信道實(shí)時(shí)自適應(yīng)Wi-Fi 設(shè)備設(shè)計(jì)

淡江

（杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 310000）

Wi-Fi 是迄今最為普遍應(yīng)用的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。Wi-Fi 設(shè)備主要工作在2.4 GHz 和5 GHz 兩個(gè)頻段。雖然5 GHz 頻段可以提供更多的信道和帶寬，但是5 GHz 頻段信號(hào)的穿透能力較弱，導(dǎo)致通信距離較近，一些對(duì)通信距離有要求的應(yīng)用場(chǎng)景更傾向于使用2.4 GHz 頻段，如無(wú)線視頻監(jiān)控相機(jī)[1]。然而2.4 GHz 頻段一共只有80 MHz 頻寬可用，有13 個(gè)信道，相鄰信道頻譜重疊，干擾問(wèn)題突出。Wi-Fi 設(shè)備一旦開(kāi)始組網(wǎng)通信，便固定在某個(gè)信道。無(wú)線環(huán)境干擾情況瞬息萬(wàn)變，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定，無(wú)法滿足高可靠性無(wú)線通信的需求[2]。該文設(shè)計(jì)了一種信道實(shí)時(shí)自適應(yīng)Wi-Fi 設(shè)備，在保證正常通信過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)掃描各個(gè)信道的干擾情況。當(dāng)該信道干擾變大無(wú)法滿足傳輸速率需求時(shí)，可以自動(dòng)切換至干擾較小的信道，維持正常通信，滿足無(wú)線視頻監(jiān)控等高可靠性場(chǎng)景需求。

1 系統(tǒng)組成

通信系統(tǒng)由AP 設(shè)備和STA 設(shè)備組成。AP 主要由AP SoC RTL8197FNT、SoC Hi3516D（AP 端）、偵測(cè)網(wǎng)卡RTL8188EUS 組成。STA 主要由SoC Hi3516D（STA 端）和網(wǎng)卡RTL8192EU 組成[3]。RTL8197FNT用于建立Wi-Fi 熱點(diǎn)，供STA 連接。RTL8188EUS 用于信道背景掃描。Hi3516D（AP 端）運(yùn)行RTL8188EUS的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信道背景掃描邏輯，將信道干擾信息提供給RTL8197FNT，為信道切換提供依據(jù)。RTL8192EU 用于連接AP 熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。Hi3516D（STA 端）運(yùn)行RTL8192EU 的驅(qū)動(dòng)程序。通信系統(tǒng)主要架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 AP和STA設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)

2 主要硬件設(shè)計(jì)

在RTL8197FNT 正常通信過(guò)程中，RTL8188EUS持續(xù)對(duì)1-13 個(gè)信道進(jìn)行掃描。當(dāng)RTL8197FNT 處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)RTL8188EUS 信道掃描造成影響，導(dǎo)致掃描不準(zhǔn)確，所以此時(shí)應(yīng)暫停掃描。RTL 8197FNT 的收發(fā)切換響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致無(wú)法采用通信接口方式與RTL8188EUS 進(jìn)行同步。RTL8197FNT 定義了S0_PAPE 端口，用于指示發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射時(shí)該端口為高電平，接收時(shí)為低電平。采用S0_PAPE端口來(lái)控制兩個(gè)單刀雙置開(kāi)關(guān)，低電平時(shí)天線直接與RTL8188EUS 接通，偵測(cè)干擾；高電平時(shí)，天線信號(hào)旁路接地，暫停偵測(cè)，防止RTL8197FNT發(fā)射影響，RTL8188EUS 射頻鏈路如圖2 所示。

采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)是為了增大隔離度，單個(gè)開(kāi)關(guān)隔離度最大為40 dB，不足以阻止RTL8197FNT 信號(hào)泄露[4]。開(kāi)關(guān)一端接49.9 Ω電阻是為了阻抗匹配，吸收泄露信號(hào)。RTL8188EUS 芯片內(nèi)部集成了收發(fā)切換開(kāi)關(guān)，收發(fā)共用同一差分端口，需外接巴倫轉(zhuǎn)為單端。

RTL8197FNT 采用雙天線，有兩組收發(fā)端口。發(fā)射為差分端口，需要外接巴倫轉(zhuǎn)為單端。Wi-Fi為時(shí)分雙工系統(tǒng)，一組收發(fā)端口通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)共用一個(gè)天線，如圖3 所示。

