基于单Wi-Fi模块的STA+P2P+AP共存方案.pdf

设计了一种基于单WiFi模块的STA+P2P+AP共存方案，硬件采用DBDC的2X2 Wi-Fi模块，通过P2P Group的beacon帧广播来实现AP和P2P的共存，不仅解决了STA+P2P下的AP共存问题，而且解决了单Wi-Fi模块多种网络服务的共存冲突，有效提升了互联网无线终端协作的效率，并降低了成本。关键词：Wi-Fi；STA；P2P；AP；共存随着网络技术和投屏互联技术的不断发展，人们对网络功能的需求越来越高，需要越来越多特殊的网络功能来满足各种场景。在 Wi-Fi 网络中，除了提供基本的无线接入服务外，还可以支持 AP 和 P2P 等特殊网络功能；AP 可以帮助多个无线设备连接在一起，并实现无线网络覆盖和数据传输；而 P2P 则可以直接将不同设备之间的数据传输，方便用户进行文件传输、投屏等操作。一般的单 Wi-Fi 模块，因为硬件驱动的限制，只能支持 STA+P2P 共存或者 STA+AP 共存，无法做到三者共存。但实际场景中，特别是多人协同的会议、家庭多人娱乐等场景下有较强需求。常规的做法是使用两个Wi-Fi模块，1个提供STA+P2P功能，1个提供AP功能，这样虽然能实现三者共存，但无疑增加了相应的硬件成本同时对相关终端的 SoC 也提出了更高要求。因此，本文提出了一种基于单 Wi-Fi 模块的 STA+P2P+AP 共存方案，利用 P2P 特性原理，产生一种兼容 AP 功能的的P2P Group，并使用网络包转换等技术，达到单 Wi-Fi模块 3 项功能共存的效果。1 硬件需求不同规格的 Wi-Fi 模块对最终产品的性能表现有着较大影响，特别是在连接稳定性、连接设备数量、信号强度传输距离等方面，起着关键性的作用。一般情况下的 AP、P2P 一体化功能，需要满足至少 4 个设备的AP、P2P 连接，要实现 4 路 Miracast 投屏功能，因此要求 WiFi 模块应满足如下规格。1.1 支持双频双并发DBDC，全称 Dual-Band Dual-Concurrent，是 Wi-Fi技术领域中的一个概念，指的是一种同时支持 2.4 GHz 和5 GHz双频段，且能够同时处理两个频段信号的技术。该技术可以大幅提升 Wi-Fi 网络的性能和用户体验。传统的单频 Wi-Fi 只能支持 1 个频段的信号，不能同时处理 2.4 GHz 和 5 GHz 的信号，因此在高密度场景下容易出现拥堵和干扰。而 DBDC 技术可以同时支持 2.4 GHz 和 5 GHz 双频段信号，用户可以选择最佳的频段连接网络，以获得更加稳定和高速的网络体验。这种技术在一些场景下非常有用，比如家庭、办公室和公共场所等，可以提高网络的稳定性、容量和安全性。1.2 支持22 MIMOMIMO 技术是一种多输入多输出技术，指的是在无线通信中，使用多个发射天线和多个接收天线，同时传输多个数据流，提高数据传输速率和可靠性的技术。在传统的单天线系统中，只能使用 1 个天线进行数据传输和接收，因此数据传输速率和可靠性受到限制。而 MIMO 技术则可以同时使用多个天线，在同一频段内进行多路数据传输，从而提高了数据传输速率和可靠性。MIMO 技术将原来的 1 个天线看作 1 个发送接收链 2023.8电子产品世界设计应用网络连接Design&Application路，每个天线可以传输独立的数据流，因此，通过增加场景中的天线数量，可以提高数据传输速率并改善信道性能。另外，MIMO 技术可以利用空间分集的技术，消除多径传播造成的干扰，提高通信的可靠性。MIMO 技术可以将 1 个物理通道分解为多个独立的子通道，每个子通道都可以传输独立的数据流，这就是空间流。举例来说，22 MIMO 技术可以支持两个空间流，33 MIMO 技术可以支持 3 个空间流。在 MIMO 技术中，每个天线都可以传输独立的数据流，因此天线数量越多，可以支持的空间流就越多，数据传输速率也就越高。通常，MIMO 技术的天线数量和每个空间流的数量是成比例的，例如 22 MIMO 需要 4 个天线，可以支持 2 个空间流，33 MIMO 需要 6个天线，可以支持 3 个空间流。2 软件设计2.1 基本原理根 据 Wi-Fi 联 盟（WiFi Alliance）规 定 的 WiFiP2P（WiFi Direct）协议具体细节，可以发现，在 P2PGroup 协商完成后，GO（P2P Group Owner）会主动主动广播 beacon 帧，以告知 P2P Group 的存在。而beacon 帧是 Wi-Fi 网络中的一种特殊类型的数据包，一般由无线接入点（AP）定期发送，用于在无线网络中进行广播，向附近的设备（如手机、电脑等）广播网络的存在和相关信息，这些信息包括网络的名称（SSID）、网络的安全性设置、支持的 WiFi 标准和速率、信号强度以及其他网络参数等。同时，beacon 帧还包含了一些管理信息，如时间戳、信道信息和定时器信息等，用于协调 Wi-Fi 网络中的设备和传输数据。