信道实时自适应Wi-Fi 设备设计

淡江

（杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江杭州 310000）

Wi-Fi 是迄今最为普遍应用的无线局域网标准技术。Wi-Fi 设备主要工作在2.4 GHz 和5 GHz 两个频段。虽然5 GHz 频段可以提供更多的信道和带宽，但是5 GHz 频段信号的穿透能力较弱，导致通信距离较近，一些对通信距离有要求的应用场景更倾向于使用2.4 GHz 频段，如无线视频监控相机[1]。然而2.4 GHz 频段一共只有80 MHz 频宽可用，有13 个信道，相邻信道频谱重叠，干扰问题突出。Wi-Fi 设备一旦开始组网通信，便固定在某个信道。无线环境干扰情况瞬息万变，导致通信不稳定，无法满足高可靠性无线通信的需求[2]。该文设计了一种信道实时自适应Wi-Fi 设备，在保证正常通信过程中，可以实时扫描各个信道的干扰情况。当该信道干扰变大无法满足传输速率需求时，可以自动切换至干扰较小的信道，维持正常通信，满足无线视频监控等高可靠性场景需求。

1 系统组成

通信系统由AP 设备和STA 设备组成。AP 主要由AP SoC RTL8197FNT、SoC Hi3516D（AP 端）、侦测网卡RTL8188EUS 组成。STA 主要由SoC Hi3516D（STA 端）和网卡RTL8192EU 组成[3]。RTL8197FNT用于建立Wi-Fi 热点，供STA 连接。RTL8188EUS 用于信道背景扫描。Hi3516D（AP 端）运行RTL8188EUS的驱动程序，同时实现信道背景扫描逻辑，将信道干扰信息提供给RTL8197FNT，为信道切换提供依据。RTL8192EU 用于连接AP 热点，实现无线通信。Hi3516D（STA 端）运行RTL8192EU 的驱动程序。通信系统主要架构如图1 所示。

图1 AP和STA设备的系统架构

2 主要硬件设计

在RTL8197FNT 正常通信过程中，RTL8188EUS持续对1-13 个信道进行扫描。当RTL8197FNT 处于发射状态时，会对RTL8188EUS 信道扫描造成影响，导致扫描不准确，所以此时应暂停扫描。RTL 8197FNT 的收发切换响应时间为纳秒级，时间过短导致无法采用通信接口方式与RTL8188EUS 进行同步。RTL8197FNT 定义了S0_PAPE 端口，用于指示发射状态，发射时该端口为高电平，接收时为低电平。采用S0_PAPE端口来控制两个单刀双置开关，低电平时天线直接与RTL8188EUS 接通，侦测干扰；高电平时，天线信号旁路接地，暂停侦测，防止RTL8197FNT发射影响，RTL8188EUS 射频链路如图2 所示。

采用两个开关是为了增大隔离度，单个开关隔离度最大为40 dB，不足以阻止RTL8197FNT 信号泄露[4]。开关一端接49.9 Ω电阻是为了阻抗匹配，吸收泄露信号。RTL8188EUS 芯片内部集成了收发切换开关，收发共用同一差分端口，需外接巴伦转为单端。

RTL8197FNT 采用双天线，有两组收发端口。发射为差分端口，需要外接巴伦转为单端。Wi-Fi为时分双工系统，一组收发端口通过单刀双掷开关共用一个天线，如图3 所示。

图3 RTL8197FNT射频链路

RTL8188EUS 作为USB device 直接挂载至Hi 3516D（AP 端）。Hi3516D（AP 端）通过UART 接口与RTL8197 FNT交互[5]。

在STA设备中，RTL8192EU 作为USB device 直接挂载至Hi3516D（STA 端）。RTL8192EU 采用双天线，有两组收发端口，内置开关，每组收发共用同一差分端口，需要外接巴伦转为单端，如图4 所示。

图4 STA电路

3 软件逻辑设计

3.1 信道干扰扫描

处于同一信道中的Wi-Fi 设备之间具有冲突避让机制，可以避免相互冲撞。而处于相邻近不同信道的设备之间无法发现对方，会出现相互冲撞，所以判断信道干扰强度主要考虑临近的几个信道对本信道的干扰[6]。2.4 GHz 频段Wi-Fi信道如图5 所示。

图5 2.4 GHz频段Wi-Fi信道

干扰强度主要与周围其他Wi-Fi 设备单位时间发包数量和每个包的信号强度相关。侦测网卡RTL8188EUS 采用sniffer 驱动，可以收集某个信道中的Wi-Fi 包，同时可获得每个Wi-Fi 包相应的信号强度[7-8]。信号强度以dBm 为单位，为了方便软件处理，将不同区间dBm 值映射成表1 所示的数值等级Sn。

