一種雙頻Wi-Fi 的接入選擇方法

王心源，程 鵬，吳 斌

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子所，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)微電子學(xué)院，北京 100049）

早期的無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point，AP)和無(wú)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(lán)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(guò)支持雙頻降低了2.4 GHz頻段上的沖突，增加了無(wú)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(guò)程中用戶手動(dòng)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(guò)程中只能掃描到一個(gè)SSID，不需要手動(dòng)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(shí)掃描到2.4 GHz 和5 GHz 頻段信號(hào)時(shí)，優(yōu)先選擇5 GHz 進(jìn)行連接[5]，這種策略在用戶數(shù)量較多時(shí)會(huì)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(duì)Wi-Fi 設(shè)備的雙頻段特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，以便提出合適的策略。大量學(xué)者對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景Wi-Fi 的使用情況以及挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析[7-8]，同時(shí)對(duì)雙頻設(shè)備的增長(zhǎng)趨勢(shì)也進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[9]中通過(guò)分析真實(shí)校園場(chǎng)景中的43 個(gè)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(wèn)題轉(zhuǎn)換成機(jī)器學(xué)習(xí)中的分類問(wèn)題，該系統(tǒng)只考慮了接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Sigal Strength Indication，RSSI)因素，難以適用于距離較近、信號(hào)較好的小范圍場(chǎng)景。文中綜合考慮了不同頻段間使用的協(xié)議及RSSI，分析競(jìng)爭(zhēng)窗口在不同用戶數(shù)情況下對(duì)飽和吞吐率的影響，提出了一種簡(jiǎn)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(duì)接收到信號(hào)的RSSI 值要求更為寬松，而5 GHz 頻段上對(duì)RSSI 的要求更為嚴(yán)格。分析RSSI 和協(xié)議差別對(duì)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(shí)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(hào)強(qiáng)度

無(wú)線信號(hào)在信道中傳輸時(shí)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(zhǎng)。

根據(jù)式（1）可知，客戶端接收到的信號(hào)強(qiáng)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(cè)閾值，距離是影響吞吐率的一個(gè)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(jí)CCA閾值。在20 MHz 和40 MHz 帶寬時(shí)分別定義了初級(jí)CCA 能量檢測(cè)閾值為-82 dBm 和-79 dBm，二級(jí)CCA能量檢測(cè)閾值為-72 dBm，在80 MHz 帶寬時(shí)初級(jí)CCA 能量檢測(cè)閾值和二級(jí)CCA 能量檢測(cè)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(shí)，160 MHz帶寬吞吐率下降為0，RSSI值下降到-65.6 dBm時(shí)，80 MHz帶寬吞吐率下降為0，RSSI值下降到-68.8 dBm時(shí)，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(shí)，40 MHz帶寬吞吐率為0，RSSI值下降到-77.6 dBm時(shí)，吞吐率為0。所以當(dāng)客戶端RSSI 值小于-68.8 dBm 時(shí)，只能選擇2.4 GHz 頻段才可能傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端RSSI 值大于-62.7 dBm時(shí)，2.4 GHz 和5 GHz 頻段所有帶寬的RSSI 要求均被滿足，此時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量都處于飽和狀態(tài)，即隊(duì)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(diǎn)(Station，STA)有無(wú)窮多的數(shù)據(jù)要發(fā)送給AP，即此時(shí)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(dá)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(zhǔn)確地計(jì)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(guò)程

在理想信道和有限節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下，只考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，一個(gè)STA 的發(fā)送概率τ的計(jì)算公式如下[12]：

其中，CWmin表示最小競(jìng)爭(zhēng)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(jì)算公式如下：

其中，Ptr為至少有一個(gè)站點(diǎn)傳輸?shù)母怕剩琍s為傳輸成功的概率，σ為空閑單位時(shí)間，Ts為傳輸成功時(shí)間周期平均時(shí)長(zhǎng)，Tc為沖突平均時(shí)間。

1.2.1 最小競(jìng)爭(zhēng)窗口

根據(jù)飽和吞吐率計(jì)算公式可以看出，飽和吞吐率的大小只與最小競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin及站點(diǎn)數(shù)n相關(guān)。站點(diǎn)的發(fā)送概率τ只與CWmin相關(guān)，CWmin較小時(shí)站點(diǎn)發(fā)送概率更大，在站點(diǎn)數(shù)較多時(shí)沖突更多，反而會(huì)導(dǎo)致飽和吞吐率下降[13]。以站點(diǎn)數(shù)最多20 個(gè)為例，對(duì)比CWmin對(duì)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(shí)的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同最小競(jìng)爭(zhēng)窗口吞吐率變化曲線

對(duì)比CWmin=15 和CWmin=127 兩種情況，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)小于等于2 時(shí)，CWmin=15 的AP 吞吐率高于CWmin=127，隨著站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)以內(nèi)的局域網(wǎng)，將CWmin調(diào)整為127。