设备可以通过监听 Beacon 帧来获取网络信息，以便进行网络连接和通信。因此，如果将 GO 主动发送的 beacon 帧，携带 AP所需要的网络信息，即可达到在 P2P 功能上扩展附加了 AP 的功能（后面称为一体化 AP）。此时只要 WiFi模块硬件驱动上支持 STA+P2P 功能，同时启用一体化AP，即可达到 STA+P2P+AP 共存的效果。2.2 自定义AP信息根 据 WiFi 联 盟 规 定 的 Wi-Fi P2P 协 议 具 体 细节，GO 广播的 beacon 帧中携带的网络名称必须以DIRECT-XXxxx 格式，其中 DIRECT-为固定标识头，XX表示必须的随机的2位大小写字母或数字组合，xxx表示可选后缀，可选择填入中文、英文和其他符号、数字信息。SSID 的总长度遵循 Wi-Fi联盟规定，最大支持32个字符。安 全 性 方 面，可 选 择OPEN 和 WPA/WPA2-PSK 加密 类 型，加 密 类 型 为 WPA/WPA2-PSK 时，需要指定一个864 字符的，由大小写英文或数字、其他符号组合的密码。图2 P2P Group的组成和Group Owner一般来说，正常的 AP 功能，都需提供 SSID、加密类型、密码 3 项信息的修改方法，以方便用户客制化。为了让一体化 AP 尽可能接近真实 AP 的功能，也需要图1 MIMO系统框图88ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$网络连接电子产品世界Design设计应用&Application做一个用户界面，允许用户配置 SSID 可选后缀、加密类型和密码信息。2.3 网络包的转换完成前面的操作之后，用户可以扫描到自己在用户界面上配置的一体化AP，并在移动设备（后称为A设备）的网络界面，通过对应密码进行连接。连接完成时，移动端设备系统会自动将一体化 AP 的 IP 地址作为自己的默认网关，所有需要连接外网的网络包都会发送至一体化 AP 所在的设备（后称为 B 设备）。但此时，该设备并不会将网络包转发至外部网络，因此还需要在该设备上启用 NAT 转换功能。启用之后，所有从 A 设备发往外网的网络包，都会在 B 设备内部进行中转，中转到 B设备连接外网的网络端口，以达到 A 设备上网的目的。2.4 P2P与AP功能的独立性从基本原理中可以得知，正常情况下，一体化 AP的功能与 P2P 功能是绑定的，也就是 P2P Group 启动时，P2P 功能可用，一体化 AP 功能也同时可用，关闭时则同步关闭。此时无法完全满足用户单独开关某项功能的需求，因此需要进一步客制化，才能满足 P2P 与 AP 功能互相之间的独立性：在启用 P2P 而不启用 AP 时，将 SSID 可选后缀，加密类型和密码信息设置回系统默认值，此时虽然beacon 依然存在，但不是用户设置的 AP 信息，因此不会被用户察觉，达到 AP 功能不启用的目的。在启用 AP 而不启用 P2P 时，将 beacon 帧所携带的P2P Group 信息删除，此时因为 P2P Group 信息不全，设备就不被当作一个 P2P 设备，因而 P2P 功能不能正常使用。3 结束语本文提出的基于单 WiFi 模块的 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 帧中携带了 AP 的信息，将 P2P 和 AP 功能合二为一，从而在单 Wi-Fi 模块下实现 STA+P2P+AP 功能的共存，降低了硬件成本和终端设备要求，普及度极大提升。在多人协作、多设备协作的场景下，具备极为广阔的应用前景。参考文献：1 CHEN Y,ZHANG X,ZHANG Y.Dynamic bandwidth allocation for WiFi networks with DBDC capabilityJ.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2018(2),1059-1072.2 LI Y,ZHANG Y.Antenna Design for WiFi Applications.In Antenna Design for Mobile Devices J.Springer Singapore,2017,231-244.3 ANDREWS,J G,GHOSH A,et al.Fundamentals of WiFi MIMOJ.Cambridge University Press.4 WiFi Alliance.WiFi P2P Technical Specification v1.7M.Austin,TX:WiFi Alliance.5 IEEE Computer Society.Media Access Control(MAC)Sublayer Management EntityM.802.11-2012,2012,973-1161.图3 NAT转换原理