Wi-Fi 7技術(shù)及其礦井應(yīng)用

姜玉峰

（1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2. 煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3. 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)[1]，可為覆蓋范圍內(nèi)的終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入，憑借部署便捷、應(yīng)用靈活等優(yōu)勢，已廣泛用于家庭、學(xué)校、辦公室等地面場所，并在智能化礦井中實(shí)現(xiàn)了規(guī)模部署。針對Wi-Fi的井下應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。孫繼平等[2]指出礦用Wi-Fi具有系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在傳輸時(shí)延大、通話質(zhì)量低的問題。張金豪等[3]提出了Wi-Fi在井下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，解決了煤礦井下長距離巷道無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的問題。魏翠英[4]設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi的井下應(yīng)急援救系統(tǒng)，提升了救援工作的完成效率。劉杰[5]開發(fā)了基于Wi-Fi的井下通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)送和回收分析。劉亮亮[6]改進(jìn)了基于Wi-Fi的井下人員定位系統(tǒng)，提高了定位精度和響應(yīng)速度。張文書[7]利用Wi-Fi在綜采工作面實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的無線傳輸，幫助地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)掌握采面綜采設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。隨著礦山智能化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，井下網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模和應(yīng)用場景在不斷擴(kuò)展，對無線通信的速率、時(shí)延、可靠性等提出了更高的要求。

Wi-Fi 7[8]是下一代的無線通信技術(shù)，對應(yīng)于最新的IEEE 802.11be協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)30 Gbps的速率、低于5 ms的時(shí)延，以及強(qiáng)大的干擾抑制能力。2022年，高通公司、博通公司和聯(lián)發(fā)科技股份有限公司先后發(fā)布了Wi-Fi 7芯片組，下游廠商隨之推出了支持Wi-Fi 7的設(shè)備及終端。2024年，Wi-Fi 7將迎來大規(guī)模商用[9]，能夠?yàn)榫戮W(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供全新的無線通信解決方案。

1 Wi-Fi 7技術(shù)特性

1.1 速率增強(qiáng)策略

1）更大帶寬。頻譜資源分為授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜，前者的使用有著嚴(yán)格的限制和保護(hù)，而后者可以在符合法規(guī)的前提下直接使用。Wi-Fi工作在非授權(quán)頻譜上[10]，主要包括2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段，其中，2.4 GHz頻段可提供2個(gè)20 MHz信道帶寬或1個(gè)40 MHz信道帶寬，5 GHz頻段可提供25個(gè)20 MHz、12個(gè)40 MHz、6個(gè)80 MHz或2個(gè)160 MHz的信道帶寬。根據(jù)我國目前的頻譜規(guī)劃，非授權(quán)頻譜在2412～2472 MHz，5150～5350 MHz，5725～5850 MHz范圍內(nèi)。圖1是2.4 GHz和5 GHz頻段的可用信道，其中只有實(shí)心部分被允許在國內(nèi)使用。Wi-Fi 7通過非連續(xù)信道的帶寬綁定，在現(xiàn)有條件下可實(shí)現(xiàn)最大160 MHz+80 MHz帶寬，較Wi-Fi 6的160 MHz帶寬實(shí)現(xiàn)了50%的提升。

圖1 2.4 GHz和5 GHz頻段的可用信道Fig. 1 Available channels in the 2.4 GHz and 5 GHz frequency bands

2）更高階調(diào)制。QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）是一種矢量調(diào)制技術(shù)，同時(shí)利用載波的幅度和相位來傳遞信息比特。Wi-Fi 6和Wi-Fi 7分別采用1024 QAM和4096 QAM調(diào)制，圖2是二者對應(yīng)的星座圖。1024 QAM規(guī)定了1024種幅度和相位的狀態(tài)，每個(gè)符號(hào)能傳輸10 bit（210=1024）數(shù)據(jù)，而4096 QAM規(guī)定了4096種幅度和相位的狀態(tài)，每個(gè)符號(hào)能傳輸12 bit（212=4096）數(shù)據(jù)。Wi-Fi 7通過更高階的QAM調(diào)制，每個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸效率較Wi-Fi 6實(shí)現(xiàn)了20%的提升。