1.2.2 站點(diǎn)數(shù)

通常情況下，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目為1 時(shí)，AP 與STA 進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸時(shí)AP 的吞吐率最大[14]，當(dāng)擴(kuò)大了最小競(jìng)爭(zhēng)窗口后情況發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)整最小競(jìng)爭(zhēng)窗口時(shí)，站點(diǎn)數(shù)從1 開(kāi)始增加，雖然站點(diǎn)數(shù)增加，但是由于站點(diǎn)數(shù)仍然較小，并不會(huì)立即產(chǎn)生碰撞沖突，增加的碰撞幾率可以忽略[15]，同時(shí)平均退避時(shí)間卻縮短，相較于增加的碰撞幾率，平均退避時(shí)間的減少更為顯著，所以會(huì)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(diǎn)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(dāng)站點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)與AP 進(jìn)行連接時(shí)，站點(diǎn)首先需要對(duì)RSSI 值進(jìn)行判斷，如圖2 所示。如果RSSI 小于-68.8 dBm，5 GHz 頻段將無(wú)法使用，而被迫選擇2.4 GHz 頻段。當(dāng)RSSI 大于-62.7 dBm 時(shí)，2.4 GHz 和5 GHz 均可正常傳輸，此時(shí)頻段的選擇需要根據(jù)站點(diǎn)所能獲得的傳輸吞吐率來(lái)確定。

2.1 平均吞吐率

AP 的飽和吞吐率即為所有站點(diǎn)STA 吞吐率的總和，AP 的飽和吞吐率和站點(diǎn)STA 數(shù)量的比值，即為STA 平均吞吐率。隨著站點(diǎn)數(shù)的增加，平均到每個(gè)站點(diǎn)的吞吐率變小，但不是簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)每個(gè)站點(diǎn)所能獲得的平均吞吐率。假設(shè)每個(gè)站點(diǎn)STA 接入AP 的機(jī)會(huì)均等，當(dāng)所有STA 均處于飽和狀態(tài)時(shí)，其都有足夠的數(shù)據(jù)包，使得發(fā)送隊(duì)列一直處于滿的狀態(tài)，那么STA 平均吞吐率就代表每一個(gè)STA 能達(dá)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(diǎn)平均吞吐率如圖8 所示，假設(shè)RSSI 值足夠大，分配過(guò)程如下：

圖8 不同頻段平均吞吐率曲線

1）當(dāng)只有一個(gè)STA時(shí)，STA被部署到5 GHz頻段。

2）當(dāng)站點(diǎn)數(shù)為2 時(shí)，可以認(rèn)為是在1)情況下新加入一個(gè)STA，即STA1 放到5G 頻段的情況下，對(duì)STA2進(jìn)行分配。此時(shí)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(dú)享該頻段，STA2所能達(dá)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(dá)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(shí)5 GHz頻段上有兩個(gè)站點(diǎn)，而2.4 GHz 上站點(diǎn)數(shù)為0。此時(shí)STA1 和STA2 的最大平均吞吐率為224.02 Mbps。

對(duì)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(gè)STA 能達(dá)到的最大吞吐率也最大。姑且認(rèn)為情況B 中平均吞吐率321.21 Mbps 為STA1和STA2能達(dá)到的吞吐率上限，此時(shí)STA2能達(dá)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(dāng)站點(diǎn)數(shù)為2 時(shí)，將兩個(gè)站點(diǎn)STA1 和STA2 均連接 到5 GHz 頻段上。

3）當(dāng)站點(diǎn)數(shù)為3 時(shí)，同理3 個(gè)站點(diǎn)STA1、STA2、STA3 全部連接到5 GHz 頻段為最優(yōu)。

綜合考慮RSSI和站點(diǎn)數(shù)以及平均每個(gè)站點(diǎn)所能達(dá)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(diǎn)數(shù)量，T5(N5)，T2(N2)表示5 GHz 和2.4 GHz 頻段站點(diǎn)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(diǎn)連接到2.4 GHz或5 GHz 頻段兩種情況下站點(diǎn)的平均吞吐率，逐漸降低站點(diǎn)的平均吞吐率，使得每一個(gè)站點(diǎn)所能達(dá)到的吞吐率上限緩慢下降，以提高站點(diǎn)所能競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)連接頻段都會(huì)減小該站點(diǎn)所能達(dá)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(guò)程中對(duì)傳輸性能、吞吐率可能產(chǎn)生影響的因素，如RSSI 值、最小競(jìng)爭(zhēng)窗口以及站點(diǎn)數(shù)，并給出一種以調(diào)整不同頻段上所連接的站點(diǎn)數(shù)為核心的頻段選擇策略。該策略只需要監(jiān)控每個(gè)頻段上連接的站點(diǎn)數(shù)，易于工程實(shí)現(xiàn)。