CN112689297A

CN112689297A - 多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法

Info

Publication number: CN112689297A
Application number: CN202011528895.8A
Authority: CN
Inventors: 孙杰
Original assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: CN112689297B

Abstract

本发明公开了一种多Wi‑Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，包括：通过独立Wi‑Fi模组绑定独立信道进行扫描与连接；采用多路网络层数据流同步传输，分解与整合，即发送端按照物理层接入AP的Wi‑Fi模组数，分割原始数据，以及整合协议的封装，接收端接收到多路数据流，整合还原原始数据；采用邻近信道Wi‑Fi模组扩频协同工作。本发明通过更加合理高效地使用局域网空间射频资源，以实现高网络传输性能。

Description

多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法。

背景技术

Wi-Fi作为目前使用率最高的物理网络接入方案，和人们的生活息息相关。随着各种消费电子应用场景的日新月异，对Wi-Fi的网络传输性能要求也日益提高。目前存在的问题是在终端上集成单一的Wi-Fi网卡，对于高要求应用场景所涉及的高网络带宽无法支持。该问题的技术原因是，虽然单一的Wi-Fi网卡支持2.4G和5.8G两个射频频段，但实际的工作信道只能在属于2.4G频段的14个信道，或者5.8G频段的12个信道，共计26个众多允许的小频段中选择一个，完全取决于路由器的信道配置，单独信道的传输频宽有限，同时由于空间环境的干扰，固定的独立信道，也很难发挥理论上的最高带宽，进一步降低应用场景能够提供的实际体验。

传统单路Wi-Fi接入和传输方案性能无法满足高网络需求应用场景问题，概括来讲分为两类，第一类为总传输数据量无要求，但实时同步传输性能要求很大的场景，比如高清直播，高清在线视频等，第二类是对实时同步传输性能无要求，但总传输数据量很大的场景，比如企业服务器网络数据迁移工作任务等，两种场景的共同特征均是受限于传统单路网络接入的带宽，而导致实际场景体验不佳。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，通过更加合理高效地使用局域网空间射频资源，以实现高网络传输性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，包括：

通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行扫描与连接；

采用多路网络层数据流同步传输，分解与整合，即发送端按照物理层接入AP的Wi-Fi模组数，分割原始数据，以及整合协议的封装，接收端接收到多路数据流，整合还原原始数据；

采用邻近信道Wi-Fi模组扩频协同工作。

作为本发明的进一步改进，通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行扫描具体包括：

针对2.4G频段，选择3个独立信道，分别是信道1，信道6，信道11，作为分配到该频段工作三个Wi-Fi模组的起始工作信道；

5G频段分为5.2G和5.8G两个频段，5.2G频段包含信道36，信道38，信道40，信道44，信道46，信道48六个信道，5.8G频段包含信道149，信道151，信道153，信道157，信道159，信道161六个信道。

作为本发明的进一步改进，通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行连接具体包括：

每个模组在SOC端被映射为独立的网络设备，每个网络设备拥有独立的物理MAC地址，负责独立信道的连接工作，每一个网络设备连接到当前信道的路由器AP时，获取独立的IP地址；每个网络设备的连接动作独立通过UI交互，由用户自主选择是否连接，各网络设备按照当前实际网络接入条件，是否选择连接，以及各网络设备的连接结果，连接信息相互独立；当两个网络设备接入同一个双频路由的2.4G和5G AP时，两个网络设备共用同一张路由表，数据链路一致，当不同网络设备接入不同路由的AP时，各自使用不同路由表，数据链路保持独立。

作为本发明的进一步改进，采用多路网络层数据流同步传输，分解与整合具体包括：对于发送端，采用单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送；对于接收端，采用多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合。

作为本发明的进一步改进，对于发送端，采用单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送具体包括：

将需要传输的数据流，按照实际独立Wi-Fi模组绑定独立信道连接中实际接入的Wi-Fi AP数量进行分割，并定义收发双方需要遵循的规则，所述规则包括序列号、头地址、偏移地址、数据长度、Md5值和Hash值，其中序列号，头地址，偏移地址，数据长度三者共同作用，用于指导接收端组装数据，MD5值和HASH值在具体的数据流传输前，由发送端先行生成，并发送至接收端；所述数据流的分割公式如下：数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据(N≥1)。

