一種雙頻Wi-Fi 的接入選擇方法

王心源，程 鵬，吳 斌

（1.中國科學院微電子所，北京 100029；2.中國科學院大學微電子學院，北京 100049）

早期的無線接入點(Access Point，AP)和無線路由器只支持單一頻段2.4 GHz，由于2.4 GHz 頻段上使用的設(shè)備較多，如藍牙、Wi-Fi、紫蜂(Zigbee)等[1]，導(dǎo)致2.4 GHz 頻段上用戶較為擁擠。雙頻Wi-Fi(2.4 GHz和5 GHz)，通過支持雙頻降低了2.4 GHz頻段上的沖突，增加了無線局域網(wǎng)的容量[2]。大多數(shù)的雙頻Wi-Fi被配置成不同的SSID，例如xyz和xyz_5G，在使用過程中用戶手動選擇連接[3]。目前最新的方法是將2.4 GHz 和5 GHz 配置為相同的SSID，客戶在使用過程中只能掃描到一個SSID，不需要手動選擇接入的頻段[4]。目前市面上大多數(shù)客戶端的策略為5 GHz優(yōu)先策略，即在同時掃描到2.4 GHz 和5 GHz 頻段信號時，優(yōu)先選擇5 GHz 進行連接[5]，這種策略在用戶數(shù)量較多時會導(dǎo)致5 GHz頻段上較為擁擠，而2.4 GHz頻段較為空閑。

隨著支持雙頻Wi-Fi 設(shè)備的增多，導(dǎo)致5 GHz 頻段上的擁擠程度急劇增加，而2.4 GHz 頻段上用戶數(shù)反而減小[6]。為了給出一種合理的選擇策略，需要對Wi-Fi 設(shè)備的雙頻段特性進行準確分析，以便提出合適的策略。大量學者對機場場景Wi-Fi 的使用情況以及挑戰(zhàn)進行了分析[7-8]，同時對雙頻設(shè)備的增長趨勢也進行了描述。文獻[9]中通過分析真實校園場景中的43 個雙頻AP 設(shè)備，提出了一種基于模糊算法的LazyAS 系統(tǒng)，將頻段選擇問題轉(zhuǎn)換成機器學習中的分類問題，該系統(tǒng)只考慮了接收信號強度(Received Sigal Strength Indication，RSSI)因素，難以適用于距離較近、信號較好的小范圍場景。文中綜合考慮了不同頻段間使用的協(xié)議及RSSI，分析競爭窗口在不同用戶數(shù)情況下對飽和吞吐率的影響，提出了一種簡潔的頻段選擇方法。

1 影響Wi-Fi傳輸?shù)囊蛩?/h2>

通常情況下，2.4 GH 頻段上支持802.11n 協(xié)議，而5 GHz 頻段上 支持802.11ac 協(xié)議[10]。2.4 GHz 頻段對接收到信號的RSSI 值要求更為寬松，而5 GHz 頻段上對RSSI 的要求更為嚴格。分析RSSI 和協(xié)議差別對AP 側(cè)吞吐率的影響是頻段選擇的首要工作。

2.4GHz 頻段同時支持802.11b 和802.11g 協(xié)議，文中只討論2.4 GHz 上采用802.11n 的情況。

1.1 接收信號強度

無線信號在信道中傳輸時發(fā)生衰減，傳輸損耗模型如下：

其中，α代表路徑損耗指數(shù)，d是傳輸距離，d0是參考距離，λ為波長。

根據(jù)式（1）可知，客戶端接收到的信號強度隨距離增大而減小。802.11n 和802.11ac 協(xié)議定義了不同的CCA 能量檢測閾值，距離是影響吞吐率的一個重要因素。RSSI 隨距離變化曲線如圖1 所示。

圖1 RSSI距離曲線

802.11ac 在不同的帶寬條件下定義了兩級CCA閾值。在20 MHz 和40 MHz 帶寬時分別定義了初級CCA 能量檢測閾值為-82 dBm 和-79 dBm，二級CCA能量檢測閾值為-72 dBm，在80 MHz 帶寬時初級CCA 能量檢測閾值和二級CCA 能量檢測閾值分別為-76 dBm 和-69 dBm。802.11n 和802.11ac 協(xié)議在不同帶寬下AP側(cè)吞吐率隨RSSI 變化曲線如圖2所示。