圖3 RTL8197FNT射頻鏈路

RTL8188EUS 作為USB device 直接掛載至Hi 3516D（AP 端）。Hi3516D（AP 端）通過(guò)UART 接口與RTL8197 FNT交互[5]。

在STA設(shè)備中，RTL8192EU 作為USB device 直接掛載至Hi3516D（STA 端）。RTL8192EU 采用雙天線，有兩組收發(fā)端口，內(nèi)置開(kāi)關(guān)，每組收發(fā)共用同一差分端口，需要外接巴倫轉(zhuǎn)為單端，如圖4 所示。

圖4 STA電路

3 軟件邏輯設(shè)計(jì)

3.1 信道干擾掃描

處于同一信道中的Wi-Fi 設(shè)備之間具有沖突避讓機(jī)制，可以避免相互沖撞。而處于相鄰近不同信道的設(shè)備之間無(wú)法發(fā)現(xiàn)對(duì)方，會(huì)出現(xiàn)相互沖撞，所以判斷信道干擾強(qiáng)度主要考慮臨近的幾個(gè)信道對(duì)本信道的干擾[6]。2.4 GHz 頻段Wi-Fi信道如圖5 所示。

圖5 2.4 GHz頻段Wi-Fi信道

干擾強(qiáng)度主要與周圍其他Wi-Fi 設(shè)備單位時(shí)間發(fā)包數(shù)量和每個(gè)包的信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)。偵測(cè)網(wǎng)卡RTL8188EUS 采用sniffer 驅(qū)動(dòng)，可以收集某個(gè)信道中的Wi-Fi 包，同時(shí)可獲得每個(gè)Wi-Fi 包相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度[7-8]。信號(hào)強(qiáng)度以dBm 為單位，為了方便軟件處理，將不同區(qū)間dBm 值映射成表1 所示的數(shù)值等級(jí)Sn。

表1 信號(hào)強(qiáng)度與數(shù)值等級(jí)Sn 的對(duì)應(yīng)關(guān)系

RTL8188EUS 對(duì)信道進(jìn)行掃描時(shí)，每個(gè)信道的駐留時(shí)間T=100 ms。設(shè)信道X 繁忙指數(shù)CX為該信道T時(shí)間內(nèi)所收到Wi-Fi包的Sn之和[9]，如式（1）所示：

在RTL8197FNT 與STA 正常通信過(guò)程中，通過(guò)UART 將當(dāng)前工作信道告知Hi3516D（AP 端），RTL 8188EUS 持續(xù)掃描部分信道。設(shè)RTL8197FNT 通信所用信道為X，則需要掃描的信道包括X-n和X+n（n取不小于4的整數(shù)，X-n≥1且X+n≤13）。如RTL8197 FNT 通信所用信道為5，則需要掃描的信道為1、9、10、11、12、13。RTL8188EUS 完成某個(gè)信道掃描后，Hi3516D（AP 端）計(jì)算CX值，保存至內(nèi)存，隨后掃描下一個(gè)信道。當(dāng)完成所有信道掃描后，進(jìn)行下一輪掃描，重新計(jì)算每個(gè)信道新的CX值并刷新內(nèi)存。

3.2 信道切換

RTL8197FNT 設(shè)定一個(gè)吞吐量閾值，并持續(xù)監(jiān)測(cè)吞吐量。當(dāng)前通信信道受到干擾導(dǎo)致吞吐量小于閾值時(shí)，RTL8197FNT 通過(guò)UART 向Hi3516D 發(fā)出最優(yōu)信道查詢指令。收到指令后，RTL8188EUS 首先對(duì)X-n，X+n（0≤n≤3，X-n≥1 且X+n≤13）信道進(jìn)行掃描，計(jì)算相應(yīng)CX值。如當(dāng)前工作信道為5，那么需要掃描2、3、4、5、6、7、8 這幾個(gè)信道。其中計(jì)算當(dāng)前通信信道X的CX值時(shí)，需要對(duì)MAC 地址進(jìn)行過(guò)濾，排除與RTL8197FNT 所連接的STA 發(fā)出的包。結(jié)合3.1節(jié)，此時(shí)Hi3516D 已經(jīng)緩存了1-13 信道的CX值。定義信道X的信道質(zhì)量QX，通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Hi3516D 依次計(jì)算1-13 信道的QX值，取QX最小的三個(gè)信道。查詢這三個(gè)信道對(duì)應(yīng)的CX值，將CX值最小的信道作為最優(yōu)信道，通過(guò)UART 返回給RTL8197FNT。