作为本发明的进一步改进，所述规则中，如果涉及数据加密需求，则发送端附加AES KEY类型，对实际数据流进行加密，接收端按照单独约定的KEY进行解密。

作为本发明的进一步改进，对于接收端，采用多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合的整合公式如下：数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据(N≥1)。

作为本发明的进一步改进，根据接收端实际的物理Wi-Fi基础网络接入情况，对单路数据流的整合做动态调整，具体地，定义发送端接入N1个Wi-Fi AP，将原始数据流分割为N1段数据，接收端接入N2个Wi-Fi AP，根据N1与N2的相对大小关系对单路数据流的整合做动态调整，动态调整的规则如下：

如果N1＞N2，则接收端N2个Wi-Fi AP同时工作接收，分多轮接收，接收完成后统一整合，接收轮数为：N2/N1取整+1，其中，当N1＝1时，则串行接收后整合；

如果N1＝N2，则接收端N2个Wi-Fi AP同时工作接收，单轮接收，接收完成后统一整合；

如果N1＜N2，当5G Wi-Fi信号强度大于-49dbm时，优先使用负责5G信道的Wi-FiAP进行接收，如果5G网络设备不足，再选择信号强度最高，信道最干净的2.4GWi-Fi AP进行接收，单轮接收，接收完成后统一整合。

作为本发明的进一步改进，每一条数据流在接收完后，在本地校验MD5和HASH值，如果和对应数据流包头信息一致，则认为传输正常，可直接将有效数据作为整合元数据，反之，认为传输错误，执行重传。

本发明的有益效果是：

相比于行业通用的单Wi-Fi网卡跟随路由信道做法，本发明采用独立模组绑定独立信道扫描和连接，多路网络层数据流同步传输，分解与整合，邻近信道模组扩频协同工作三项技术，共同实现高网络传输性能，明显领先于通用方案。

附图说明

图1为本发明实施例的总览框图；

图2为本发明实施例中独立Wi-Fi模组绑定独立信道扫描的流程框图；

图3为本发明实施例中独立Wi-Fi模组绑定独立信道连接的流程框图；

图4为本发明实施例中单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送的流程框图；

图5为本发明实施例中多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合的流程框图；

图6为本发明实施例中邻近信道模组扩频协同工作的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

本实施例采用独立模组绑定独立信道扫描和连接，多路网络层数据流同步传输，分解与整合，邻近信道模组扩频协同工作三项技术，解决单一的Wi-Fi网卡的工作信道，完全依赖于路由器的信道配置，单独信道的传输频宽有限，对于高要求应用场景所涉及的高网络带宽无法支持，同时由于空间环境的干扰，固定的独立信道，也很难发挥理论上的最高带宽问题。

本实施例提供的一种多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，由“独立模组绑定独立信道扫描”、“独立模组绑定独立信道连接”、“单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送”、“多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合”，以及“邻近信道模组扩频协同工作”五部分组成，如图1所示，其中“独立模组绑定独立信道扫描”、“独立模组绑定独立信道连接”以及“邻近信道模组扩频协同工作”为OSI物理层技术，用于解决Wi-Fi网络的AP发现和基础接入；“单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送”以及“多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合”为传输层技术，用于解决数据流从传输层根据物理层Wi-Fi基础接入状态，决策在发送端分割数据，接收端整合数据的协议和规则定义，各部分详细叙述如下：

“独立模组绑定独立信道扫描”和“独立模组绑定独立信道连接”的协同方案的核心思想是每一个独立的模组分配并绑定独立的工作信道，保证各自在射频空间领域的独立性，由于每个模组工作的射频空间相互独立，也从根本上杜绝了相互之间的频谱窜扰问题。

