一种双频Wi-Fi 的接入选择方法

王心源，程 鹏，吴 斌

（1.中国科学院微电子所，北京 100029；2.中国科学院大学微电子学院，北京 100049）

早期的无线接入点(Access Point，AP)和无线路由器只支持单一频段2.4 GHz，由于2.4 GHz 频段上使用的设备较多，如蓝牙、Wi-Fi、紫蜂(Zigbee)等[1]，导致2.4 GHz 频段上用户较为拥挤。双频Wi-Fi(2.4 GHz和5 GHz)，通过支持双频降低了2.4 GHz频段上的冲突，增加了无线局域网的容量[2]。大多数的双频Wi-Fi被配置成不同的SSID，例如xyz和xyz_5G，在使用过程中用户手动选择连接[3]。目前最新的方法是将2.4 GHz 和5 GHz 配置为相同的SSID，客户在使用过程中只能扫描到一个SSID，不需要手动选择接入的频段[4]。目前市面上大多数客户端的策略为5 GHz优先策略，即在同时扫描到2.4 GHz 和5 GHz 频段信号时，优先选择5 GHz 进行连接[5]，这种策略在用户数量较多时会导致5 GHz频段上较为拥挤，而2.4 GHz频段较为空闲。

随着支持双频Wi-Fi 设备的增多，导致5 GHz 频段上的拥挤程度急剧增加，而2.4 GHz 频段上用户数反而减小[6]。为了给出一种合理的选择策略，需要对Wi-Fi 设备的双频段特性进行准确分析，以便提出合适的策略。大量学者对机场场景Wi-Fi 的使用情况以及挑战进行了分析[7-8]，同时对双频设备的增长趋势也进行了描述。文献[9]中通过分析真实校园场景中的43 个双频AP 设备，提出了一种基于模糊算法的LazyAS 系统，将频段选择问题转换成机器学习中的分类问题，该系统只考虑了接收信号强度(Received Sigal Strength Indication，RSSI)因素，难以适用于距离较近、信号较好的小范围场景。文中综合考虑了不同频段间使用的协议及RSSI，分析竞争窗口在不同用户数情况下对饱和吞吐率的影响，提出了一种简洁的频段选择方法。

1 影响Wi-Fi传输的因素

通常情况下，2.4 GH 频段上支持802.11n 协议，而5 GHz 频段上 支持802.11ac 协议[10]。2.4 GHz 频段对接收到信号的RSSI 值要求更为宽松，而5 GHz 频段上对RSSI 的要求更为严格。分析RSSI 和协议差别对AP 侧吞吐率的影响是频段选择的首要工作。

2.4GHz 频段同时支持802.11b 和802.11g 协议，文中只讨论2.4 GHz 上采用802.11n 的情况。

1.1 接收信号强度

无线信号在信道中传输时发生衰减，传输损耗模型如下：

其中，α代表路径损耗指数，d是传输距离，d0是参考距离，λ为波长。

根据式（1）可知，客户端接收到的信号强度随距离增大而减小。802.11n 和802.11ac 协议定义了不同的CCA 能量检测阈值，距离是影响吞吐率的一个重要因素。RSSI 随距离变化曲线如图1 所示。

图1 RSSI距离曲线

802.11ac 在不同的带宽条件下定义了两级CCA阈值。在20 MHz 和40 MHz 带宽时分别定义了初级CCA 能量检测阈值为-82 dBm 和-79 dBm，二级CCA能量检测阈值为-72 dBm，在80 MHz 带宽时初级CCA 能量检测阈值和二级CCA 能量检测阈值分别为-76 dBm 和-69 dBm。802.11n 和802.11ac 协议在不同带宽下AP侧吞吐率随RSSI 变化曲线如图2所示。

