基于“Wi-Fi

梁桂才 石家羽 馬梓鈞

關鍵詞：Wi-Fi7;5G; MEC;智慧校園

隨著新基建、5G和Wi-Fi技術高速發展，在教育現代化和信息化的推動下，智慧校園的建設不斷地被推向新的高度，新的計算機技術（IoT，XR，AI）以及新的網絡技術（4G，5G，Wi-Fi 6，Wi-Fi7）不斷被應用于學校的課堂、實驗室、學習生活中。新技術與教育技術的融合，推動著教育的智能化、信息化、智慧化[1]。智慧校園的建設如火如荼。

1智慧校園的發展現狀

新技術與教育技術的不斷融合，使智慧校園已經能夠實現或部分實現：智慧課堂和智慧教室的結合為師生提供遠程互動課堂、永不停息的課堂等；智慧圖書館為學生提供更強更快的知識服務：智慧安防利用高速網絡和邊緣計算機實現自動監控、遠程巡邏和電子圍墻等：“低延遲高速響應網絡+VR”為師生帶來身臨其境的沉浸式體驗：“低延遲高速響應網絡+AI”對師生課堂行為、生活習慣等多種數據進行大數據分析，為學生精準服務、讓教師精準教學；利用大數據分析提前發現可能發生的校園危險行為等。智慧校園的諸多應用需要有低延遲高響應的基礎網絡來保證服務質量。目前，智慧校園是以5G或Wi-Fi5和Wi-Fi6作為基礎網絡，隨著Wi-Fi技術的不斷進步，Wi-Fi技術的使用占全校網絡的使用比例不斷提高。即將面世的Wi-Fi7將會進一步提高Wi-Fi技術在智慧校園中的占比。

2智慧校園網絡需求

智慧校園的網絡主要承載包括物聯網、移動終端、視頻通話、視頻會議、文件數據傳輸等一般網絡速度需求的應用服務，還承載超高清4K和8K視頻，XR和AI、沉浸式體驗等需要快速響應低延遲的應用服務。在智慧校園網絡需求的峰值方面，以需要帶寬較高的VR為例，VR占用帶寬的大小由分辨率大小決定，數據大小由圖像編碼后形成，占用帶寬使用如下公式計算：（1）數據未壓縮帶寬=屏幕分辨率×色彩位數；（2）率數據編碼帶寬=屏幕分辨率×色彩位數×率／編碼壓縮比。

以4K視頻為例，其分辨率=3840x2160，色彩位=3x8bit，若取75幀／s，采用H.264壓縮編碼=130，則需要帶寬= 114.85Mbit/s。

以8K視頻為例，其分辨率=7680x4320，色彩位=3x8bit，若取75幀／s，采用H.264壓縮編碼=130，則需要帶寬=459.4Mbit/s。

在實際應用中，我們需要在計算出來的帶寬上再提高1倍，以保證無延遲。以8K視頻為例，其實際需要帶寬在1GB左右，5G和Wi-Fi7都能輕松實現。在智慧校園網絡中，VR中的8K視頻的網絡需求的峰值在1GB左右，其他低帶寬需求的應用在此不再討論。

3Wi．Fi7的技術特點

第7代Wi-Fi無線網絡簡稱Wi-Fi7，使用802.llbe協議，英文簡稱為EHT，全稱為Extremely HighThroughput，意思為極高吞吐。Wi-Fi7是在Wi-Fi6的基礎上發展而來，并向下兼容之前的Wi-Fi協議。Wi-Fi7概念自2019年提出，預計于2023年正式發布。Wi-Fi7提供達320MHz的信道帶寬，16條空間流，每條最高600Mbps吞吐率，最高可達30Gbps吞吐率，使用更高階的調制4096-QAM方式，支持Multi-RU，每個用戶可以使用多個RU，支持不同的頻帶間進行鏈路層面上的聚合和協作，支持多AP協同工作。

3.1Wi．Fi7全雙工的多頻帶工作

為了提高利用率．Wi-Fi7制定了良好的頻帶協同工作的方案，能同時向下兼容6GHz，5GHz和2.4GHz頻段。與傳統的802.11協議信道綁定技術不同，Wi-Fi7做出改進，允許同時使用不同頻段的信道，如同時使用5GHz和6GHz的信道，大大提升帶寬。Wi-Fi7的AP協調的全雙工多頻帶工作模式如圖1所示，在數據傳輸中主信息上進行退避后馬上利用PIFS載波偵聽其余信道，向STA發送多頻帶觸發MB-TF，使用UL和DL監控頻段資源使用情況，AP，STA能獨立工作在各個頻段中。通過強大的信號檢測機制能避開質量差的網絡信道，選擇質量好的信道，保證網絡的穩定，Wi-Fi7全雙工的多頻帶工作可以使系統吞吐大幅提高。