如图2所示，独立模组绑定独立信道扫描：

我国民用无线频谱，对于Wi-Fi的实际物理通信，可简单划分为2.4G和5G两个大频段，每个频段可再次划分为数个信道，每个信道占用一定的频段宽度。

其中，2.4G包含1至14，总计14个信道，该频段每个信道的中心频率仅相隔5MHz，而每个信道占用的工作频宽为22MHz(实际使用20MHz)，可以看出每个信道的频谱资源占用并不独立，邻近信道有一定重叠，如果邻近信道同时执行数据传输，则必然存在邻频干扰。因此，针对2.4G频段，本发明选择3个独立信道，分别是1,6,11，作为分配到该频段工作三个Wi-Fi模组的起始工作信道，三个Wi-Fi模组各自负责的信道分配，详细如下表所示：

5G频段分为5.2G和5.8G两个频段，5.2G包含36,38,40,44,46,48六个信道，5.8G包含149,151,153,157,159,161六个信道，该频段每个信道的中心频率相隔10MHz，占用的工作频宽为22MHz(实际使用20MHz)，因此5G频段的12个信道频谱资源占用相互独立，不存在存在邻频干扰。

为确保性能最优，以及射频资源最高效率利用，本发明针对每个信道，单独安排一个Wi-Fi模组负责工作，详细如下表所示：

Wi-Fi模组号	工作信道	中心频率
			4	信道36	5180MHz
5	信道38	5190MHz
			6	信道40	5200MHz
7	信道44	5220MHz
			8	信道46	5230MHz
9	信道48	5240MHz
			10	信道149	5745MHz
11	信道151	5755MHz
			12	信道153	5765MHz
13	信道157	5785MHz
			14	信道159	5795MHz
15	信道161	5805MHz

IEEE802.11基础协议中定义，Wi-Fi扫描当前空间环境中路由器AP时，需要按协议要求发送特定REQUEST BEACON PROBE，然后在当前工作信道监听一定周期，该周期设计有如下原则：不应过短，太短的话，有可能因为空间环境的不确定性，路由器应答的RESPONCEBEACON PROBE来不及被监听，导致漏扫；也不应过长，否则会导致该信道对应的频谱得不到及时释放，造成空间射频资源浪费，同时也会直接延长本身扫描的时间消耗。

假设每个信道的监听周期为150ms，则一轮民用信道的完整耗时为单信道周期乘以信道数量，为3.9s。

本实施例中的独立模块绑定独立信道扫描技术，对于2.4G，模组1和模组2各自负责五个信道，一次扫描时间为750ms，模组3负责四个信道，一次扫描耗时600ms，模组4至模组15，各自负责独立信道，一次扫描耗时150ms，由于15个模组同步工作，则一次完整的扫描工作，耗时为其中最大值750ms，相对于传统方式的3.9s，耗时大幅优化。

750ms后，开始轮询扫描结果，在初始化扫描结果链表后，分别装填上述15个模组各自的扫描结果，最终结果和传统扫描方式一致。

如图3所示，独立模组绑定独立信道连接：

各信道的分配规则，同独立模组绑定独立信道扫描技术一致。

每个模组在SOC端，被映射为独立的网络设备，每个网络设备，拥有独立的物理MAC地址，负责独立信道的连接工作，每一个网络设备连接到当前信道的路由器AP时，获取独立的IP地址，映射规则如下表所示：

每个网络设备的连接动作独立通过UI交互，由用户自主选择是否连接，各网络设备按照当前实际网络接入条件，是否选择连接，以及各网络设备的连接结果，连接信息相互独立。

当两个网络设备接入同一个双频路由的2.4G和5G AP时，该两个网络设备共用同一张路由表，数据链路一致，当不同网络设备接入不同路由的AP时，各自使用不同路由表，数据链路保持独立。