图2 AP吞吐率随RSSI变化曲线

在5 GHz 频段上，RSSI 值 下降到-62.7 dBm 时，160 MHz带宽吞吐率下降为0，RSSI值下降到-65.6 dBm时，80 MHz带宽吞吐率下降为0，RSSI值下降到-68.8 dBm时，40 MHz 带宽吞吐率下降为0。在2.4 GHz 频段上，RSSI值下降到-74.6 dBm时，40 MHz带宽吞吐率为0，RSSI值下降到-77.6 dBm时，吞吐率为0。所以当客户端RSSI 值小于-68.8 dBm 时，只能选择2.4 GHz 频段才可能传输数据。当客户端RSSI 值大于-62.7 dBm时，2.4 GHz 和5 GHz 频段所有带宽的RSSI 要求均被满足，此时如何选择频段需要考虑其他因素。

1.2 饱和吞吐率

饱和吞吐率是每个节点的业务量都处于饱和状态，即队列中一直有数据包需要发送。AP的饱和吞吐率代表着AP的最大能力，即站点(Station，STA)有无穷多的数据要发送给AP，即此时AP 能传输的最大数据速率。AP 的饱和吞吐率代表AP 能达到的传输极限。提高AP的饱和吞吐率意味着提高了网络能力的上限。

Bianchi 建立的离散二维马尔科夫链模型可以准确地计算AP 的饱和吞吐率[11]。二维马尔科夫链如图3 所示。

图3 二维马尔科夫过程

在理想信道和有限节点数条件下，只考虑节点数带来的竞争时，一个STA 的发送概率τ的计算公式如下[12]：

其中，CWmin表示最小竞争窗口，m是最大退避状态，p是发送失败的概率。

饱和吞吐率计算公式如下：

其中，Ptr为至少有一个站点传输的概率，Ps为传输成功的概率，σ为空闲单位时间，Ts为传输成功时间周期平均时长，Tc为冲突平均时间。

1.2.1 最小竞争窗口

根据饱和吞吐率计算公式可以看出，饱和吞吐率的大小只与最小竞争窗口CWmin及站点数n相关。站点的发送概率τ只与CWmin相关，CWmin较小时站点发送概率更大，在站点数较多时冲突更多，反而会导致饱和吞吐率下降[13]。以站点数最多20 个为例，对比CWmin对饱和吞吐率的影响，2.4 GHz 频段802.11n 协议、双天线(2×2)、带宽20 MHz 时的仿真结果如图4 所示。

图4 不同最小竞争窗口吞吐率变化曲线

对比CWmin=15 和CWmin=127 两种情况，当站点数小于等于2 时，CWmin=15 的AP 吞吐率高于CWmin=127，随着站点数增加，CWmin较小的AP 吞吐率急剧下降，CWmin较大的AP 吞吐率下降缓慢。为了更好地适用于20 个站点以内的局域网，将CWmin调整为127。

1.2.2 站点数

通常情况下，当站点数目为1 时，AP 与STA 进行点对点传输时AP 的吞吐率最大[14]，当扩大了最小竞争窗口后情况发生变化。当调整最小竞争窗口时，站点数从1 开始增加，虽然站点数增加，但是由于站点数仍然较小，并不会立即产生碰撞冲突，增加的碰撞几率可以忽略[15]，同时平均退避时间却缩短，相较于增加的碰撞几率，平均退避时间的减少更为显著，所以会显著地提高AP 的饱和吞吐率[16-19]。图5 和图6分别是5 GHz 频段上802.11ac 协议和2.4 GHz 频段上802.11n协议的吞吐率仿真结果，从图中可以看出，随着站点数的增加，AP的吞吐率先上升后缓慢下降。

图5 802.11ac吞吐率曲线

图6 802.11n吞吐率曲线

2 频段选择策略

当站点加入网络与AP 进行连接时，站点首先需要对RSSI 值进行判断，如图2 所示。如果RSSI 小于-68.8 dBm，5 GHz 频段将无法使用，而被迫选择2.4 GHz 频段。当RSSI 大于-62.7 dBm 时，2.4 GHz 和5 GHz 均可正常传输，此时频段的选择需要根据站点所能获得的传输吞吐率来确定。