表1 信号强度与数值等级Sn 的对应关系

RTL8188EUS 对信道进行扫描时，每个信道的驻留时间T=100 ms。设信道X 繁忙指数CX为该信道T时间内所收到Wi-Fi包的Sn之和[9]，如式（1）所示：

在RTL8197FNT 与STA 正常通信过程中，通过UART 将当前工作信道告知Hi3516D（AP 端），RTL 8188EUS 持续扫描部分信道。设RTL8197FNT 通信所用信道为X，则需要扫描的信道包括X-n和X+n（n取不小于4的整数，X-n≥1且X+n≤13）。如RTL8197 FNT 通信所用信道为5，则需要扫描的信道为1、9、10、11、12、13。RTL8188EUS 完成某个信道扫描后，Hi3516D（AP 端）计算CX值，保存至内存，随后扫描下一个信道。当完成所有信道扫描后，进行下一轮扫描，重新计算每个信道新的CX值并刷新内存。

3.2 信道切换

RTL8197FNT 设定一个吞吐量阈值，并持续监测吞吐量。当前通信信道受到干扰导致吞吐量小于阈值时，RTL8197FNT 通过UART 向Hi3516D 发出最优信道查询指令。收到指令后，RTL8188EUS 首先对X-n，X+n（0≤n≤3，X-n≥1 且X+n≤13）信道进行扫描，计算相应CX值。如当前工作信道为5，那么需要扫描2、3、4、5、6、7、8 这几个信道。其中计算当前通信信道X的CX值时，需要对MAC 地址进行过滤，排除与RTL8197FNT 所连接的STA 发出的包。结合3.1节，此时Hi3516D 已经缓存了1-13 信道的CX值。定义信道X的信道质量QX，通过式（2）进行计算：

Hi3516D 依次计算1-13 信道的QX值，取QX最小的三个信道。查询这三个信道对应的CX值，将CX值最小的信道作为最优信道，通过UART 返回给RTL8197FNT。

AP 使用802.11 协议中的Channel Switch Announcement（CSA）帧来通知STA 切换至最优信道[10-12]。AP 首先发出CSA 帧，STA 收到后回复确认，双方在约100 ms 时间内切换至最优信道继续通信。根据协议接口，帧中Element ID=37，Channel Switch Mode=0，New Channel Number 为最优信道，Channel Switch Count=1。

系统的总体工作流程如图6 所示。

图6 系统工作流程

4 评估测试

在屏蔽室内对该文设备进行评估。AP 距离STA 约4 m，使用iperf 进行TCP 吞吐量测试，AP 作为Server 接收数据，STA作为Client发送数据[13]。工作在6 信道，无干扰情况下，吞吐量约为28.4 Mbps（AP关闭两条空间流功能）。在AP 和STA 中间位置，在1信道和7 信道设置干扰源，干扰源为另外两对AP 和STA 之间的8 Mbps UDP 数据流。未开启信道自适应功能时，吞吐量持续降至6 Mbps 以下，如图7 所示。

图7 未开启信道自适应

开启信道自适应功能，吞吐量阈值设为20 Mbps，重复上述实验。当7 信道干扰源开启时，吞吐量出现短暂下降后又恢复正常，如图8 所示。

图8 开启信道自适应

此外，在Wi-Fi 设备干扰较多的办公室环境中，采用两台设备同时传输码率为4 Mbps 的1 080 p 实时视频。一台开启信道自适应功能，另一台关闭信道自适应功能，初始信道为6 信道。如图9 所示，上方为开启信道自适应功能画面，面流畅度更高；下方为关闭信道自适应功能画面，时间明显滞后。

图9 视频传输对比测试

5 结论

测试结果证明，该文提出的信道实时自适应Wi-Fi 设备能够规避干扰，自动选择合适的信道以维持吞吐量。文中提到在AP 发射期间，需要暂停信道扫描，所以在AP 有较多下行数据的场景中，会影响扫描的准确性。所以该文方案更适合AP 下行数据较少，STA 上行数据较多的应用场景，如无线视频监控相机数据回传。文中判断信道繁忙程度只考虑了数据包的个数和对应信号强度，而没有考虑每个数据包的大小、所用速率和占用时间，这会影响判断的准确性。

该文设备属实验性质，在后续产品化中，为了降低成本，侦测网卡可以选择PCIE 接口的RTL8188EE[14]。RTL8188EE 可直接挂载至RTL8197FNT 的PCIE 接口，信道扫描和切换功能全部在RTL8197FNT 中实现，省去了SoC Hi3516D。

环境中的干扰瞬息万变，而该文方案具有滞后性，干扰导致吞吐量下降后才能做出反应。后续考虑集成AI 算法，基于收集的信道干扰信息对干扰作出预判，在干扰出现之前切换至更合适信道。在专用的受限制区域中，还可集成主动防御功能，侦测各个信道中未经许可的大数据流量。对相应设备发出虚拟的解除关联帧，阻断未经许可的大数据流量通信[15-16]。