由此，实现了“独立模组绑定独立信道扫描”和“独立模组绑定独立信道连接”的协同方案。

如图4所示，单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送：

对于发送端，本实施例将需要传输的数据流，按照实际“独立模组绑定独立信道连接技术”中实际接入的Wi-Fi AP数量进行分割，分割数量最大为15条，最小为1，当数量为1时，性能表现和传统Wi-Fi接入一致。为了确保接收端在接收到各路分割后的数据流后，能够组装回传输前的原始数据，定义一套收发双方需要遵循的规则。

规则约定，在每一条分割的数据流之上，单独封装一层封包信息，定义如下表所述：

其中序列号，头地址，偏移地址，数据长度三者共同作用，用于指导接收端组装数据，MD5值和HASH值在具体的数据流传输前，由发送端先行生成，并发送至接收端。

如果涉及数据加密需求，则发送端附加AES KEY类型，对实际数据流进行加密，接收端按照单独约定的KEY进行解密。

分割公式：

原始数据流->数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据。(N≥1)

如图5所示，多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合：

对于接收端，遵循和发送端相同的数据分割规则，作为数据整合规则。

整合公式：

数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据->原始数据流。(N≥1)

但绝大部分网络数据传输场景中，接收端和发送端并非出于相同的网络拓扑结构，因此需要根据接收端实际的物理Wi-Fi基础网络接入情况，做一定的动态调整，定义发送端接入N1个Wi-Fi AP，因此将原始数据流分割为N1段数据，接收端接入N2个Wi-Fi AP，根据N1与N2的相对大小关系，设计调整为：

特别说明：由于网络传输可能的故障，每一条数据流在接收完后，在本地校验MD5和HASH值，如果和对应数据流包头信息一致，则认为传输正常，可直接将有效数据作为整合元数据，反之，认为传输错误，执行重传。

由此，实现了“单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送”和“多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合”的协同方案，相对于传统Wi-Fi接入的单路传输，实现了多个射频频段的高效复用，对于发送端，假设单路传输耗时为T1，则该方案耗时缩短为T1/N1,对于接收端，假设单路传输耗时为T2，耗时缩短为(T2/N2)X(N2/N1取整+1)。

如图6所示，邻近信道模组扩频协同工作：

在Wi-Fi技术更迭至第四代时，IEEE802.11n提出了HT扩频技术，即可将多个相邻信道合并为一个更大的信道，用于相对于单信道更高性能的传输方案。但目前2.4G频段射频干扰严重，HT扩频技术在该频段非但无法提供更优的传输性能，反而受到来自更多频谱的干扰，所以该技术，一般只应用于5G频段。有HT40，HT80，HT160三种扩频，分别合并两个，四个，八个信道。

对于传统Wi-Fi接入，由于Wi-Fi模组的天线设计限制，一般在中心频率固定后只能做到左右各20MHz左右的工作频宽，对于HT40能够充分发挥40MHz信道带宽，但对于HT80的80MHz或者HT160的160MHz，通过周期性偏移中心频率来实现两者的频谱宽度覆盖，因此性能会有一定折损。

本实施例提出“邻近信道模组扩频协同工作技术”方案，在用户路由具备HT扩频技术条件时，复用负责邻近信道的Wi-Fi模组协同工作，保证高HT配置时的信道高利用率。

下面以一个实际案例对本实施例作进一步说明：

(1)、以企业场景为例，公司员工需要紧急通过网络传输一个数据量巨大(以100GBytes为例)的文件，但任何一个网络端口出口带宽均只有50Mbps,且由于办公室射频空间干扰严重，单一Wi-Fi AP的实际传输速率只有20Mbps,如果按照传统方式传输，在确保网络接入无任何异常断线的前提下，也需要至少耗时约11至12小时，办公效率低下，工作任务无法按期交付；

(2)、当实施本实施例技术方案时，公司员工电脑定义为发送端工作，通过“独立模组绑定独立信道扫描和连接”方案，电脑分别扫描到当前办公室五个可供接入的Wi-Fi AP，分别工作在1，6，11，36，149五个信道，其中1,36为双频路由器A的两个AP，6,149为双频路由器B的两个AP，11为单频路由器C的独立AP，路由器A，B，C WAN端接入不同网络端口；