圖2 1024 QAM和4096 QAM的星座圖Fig. 2 Constellations of 1024 QAM and 4096 QAM

3）多用戶MIMO。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）通過在發(fā)射端和接收端分別部署多根天線，允許信號(hào)經(jīng)由多個(gè)SS（Spatial Stream，空間流）同時(shí)進(jìn)行傳輸，能夠在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的成倍提高。通常講的M×NMIMO是指發(fā)送端有M個(gè)天線，接收端有N個(gè)天線。多用戶MIMO是針對多用戶傳輸需求，在MIMO的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，以圖3所示的4×4多用戶MIMO為例，系統(tǒng)支持1個(gè)AP（Access Point，接入點(diǎn)）與4個(gè)STA（Station，工作站）之間進(jìn)行同時(shí)傳輸。Wi-Fi 7最大支持16×16多用戶MIMO，較Wi-Fi 6的8×8多用戶MIMO[11]實(shí)現(xiàn)了100%的提升。

圖3 4×4 多用戶MIMO的示意圖Fig. 3 Diagram of 4×4 multi-user MIMO

通過采用更大帶寬、更高階調(diào)制以及多用戶MIMO等策略，Wi-Fi 7能夠?qū)崿F(xiàn)速率的顯著增強(qiáng)，從而達(dá)到30 Gbps的目標(biāo)。

1.2 低時(shí)延保障機(jī)制

1）多AP聯(lián)合傳輸。以往的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)只通過單個(gè)AP進(jìn)行傳輸。Wi-Fi 7支持多個(gè)AP在同一頻段上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，這被稱為多AP聯(lián)合傳輸[12]，示意圖如圖4所示。多AP聯(lián)合傳輸是利用多個(gè)AP協(xié)同工作來提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和覆蓋范圍，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)AP與STA間快速關(guān)聯(lián)，提升用戶移動(dòng)時(shí)的重連速度。

圖4 多AP聯(lián)合傳輸?shù)氖疽鈭DFig. 4 Diagram of multi-AP joint transmission

2）多鏈路操作。Wi-Fi 7利用不同頻段，在AP和STA之間構(gòu)建多條傳輸鏈路[13]，原理如圖5所示。多鏈路操作分為復(fù)制傳輸和聯(lián)合傳輸，前者在多條鏈路上傳輸完全相同的數(shù)據(jù)，并按照先到先得的原則進(jìn)行接收，后者對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理拆分后，在多個(gè)鏈路上同時(shí)進(jìn)行傳輸。多鏈路操作能夠?qū)崿F(xiàn)不同鏈路的切換與協(xié)同，有效避免了丟包與重傳，保障數(shù)據(jù)的高效率、低時(shí)延傳輸。

圖5 多鏈路操作的原理Fig. 5 Principle of multi-link operation

通過引入多AP聯(lián)合傳輸、多鏈路操作等機(jī)制，Wi-Fi 7能夠形成可靠的低時(shí)延保障，從而達(dá)到不超過5 ms的目標(biāo)。

1.3 干擾抑制能力

1）前導(dǎo)碼打孔。Wi-Fi 6主要支持相鄰信道的帶寬綁定，以8個(gè)20 MHz信道捆綁成1個(gè)160 MHz信道為例，如圖6所示，先將“主20”信道和“輔20”信道捆綁成“主40”信道，再將“主40”信道和“輔40”信道捆綁成“主80”信道，最后將“主80”信道和“輔80”信道捆綁到一起。只有在主信道干凈、無干擾時(shí)，輔信道才能傳輸信息。假設(shè)“輔20”信道被干擾，則“主40”信道不干凈，進(jìn)而“主80”信道也不干凈，導(dǎo)致“輔40”和“輔80”信道都無法傳輸信息。前導(dǎo)碼打孔（Preamble Puncturing）是Wi-Fi 7的關(guān)鍵技術(shù)特性，可以對受到干擾的信道進(jìn)行屏蔽，同時(shí)將剩余的非連續(xù)信道全部捆綁到一起[14]，不僅提升了非連續(xù)信道的利用率，還有效降低了外來干擾對系統(tǒng)的影響。