圖2 AP吞吐率隨RSSI變化曲線

在5 GHz 頻段上，RSSI 值 下降到-62.7 dBm 時，160 MHz帶寬吞吐率下降為0，RSSI值下降到-65.6 dBm時，80 MHz帶寬吞吐率下降為0，RSSI值下降到-68.8 dBm時，40 MHz 帶寬吞吐率下降為0。在2.4 GHz 頻段上，RSSI值下降到-74.6 dBm時，40 MHz帶寬吞吐率為0，RSSI值下降到-77.6 dBm時，吞吐率為0。所以當客戶端RSSI 值小于-68.8 dBm 時，只能選擇2.4 GHz 頻段才可能傳輸數(shù)據(jù)。當客戶端RSSI 值大于-62.7 dBm時，2.4 GHz 和5 GHz 頻段所有帶寬的RSSI 要求均被滿足，此時如何選擇頻段需要考慮其他因素。

1.2 飽和吞吐率

飽和吞吐率是每個節(jié)點的業(yè)務(wù)量都處于飽和狀態(tài)，即隊列中一直有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送。AP的飽和吞吐率代表著AP的最大能力，即站點(Station，STA)有無窮多的數(shù)據(jù)要發(fā)送給AP，即此時AP 能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率。AP 的飽和吞吐率代表AP 能達到的傳輸極限。提高AP的飽和吞吐率意味著提高了網(wǎng)絡(luò)能力的上限。

Bianchi 建立的離散二維馬爾科夫鏈模型可以準確地計算AP 的飽和吞吐率[11]。二維馬爾科夫鏈如圖3 所示。

圖3 二維馬爾科夫過程

在理想信道和有限節(jié)點數(shù)條件下，只考慮節(jié)點數(shù)帶來的競爭時，一個STA 的發(fā)送概率τ的計算公式如下[12]：

其中，CWmin表示最小競爭窗口，m是最大退避狀態(tài)，p是發(fā)送失敗的概率。

飽和吞吐率計算公式如下：

其中，Ptr為至少有一個站點傳輸?shù)母怕剩琍s為傳輸成功的概率，σ為空閑單位時間，Ts為傳輸成功時間周期平均時長，Tc為沖突平均時間。

1.2.1 最小競爭窗口

根據(jù)飽和吞吐率計算公式可以看出，飽和吞吐率的大小只與最小競爭窗口CWmin及站點數(shù)n相關(guān)。站點的發(fā)送概率τ只與CWmin相關(guān)，CWmin較小時站點發(fā)送概率更大，在站點數(shù)較多時沖突更多，反而會導(dǎo)致飽和吞吐率下降[13]。以站點數(shù)最多20 個為例，對比CWmin對飽和吞吐率的影響，2.4 GHz 頻段802.11n 協(xié)議、雙天線(2×2)、帶寬20 MHz 時的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同最小競爭窗口吞吐率變化曲線

對比CWmin=15 和CWmin=127 兩種情況，當站點數(shù)小于等于2 時，CWmin=15 的AP 吞吐率高于CWmin=127，隨著站點數(shù)增加，CWmin較小的AP 吞吐率急劇下降，CWmin較大的AP 吞吐率下降緩慢。為了更好地適用于20 個站點以內(nèi)的局域網(wǎng)，將CWmin調(diào)整為127。

1.2.2 站點數(shù)

通常情況下，當站點數(shù)目為1 時，AP 與STA 進行點對點傳輸時AP 的吞吐率最大[14]，當擴大了最小競爭窗口后情況發(fā)生變化。當調(diào)整最小競爭窗口時，站點數(shù)從1 開始增加，雖然站點數(shù)增加，但是由于站點數(shù)仍然較小，并不會立即產(chǎn)生碰撞沖突，增加的碰撞幾率可以忽略[15]，同時平均退避時間卻縮短，相較于增加的碰撞幾率，平均退避時間的減少更為顯著，所以會顯著地提高AP 的飽和吞吐率[16-19]。圖5 和圖6分別是5 GHz 頻段上802.11ac 協(xié)議和2.4 GHz 頻段上802.11n協(xié)議的吞吐率仿真結(jié)果，從圖中可以看出，隨著站點數(shù)的增加，AP的吞吐率先上升后緩慢下降。

圖5 802.11ac吞吐率曲線

圖6 802.11n吞吐率曲線

2 頻段選擇策略

當站點加入網(wǎng)絡(luò)與AP 進行連接時，站點首先需要對RSSI 值進行判斷，如圖2 所示。如果RSSI 小于-68.8 dBm，5 GHz 頻段將無法使用，而被迫選擇2.4 GHz 頻段。當RSSI 大于-62.7 dBm 時，2.4 GHz 和5 GHz 均可正常傳輸，此時頻段的選擇需要根據(jù)站點所能獲得的傳輸吞吐率來確定。