(3)、公司员工通过“独立模组绑定独立信道扫描和连接”方案，控制电脑同时接入五个AP；

(4)、通过“独立模组绑定独立信道扫描和连接”方案和“多路网络层数据流同步传输，分解与整合”方案的协同工作，将需要发送的数据文件分割为五条不同的数据流，并将每条数据流封装上分割的数据长度，首地址，偏移地址关键参数的头文件：

数据流1：数据长度：20GBytes，首地址：0，偏移地址：20GBytes；

数据流2：数据长度：20GBytes，首地址：20GBytes，偏移地址：20GBytes；

数据流3：数据长度：20GBytes，首地址：40GBytes，偏移地址：20GBytes；

数据流4：数据长度：20GBytes，首地址：60GBytes，偏移地址：20GBytes；

数据流5：数据长度：20GBytes，首地址：80GBytes，偏移地址：20GBytes；

(5)、通过“多路网络层数据流同步传输，分解与整合”方案，五条数据流开始同步传输，每条数据流的总大小为20GBytes；

(6)、由第(1)点所述，每一个AP只能提供20Mbps网络速率，由于第(5)点所述实施内容，则传输时长从11至12小时缩短至2至3小时，办公效率得到极大提升；

(7)、数据接收端，无论是否使用“独立模组绑定独立信道扫描和连接”方案，均可通过“多路网络层数据流同步传输，分解与整合”方案，在接收到实施内容(5)五段独立的数据流后，根据发送端在实施内容(4)的关键参数，重新封装原始数据。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，包括：

通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行扫描与连接；

采用邻近信道Wi-Fi模组扩频协同工作。

2.根据权利要求1所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行扫描具体包括：

3.根据权利要求2所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，通过独立Wi-Fi模组绑定独立信道进行连接具体包括：

4.根据权利要求1所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，采用多路网络层数据流同步传输，分解与整合具体包括：对于发送端，采用单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送；对于接收端，采用多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合。

5.根据权利要求4所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，对于发送端，采用单路数据流分解，多路Wi-Fi复用发送具体包括：

将需要传输的数据流，按照实际独立Wi-Fi模组绑定独立信道连接中实际接入的Wi-FiAP数量进行分割，并定义收发双方需要遵循的规则，所述规则包括序列号、头地址、偏移地址、数据长度、Md5值和Hash值，其中序列号，头地址，偏移地址，数据长度三者共同作用，用于指导接收端组装数据，MD5值和HASH值在具体的数据流传输前，由发送端先行生成，并发送至接收端；所述数据流的分割公式如下：数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据(N≥1)。

6.根据权利要求5所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，所述规则中，如果涉及数据加密需求，则发送端附加AES KEY类型，对实际数据流进行加密，接收端按照单独约定的KEY进行解密。

7.根据权利要求5所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，对于接收端，采用多路Wi-Fi复用接收，单路数据流整合的整合公式如下：数据流1包头+…+数据流N包头+数据流1有效数据+…+数据流N有效数据(N≥1)。

8.根据权利要求7所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，根据接收端实际的物理Wi-Fi基础网络接入情况，对单路数据流的整合做动态调整，具体地，定义发送端接入N1个Wi-FiAP，将原始数据流分割为N1段数据，接收端接入N2个Wi-FiAP，根据N1与N2的相对大小关系对单路数据流的整合做动态调整，动态调整的规则如下：

如果N1＜N2，当5G Wi-Fi信号强度大于-49dbm时，优先使用负责5G信道的Wi-Fi AP进行接收，如果5G网络设备不足，再选择信号强度最高，信道最干净的2.4GWi-Fi AP进行接收，单轮接收，接收完成后统一整合。

9.根据权利要求8所述的多Wi-Fi模组协同实现高网络传输性能的方法，其特征在于，每一条数据流在接收完后，在本地校验MD5和HASH值，如果和对应数据流包头信息一致，则认为传输正常，可直接将有效数据作为整合元数据，反之，认为传输错误，执行重传。