和手機電視芯片間的數(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芯片和手機基帶芯片之間的數(shù)據(jù)通信，往往需要和其它手機應用復用數(shù)據(jù)總線。在Wi-Fi手機設計方案的實施過程中，遇到了Wi-Fi和手機電視并發(fā)時Wi-Fi不能使用或者手機電視無法播放的問題。下面是一個典型的Wi-Fi芯片與手機電視芯片復用SPI數(shù)據(jù)總線的案例，如圖7所示：

圖7 Wi-Fi和手機電視芯片SPI通道復用接口

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，這樣任何一個設備的管腳信號都有可能受到另一個設備的影響。出于成本上的考慮，手機選用的第三方芯片，不能絕對保證在上電狀態(tài)下而片選信號沒有選中自身芯片的時候，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，即使CS未選中，WIFI_SPIDO管腳仍恒定輸出低電平，這將導致在Wi-Fi后臺時播放手機電視的情況下，WIFI_SPIDO管腳影響到了CMMB_SPIDO的輸出狀態(tài)，手機基帶芯片的接收信號受到干擾，導致手機電視無法正常播放；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，這種情況反過來導致在Wi-Fi后臺時播放手機電視，卻使Wi-Fi連接斷開的現(xiàn)象。

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

對于上面處理方式中的后者，以下是設計使用的一個SPI通道的模擬切換開關，它是一個由GPIO控制的三刀雙置開關，如圖8所示：

圖8 SPI通道切換開關示意圖

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

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

4 結論

在手機芯片方案中集成Wi-Fi功能，并在軟硬件上設計了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：對已有的功能沒有影響，相對于3G網(wǎng)絡本身Wi-Fi功能提供了更好的網(wǎng)速體驗，并且在可能存在沖突的與藍牙、手機電視、存儲卡等應用上互不影響，能夠很好地支持共存和并發(fā)，進一步提升了用戶體驗，達到了系統(tǒng)設計的預期目的。

[1]王志賀，馬國旗，紀憶，淺談WIFI技術，[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