3.2Wi．Fi7多AP協同工作

XR實驗室能給師生帶來身臨其境的沉浸式體驗，需要高響應低延遲的網絡環境，能夠進行多AP協同工作，Wi-Fi7最適合不過。Wi-Fi7擁有多AP協同工作機制，使其可以在同一個空間內部署多個AP，并且協調多個AP同時為1個或多個節點工作，節點在多AP的環境下能夠獲得足夠大的網絡系統效率和穩定性。Wi-Fi7多AP協同工作機制有3種，分別是OFDMA（Coordinated OFDMA）多址接人協作技術、空口協作（零點指向協作）技術（Coordinated Null Steer-ing）、分布式MIMO協作技術（Distributed-MIMO），詳見圖2。

4Wi-Fi7和5G對比

移動通信技術從4G快速發展到5G，5G已成為全球的焦點，5G的峰值速率達20Gbit/s（相當于4G的20倍），大帶寬低時延。相較于3G，4G移動通信，5G不再局限于特定的業務或某些應用場景，5G是面向多業務多技術融合的、有更高速率的、更大帶寬的、更低延時的網絡技術，是以用戶體驗為中心的信息生態系統，它突破時空限制，正在不斷深入滲透到各個領域，為用戶帶來身臨其境的體驗。其可以輕松實現如VR，AR等場景。

Wi-Fi7和5G都有共同的特點，即又快又穩，而它們的特性有很多互補性。在商業上，4G，5G與Wi-Fi一直是競爭對手，它們設計的目標對象、使用協議有很多的區別。而實際上，作為兩種先進的通信技術，5G與Wi-Fi7本身就不是對立的，二者都有各自的功能和優勢，二者主要的應用場景各有側重，相輔相成[2]。

從是否產生流量資費分析，Wi-Fi7大多都是企業或單位直接接入自身的有線網絡中，使用過程不直接產生運營商流量費用，并且沒有流量和時間的上的限制，在應用服務上也不受限。而5G網絡是運營商建設的網絡，使用它就需要繳納一定的費用，并且是按流量來收費的，使用得更多就會產生更高的費用。

從應用場景空間來分析，5G屬于WWAN網絡，即廣域網，目標應用場景是由室外到室內的，首先在室外進行信號范圍覆蓋，再通過技術實現室內覆蓋，范圍覆蓋是公里級別的。

從技術上來看，5G更加適用于長距離移動接人：而Wi-Fi7屬于WLAN網絡，即局域網，目標應用場景是200 M以內的范圍，更加適合室內環境，如圖3所示。另外，5G屬于授權頻段技術，而Wi-Fi7使用非授權頻段，Wi-Fi7無須付出巨額的頻譜使用費。

5“Wi-Fi7+5G+MEC”的智慧校園架構

在智慧校園中引入邊緣計算技術（Mobile EdgeComputing，MEC），是ICT融合的產物，同時成為支撐運營商進行5G網絡轉型的關鍵技術，以滿足高清視頻、VR/AR、工業互聯網、車聯網等業務發展需求[3]。云計算通過基礎設施（即服務等3層的服務模式）為用戶提供彈性、可伸縮的服務資源[4]，它像一個資源池，彈性地為用戶提供計算、存儲等服務。云計算機中心的算力非常強大，且智能終端的計算能力越來越強大，但是也不能滿足人們對虛擬現實、增強現實、超高清視頻等體驗的效果追求，此時云邊協同機制就產生了。云邊協同機制實現部分云計算的運算、存儲和分析等算力下沉到網絡邊緣；把資源需求量較小且對延遲敏感的任務放置到網絡邊緣的計算節點上進行運算，延遲敏感型的應用或任務請求無需經過較長的鏈路上c傳到云計算中心，從而能夠快速地得到計算結果和響應[5]。而在終端無法完成高密度的大量計算時，通過高速網絡發送給云計算中心處理，然后返回結果給終端，這既能降低終端能耗又能提升體驗，實現為師生提供低延遲、高效率的計算、存儲等服務。

智慧校園需要低時延、高帶寬、高可靠性，Wi-Fi7和5G都符合。結合上文分析，智慧校園中網絡需求屬于WLAN網絡的范疇有辦公室、學生宿舍、XR實驗室、智慧教室、智慧圖書館、智慧實驗室等；智慧校園中網絡需求屬于WWAN網絡的范疇有智慧安防、無人駕駛、虛擬空間、移動終端等。“Wi-Fi7+5G+MEC”的智慧校園架構如圖4所示，屬于WLAN網絡的范疇使用Wi-Fi7技術接人，屬于WWAN網絡的范疇使用5G技術接人。這樣的接人方式不但結合了Wi-Fi7和5G的優點，保證了網絡的穩定性，還降低了建設、使用和維護成本。

6結束語

即將面世的Wi-Fi7和5G是競爭對手，但是它們也存在互補的關系。本文通過分析Wi-Fi7的技術特點，對Wi-Fi7和5G進行了比較，認為Wi-Fi7的部署、維護和擴展成本較低，適用于智慧校園的短距離接入場景；5G是蜂窩網絡，適用于智慧校園的長距離和移動接入場景，二者結合能夠達到更好的接人速率、經濟效益、用戶體驗，未來“Wi-Fi7+5G+MEC”是促進智慧校園發展的一個方向。