圖6 信道捆綁的示意圖Fig. 6 Diagram of channel bundling

2）協(xié)同OFDMA。OFDMA（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，正交頻分多址）將信道細(xì)分為較小的RU（Resource Unit，資源單元），多個(gè)客戶端可以通過占據(jù)不同的RU資源進(jìn)行并行傳輸。如果RU的劃分僅在單AP上獨(dú)立進(jìn)行，當(dāng)存在臨近的AP時(shí)，依然會(huì)發(fā)生資源沖突。Wi-Fi 7將OFDMA從單AP擴(kuò)展到多AP，實(shí)現(xiàn)協(xié)同OFDMA，使臨近的多個(gè)AP與多個(gè)接入STA協(xié)同共享RU資源，如圖7所示，臨近的AP 1和AP 2分別占據(jù)不同的10 MHz，能夠避免因資源沖突導(dǎo)致相互干擾。

圖7 協(xié)同OFDMA的示意圖Fig. 7 Diagram of C-OFDMA

3）空間重用。BSS（Basic Service Set，基本服務(wù)集）是一個(gè)AP覆蓋的范圍。Wi-Fi 6引入了BSS著色機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信道空間重用[15]，即在數(shù)據(jù)幀中增加標(biāo)識(shí)符，使STA具備干擾識(shí)別能力，從而選擇停止傳輸或并發(fā)傳輸。Wi-Fi 7更進(jìn)一步，通過整體協(xié)調(diào)多個(gè)AP的發(fā)射功率及BSS范圍，提升信道空間重用的效果，實(shí)現(xiàn)干擾的降低以及覆蓋的均衡。

通過利用前導(dǎo)碼打孔、協(xié)同OFDMA、空間重用等技術(shù)，Wi-Fi 7能夠建立強(qiáng)大的干擾抑制能力，滿足復(fù)雜環(huán)境的使用需求。

2 Wi-Fi 7礦井應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在井下應(yīng)用中，Wi-Fi 7將主要作為網(wǎng)絡(luò)末端的無線延拓，向附近的傳感器、控制器、攝像頭、智能礦燈等提供大帶寬、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。Wi-Fi 7可以與各類承載網(wǎng)絡(luò)直接組合，形成工業(yè)以太網(wǎng)+Wi-Fi 7、光纖環(huán)網(wǎng)+Wi-Fi 7、PON（Passive Optical Network，無源光網(wǎng)絡(luò)）+Wi-Fi 7等架構(gòu)，滿足井下不同規(guī)模、不同類型的網(wǎng)絡(luò)需求。礦井PON+Wi-Fi 7網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，其中，礦井PON由OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）、ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)絡(luò)）、ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）三部分構(gòu)成，用于提供井上-井下的大容量傳輸管道。作為礦井PON的末端設(shè)備，ONU通過接入Wi-Fi 7 AP，向井下提供大帶寬、低時(shí)延、高可靠的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)下掛UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）基站，為井下提供高精度定位服務(wù)。

圖8 礦井PON+Wi-Fi 7的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig. 8 Network topology of mine PON+Wi-Fi 7

2.2 應(yīng)用展望

目前，Wi-Fi 6已經(jīng)在各類礦井中實(shí)現(xiàn)了廣泛部署，主要服務(wù)于通信聯(lián)絡(luò)、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控等應(yīng)用場景，為礦山安全生產(chǎn)提供了有力保障。隨著礦山智能化建設(shè)的深入，以數(shù)字孿生工作面、裝備遠(yuǎn)程控制等為代表的新型應(yīng)用對無線網(wǎng)絡(luò)的速率和時(shí)延提出了更高的要求。與Wi-Fi 6相比，Wi-Fi 7能夠?qū)崿F(xiàn)速率的多倍提升、時(shí)延的大幅降低、可靠性的顯著增強(qiáng)，能夠?yàn)楦唠A的礦山智能化建設(shè)提供必要支撐。

