1、86ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$网络连接电子产品世界Design设计应用&Application基于单Wi-Fi模块的STA+P2P+AP共存方案STA+P2P+AP service coexistence scheme based on a single WiFi module同 超，王 钒（深圳康佳电子科技有限公司，深圳518057）摘 要：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+P2
2、P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
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、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 W
8、i-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
9、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-P
10、SK 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
11、。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
12、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
13、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 ne
14、tworks 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