2.1 平均吞吐率

AP 的飽和吞吐率即為所有站點STA 吞吐率的總和，AP 的飽和吞吐率和站點STA 數(shù)量的比值，即為STA 平均吞吐率。隨著站點數(shù)的增加，平均到每個站點的吞吐率變小，但不是簡單的反比關(guān)系，正如前面提到的那樣，AP 的飽和吞吐率隨站點數(shù)在變化。

圖7 為2.4G Hz 頻 段802.11n 協(xié)議和5 GHz 頻段802.11ac 協(xié)議不同帶寬時每個站點所能獲得的平均吞吐率。假設(shè)每個站點STA 接入AP 的機會均等，當所有STA 均處于飽和狀態(tài)時，其都有足夠的數(shù)據(jù)包，使得發(fā)送隊列一直處于滿的狀態(tài)，那么STA 平均吞吐率就代表每一個STA 能達到的極限吞吐率。

圖7 平均吞吐率曲線

2.2 頻段選擇流程

以2.4 GHz 頻段使用802.11n 協(xié)議20 MHz 帶寬，5 GHz 頻 段使用802.11ac 協(xié)議80 MHz 帶寬為例，站點平均吞吐率如圖8 所示，假設(shè)RSSI 值足夠大，分配過程如下：

圖8 不同頻段平均吞吐率曲線

1）當只有一個STA時，STA被部署到5 GHz頻段。

2）當站點數(shù)為2 時，可以認為是在1)情況下新加入一個STA，即STA1 放到5G 頻段的情況下，對STA2進行分配。此時有兩種選擇，將新加入的STA2 連接到2.4 GHz 或?qū)⑵溥B接到5 GHz 頻段上。

情況A：將STA2連接到2.4 GHz頻段上，STA2獨享該頻段，STA2所能達到的最大吞吐率為103.66 Mbps，5 GHz頻段上的STA1最大吞吐率能夠達到357.46 Mbps。STA1 和STA2 的平均吞吐率為(103.66+357.46)/2=230.56 Mbps。

情況B：將STA2連接到5 GHz頻段上，此時5 GHz頻段上有兩個站點，而2.4 GHz 上站點數(shù)為0。此時STA1 和STA2 的最大平均吞吐率為224.02 Mbps。

對比情況A和情況B，情況A的平均吞吐率更高，但并不是每一個STA 能達到的最大吞吐率也最大。姑且認為情況B 中平均吞吐率321.21 Mbps 為STA1和STA2能達到的吞吐率上限，此時STA2能達到的最大吞吐率224.02 Mbps 高于情況A 的103.66 Mbps。所以情況B 優(yōu)于情況A，當站點數(shù)為2 時，將兩個站點STA1 和STA2 均連接 到5 GHz 頻段上。

3）當站點數(shù)為3 時，同理3 個站點STA1、STA2、STA3 全部連接到5 GHz 頻段為最優(yōu)。

綜合考慮RSSI和站點數(shù)以及平均每個站點所能達到的最大吞吐率，文中提出的頻段選擇策略流程如圖9 所示。RSSI_5G 表示5 GHz頻段能夠正常穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)所需的最小RSSI 值，N5、N2表示5 GHz 頻段和2.4 GHz 頻段已連接的站點數(shù)量，T5(N5)，T2(N2)表示5 GHz 和2.4 GHz 頻段站點的平均吞吐率。該分配策略的核心部分為比較新加入的站點連接到2.4 GHz或5 GHz 頻段兩種情況下站點的平均吞吐率，逐漸降低站點的平均吞吐率，使得每一個站點所能達到的吞吐率上限緩慢下降，以提高站點所能競爭到的資源。該策略滿足最大-最小公平優(yōu)化原則，改變?nèi)魏握军c連接頻段都會減小該站點所能達到的極限吞吐率值。

圖9 頻段選擇策略流程

3 結(jié)論

該文分析了Wi-Fi 傳輸過程中對傳輸性能、吞吐率可能產(chǎn)生影響的因素，如RSSI 值、最小競爭窗口以及站點數(shù)，并給出一種以調(diào)整不同頻段上所連接的站點數(shù)為核心的頻段選擇策略。該策略只需要監(jiān)控每個頻段上連接的站點數(shù)，易于工程實現(xiàn)。