2.1 平均吞吐率

AP 的饱和吞吐率即为所有站点STA 吞吐率的总和，AP 的饱和吞吐率和站点STA 数量的比值，即为STA 平均吞吐率。随着站点数的增加，平均到每个站点的吞吐率变小，但不是简单的反比关系，正如前面提到的那样，AP 的饱和吞吐率随站点数在变化。

图7 为2.4G Hz 频 段802.11n 协议和5 GHz 频段802.11ac 协议不同带宽时每个站点所能获得的平均吞吐率。假设每个站点STA 接入AP 的机会均等，当所有STA 均处于饱和状态时，其都有足够的数据包，使得发送队列一直处于满的状态，那么STA 平均吞吐率就代表每一个STA 能达到的极限吞吐率。

图7 平均吞吐率曲线

2.2 频段选择流程

以2.4 GHz 频段使用802.11n 协议20 MHz 带宽，5 GHz 频 段使用802.11ac 协议80 MHz 带宽为例，站点平均吞吐率如图8 所示，假设RSSI 值足够大，分配过程如下：

图8 不同频段平均吞吐率曲线

1）当只有一个STA时，STA被部署到5 GHz频段。

2）当站点数为2 时，可以认为是在1)情况下新加入一个STA，即STA1 放到5G 频段的情况下，对STA2进行分配。此时有两种选择，将新加入的STA2 连接到2.4 GHz 或将其连接到5 GHz 频段上。

情况A：将STA2连接到2.4 GHz频段上，STA2独享该频段，STA2所能达到的最大吞吐率为103.66 Mbps，5 GHz频段上的STA1最大吞吐率能够达到357.46 Mbps。STA1 和STA2 的平均吞吐率为(103.66+357.46)/2=230.56 Mbps。

情况B：将STA2连接到5 GHz频段上，此时5 GHz频段上有两个站点，而2.4 GHz 上站点数为0。此时STA1 和STA2 的最大平均吞吐率为224.02 Mbps。

对比情况A和情况B，情况A的平均吞吐率更高，但并不是每一个STA 能达到的最大吞吐率也最大。姑且认为情况B 中平均吞吐率321.21 Mbps 为STA1和STA2能达到的吞吐率上限，此时STA2能达到的最大吞吐率224.02 Mbps 高于情况A 的103.66 Mbps。所以情况B 优于情况A，当站点数为2 时，将两个站点STA1 和STA2 均连接 到5 GHz 频段上。

3）当站点数为3 时，同理3 个站点STA1、STA2、STA3 全部连接到5 GHz 频段为最优。

综合考虑RSSI和站点数以及平均每个站点所能达到的最大吞吐率，文中提出的频段选择策略流程如图9 所示。RSSI_5G 表示5 GHz频段能够正常稳定传输数据所需的最小RSSI 值，N5、N2表示5 GHz 频段和2.4 GHz 频段已连接的站点数量，T5(N5)，T2(N2)表示5 GHz 和2.4 GHz 频段站点的平均吞吐率。该分配策略的核心部分为比较新加入的站点连接到2.4 GHz或5 GHz 频段两种情况下站点的平均吞吐率，逐渐降低站点的平均吞吐率，使得每一个站点所能达到的吞吐率上限缓慢下降，以提高站点所能竞争到的资源。该策略满足最大-最小公平优化原则，改变任何站点连接频段都会减小该站点所能达到的极限吞吐率值。

图9 频段选择策略流程

3 结论

该文分析了Wi-Fi 传输过程中对传输性能、吞吐率可能产生影响的因素，如RSSI 值、最小竞争窗口以及站点数，并给出一种以调整不同频段上所连接的站点数为核心的频段选择策略。该策略只需要监控每个频段上连接的站点数，易于工程实现。