AP 使用802.11 協(xié)議中的Channel Switch Announcement（CSA）幀來(lái)通知STA 切換至最優(yōu)信道[10-12]。AP 首先發(fā)出CSA 幀，STA 收到后回復(fù)確認(rèn)，雙方在約100 ms 時(shí)間內(nèi)切換至最優(yōu)信道繼續(xù)通信。根據(jù)協(xié)議接口，幀中Element ID=37，Channel Switch Mode=0，New Channel Number 為最優(yōu)信道，Channel Switch Count=1。

系統(tǒng)的總體工作流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程

4 評(píng)估測(cè)試

在屏蔽室內(nèi)對(duì)該文設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。AP 距離STA 約4 m，使用iperf 進(jìn)行TCP 吞吐量測(cè)試，AP 作為Server 接收數(shù)據(jù)，STA作為Client發(fā)送數(shù)據(jù)[13]。工作在6 信道，無(wú)干擾情況下，吞吐量約為28.4 Mbps（AP關(guān)閉兩條空間流功能）。在AP 和STA 中間位置，在1信道和7 信道設(shè)置干擾源，干擾源為另外兩對(duì)AP 和STA 之間的8 Mbps UDP 數(shù)據(jù)流。未開(kāi)啟信道自適應(yīng)功能時(shí)，吞吐量持續(xù)降至6 Mbps 以下，如圖7 所示。

圖7 未開(kāi)啟信道自適應(yīng)

開(kāi)啟信道自適應(yīng)功能，吞吐量閾值設(shè)為20 Mbps，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。當(dāng)7 信道干擾源開(kāi)啟時(shí)，吞吐量出現(xiàn)短暫下降后又恢復(fù)正常，如圖8 所示。

圖8 開(kāi)啟信道自適應(yīng)

此外，在Wi-Fi 設(shè)備干擾較多的辦公室環(huán)境中，采用兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)傳輸碼率為4 Mbps 的1 080 p 實(shí)時(shí)視頻。一臺(tái)開(kāi)啟信道自適應(yīng)功能，另一臺(tái)關(guān)閉信道自適應(yīng)功能，初始信道為6 信道。如圖9 所示，上方為開(kāi)啟信道自適應(yīng)功能畫面，面流暢度更高；下方為關(guān)閉信道自適應(yīng)功能畫面，時(shí)間明顯滯后。

圖9 視頻傳輸對(duì)比測(cè)試

5 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果證明，該文提出的信道實(shí)時(shí)自適應(yīng)Wi-Fi 設(shè)備能夠規(guī)避干擾，自動(dòng)選擇合適的信道以維持吞吐量。文中提到在AP 發(fā)射期間，需要暫停信道掃描，所以在AP 有較多下行數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中，會(huì)影響掃描的準(zhǔn)確性。所以該文方案更適合AP 下行數(shù)據(jù)較少，STA 上行數(shù)據(jù)較多的應(yīng)用場(chǎng)景，如無(wú)線視頻監(jiān)控相機(jī)數(shù)據(jù)回傳。文中判斷信道繁忙程度只考慮了數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度，而沒(méi)有考慮每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小、所用速率和占用時(shí)間，這會(huì)影響判斷的準(zhǔn)確性。

該文設(shè)備屬實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，在后續(xù)產(chǎn)品化中，為了降低成本，偵測(cè)網(wǎng)卡可以選擇PCIE 接口的RTL8188EE[14]。RTL8188EE 可直接掛載至RTL8197FNT 的PCIE 接口，信道掃描和切換功能全部在RTL8197FNT 中實(shí)現(xiàn)，省去了SoC Hi3516D。

環(huán)境中的干擾瞬息萬(wàn)變，而該文方案具有滯后性，干擾導(dǎo)致吞吐量下降后才能做出反應(yīng)。后續(xù)考慮集成AI 算法，基于收集的信道干擾信息對(duì)干擾作出預(yù)判，在干擾出現(xiàn)之前切換至更合適信道。在專用的受限制區(qū)域中，還可集成主動(dòng)防御功能，偵測(cè)各個(gè)信道中未經(jīng)許可的大數(shù)據(jù)流量。對(duì)相應(yīng)設(shè)備發(fā)出虛擬的解除關(guān)聯(lián)幀，阻斷未經(jīng)許可的大數(shù)據(jù)流量通信[15-16]。