基于单Wi-Fi模块的STA+P2P+AP共存方案

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2×2 MIMO

MIMO 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，2×2 MIMO 技术可以支持两个空间流，3×3 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2×2 MIMO 需要4 个天线，可以支持2 个空间流，3×3 MIMO 需要6个天线，可以支持3 个空间流。

图1 MIMO系统框图

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P2P Group 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。

图2 P2P Group的组成和Group Owner

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-XX[xxx] 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8~64 字符的，由大小写英文或数字、其他符号组合的密码。

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。

图3 NAT转换原理

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：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年8月期）