1）與50G PON融合。PON是通信行業(yè)主流的光纖接入技術(shù)，能夠?yàn)榈V山提供大帶寬、低時(shí)延、高可靠、易部署、易擴(kuò)展的信息傳輸通道[16]。預(yù)計(jì)2024年，下一代的50G PON將實(shí)現(xiàn)商用，其速率達(dá)到50 Gbps，端到端時(shí)延在微秒級，時(shí)延抖動(dòng)在納秒級，可靠性在99.9999%以上，能夠?yàn)榈V山構(gòu)建統(tǒng)一的“井下-井上”業(yè)務(wù)傳輸通道。在礦井應(yīng)用中，Wi-Fi 7與50G PON將實(shí)現(xiàn)融合，為井下提供超萬兆帶寬、毫秒級時(shí)延、抗復(fù)雜干擾的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為井下數(shù)字孿生、裝備遠(yuǎn)程控制等新型應(yīng)用提供低成本解決方案。

2）與5G/5G-Advanced共存。5G（5th Generation Mobile Communication Technology，第五代移動(dòng)通信技術(shù)）是最新一代的蜂窩數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，與Wi-Fi 7分屬于不同的通信體制和系統(tǒng)架構(gòu)。目前，5G正在向5G-Advanced演進(jìn)[17]，將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的技術(shù)擴(kuò)充與能力增強(qiáng)。與Wi-Fi 7相比，5G/5G-Advanced具有更強(qiáng)的廣域覆蓋能力，但其局域覆蓋的成本偏高，終端的兼容性相對較弱。在礦井應(yīng)用中，Wi-Fi 7將主要針對局域的超高吞吐量需求，實(shí)現(xiàn)與各類工業(yè)終端的廣泛適配，5G/5G-Advanced將主要負(fù)責(zé)廣域的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為手機(jī)、礦燈等提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，二者各有分工，共同構(gòu)建井下大帶寬、低時(shí)延、高可靠的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

3）與各類Wi-Fi協(xié)同。從20世紀(jì)90年代立項(xiàng)至今，IEEE 802.11已經(jīng)形成了幾十項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，除了IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5）、IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）等主流協(xié)議之外，還有一些協(xié)議有待驗(yàn)證或推廣，比如：IEEE 802.11ah，又稱Wi-Fi HaLow[18]，采用更低的900 MHz頻段，適合小量數(shù)據(jù)負(fù)荷以及低功耗設(shè)備，具有更佳的穿透力和覆蓋范圍；IEEE 802.11az是NGP（Next Generation Positioning，下一代定位）標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精度小于1 m的高精度定位；IEEE 802.11bb，即Li-Fi[19]，是利用光傳輸數(shù)據(jù)，能夠提供更快、更可靠、更安全的無線連接。在礦井應(yīng)用中，這些“小眾”的Wi-Fi技術(shù)能夠?yàn)榈V山物聯(lián)網(wǎng)、井下高精度定位[20]、海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓鼍皫砀锩宰兓Ｓ捎谖锢韺雍蛿?shù)據(jù)鏈路層的相似性[21-24]，Wi-Fi 7與各類Wi-Fi之間容易實(shí)現(xiàn)互相協(xié)同，共同構(gòu)建全方位的智能礦山解決方案。

3 結(jié) 論

1）從速率增強(qiáng)、低時(shí)延保障、干擾抑制方面分析了Wi-Fi 7的技術(shù)特性及效果：通過采用更大帶寬、更高階調(diào)制以及多用戶MIMO等策略，Wi-Fi 7能夠?qū)崿F(xiàn)速率的顯著增強(qiáng)，達(dá)到30 Gbps的目標(biāo)；通過引入多AP聯(lián)合傳輸、多鏈路操作等機(jī)制，Wi-Fi 7能夠形成可靠的低時(shí)延保障，達(dá)到低于5 ms的目標(biāo)；通過利用前導(dǎo)碼打孔、協(xié)同OFDMA、空間重用等技術(shù)，Wi-Fi 7能夠建立強(qiáng)大的干擾抑制能力，滿足復(fù)雜環(huán)境的使用需求。

2）提出了以礦井PON+Wi-Fi 7為代表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及數(shù)字孿生工作面、裝備遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用，同時(shí)分析了Wi-Fi 7與50G PON融合、與5G/5G-Advanced共存、與各類Wi-Fi協(xié)同的發(fā)展前景。可以預(yù)見，Wi-Fi 7大規(guī)模商用之后，將成為低成本、高價(jià)值的智能礦山信息基礎(chǔ)設(shè)施。