基于“Wi-Fi

梁桂才 石家羽 馬梓鈞

關(guān)鍵詞：Wi-Fi7;5G; MEC;智慧校園

隨著新基建、5G和Wi-Fi技術(shù)高速發(fā)展，在教育現(xiàn)代化和信息化的推動(dòng)下，智慧校園的建設(shè)不斷地被推向新的高度，新的計(jì)算機(jī)技術(shù)（IoT，XR，AI）以及新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（4G，5G，Wi-Fi 6，Wi-Fi7）不斷被應(yīng)用于學(xué)校的課堂、實(shí)驗(yàn)室、學(xué)習(xí)生活中。新技術(shù)與教育技術(shù)的融合，推動(dòng)著教育的智能化、信息化、智慧化[1]。智慧校園的建設(shè)如火如荼。

1智慧校園的發(fā)展現(xiàn)狀

新技術(shù)與教育技術(shù)的不斷融合，使智慧校園已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)或部分實(shí)現(xiàn)：智慧課堂和智慧教室的結(jié)合為師生提供遠(yuǎn)程互動(dòng)課堂、永不停息的課堂等；智慧圖書館為學(xué)生提供更強(qiáng)更快的知識(shí)服務(wù)：智慧安防利用高速網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、遠(yuǎn)程巡邏和電子圍墻等：“低延遲高速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)+VR”為師生帶來(lái)身臨其境的沉浸式體驗(yàn)：“低延遲高速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)+AI”對(duì)師生課堂行為、生活習(xí)慣等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為學(xué)生精準(zhǔn)服務(wù)、讓教師精準(zhǔn)教學(xué)；利用大數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的校園危險(xiǎn)行為等。智慧校園的諸多應(yīng)用需要有低延遲高響應(yīng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量。目前，智慧校園是以5G或Wi-Fi5和Wi-Fi6作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，隨著Wi-Fi技術(shù)的不斷進(jìn)步，Wi-Fi技術(shù)的使用占全校網(wǎng)絡(luò)的使用比例不斷提高。即將面世的Wi-Fi7將會(huì)進(jìn)一步提高Wi-Fi技術(shù)在智慧校園中的占比。

2智慧校園網(wǎng)絡(luò)需求

智慧校園的網(wǎng)絡(luò)主要承載包括物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端、視頻通話、視頻會(huì)議、文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫话憔W(wǎng)絡(luò)速度需求的應(yīng)用服務(wù)，還承載超高清4K和8K視頻，XR和AI、沉浸式體驗(yàn)等需要快速響應(yīng)低延遲的應(yīng)用服務(wù)。在智慧校園網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)大小由圖像編碼后形成，占用帶寬使用如下公式計(jì)算：（1）數(shù)據(jù)未壓縮帶寬=屏幕分辨率×色彩位數(shù)；（2）率數(shù)據(jù)編碼帶寬=屏幕分辨率×色彩位數(shù)×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(shí)際應(yīng)用中，我們需要在計(jì)算出來(lái)的帶寬上再提高1倍，以保證無(wú)延遲。以8K視頻為例，其實(shí)際需要帶寬在1GB左右，5G和Wi-Fi7都能輕松實(shí)現(xiàn)。在智慧校園網(wǎng)絡(luò)中，VR中的8K視頻的網(wǎng)絡(luò)需求的峰值在1GB左右，其他低帶寬需求的應(yīng)用在此不再討論。

3Wi．Fi7的技術(shù)特點(diǎn)

第7代Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱Wi-Fi7，使用802.llbe協(xié)議，英文簡(jiǎn)稱為EHT，全稱為Extremely HighThroughput，意思為極高吞吐。Wi-Fi7是在Wi-Fi6的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，并向下兼容之前的Wi-Fi協(xié)議。Wi-Fi7概念自2019年提出，預(yù)計(jì)于2023年正式發(fā)布。Wi-Fi7提供達(dá)320MHz的信道帶寬，16條空間流，每條最高600Mbps吞吐率，最高可達(dá)30Gbps吞吐率，使用更高階的調(diào)制4096-QAM方式，支持Multi-RU，每個(gè)用戶可以使用多個(gè)RU，支持不同的頻帶間進(jìn)行鏈路層面上的聚合和協(xié)作，支持多AP協(xié)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(xié)同工作的方案，能同時(shí)向下兼容6GHz，5GHz和2.4GHz頻段。與傳統(tǒng)的802.11協(xié)議信道綁定技術(shù)不同，Wi-Fi7做出改進(jìn)，允許同時(shí)使用不同頻段的信道，如同時(shí)使用5GHz和6GHz的信道，大大提升帶寬。Wi-Fi7的AP協(xié)調(diào)的全雙工多頻帶工作模式如圖1所示，在數(shù)據(jù)傳輸中主信息上進(jìn)行退避后馬上利用PIFS載波偵聽(tīng)其余信道，向STA發(fā)送多頻帶觸發(fā)MB-TF，使用UL和DL監(jiān)控頻段資源使用情況，AP，STA能獨(dú)立工作在各個(gè)頻段中。通過(guò)強(qiáng)大的信號(hào)檢測(cè)機(jī)制能避開(kāi)質(zhì)量差的網(wǎng)絡(luò)信道，選擇質(zhì)量好的信道，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，Wi-Fi7全雙工的多頻帶工作可以使系統(tǒng)吞吐大幅提高。

3.2Wi．Fi7多AP協(xié)同工作

XR實(shí)驗(yàn)室能給師生帶來(lái)身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，需要高響應(yīng)低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠進(jìn)行多AP協(xié)同工作，Wi-Fi7最適合不過(guò)。Wi-Fi7擁有多AP協(xié)同工作機(jī)制，使其可以在同一個(gè)空間內(nèi)部署多個(gè)AP，并且協(xié)調(diào)多個(gè)AP同時(shí)為1個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)工作，節(jié)點(diǎn)在多AP的環(huán)境下能夠獲得足夠大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。Wi-Fi7多AP協(xié)同工作機(jī)制有3種，分別是OFDMA（Coordinated OFDMA）多址接人協(xié)作技術(shù)、空口協(xié)作（零點(diǎn)指向協(xié)作）技術(shù)（Coordinated Null Steer-ing）、分布式MIMO協(xié)作技術(shù)（Distributed-MIMO），詳見(jiàn)圖2。

4Wi-Fi7和5G對(duì)比

移動(dòng)通信技術(shù)從4G快速發(fā)展到5G，5G已成為全球的焦點(diǎn)，5G的峰值速率達(dá)20Gbit/s（相當(dāng)于4G的20倍），大帶寬低時(shí)延。相較于3G，4G移動(dòng)通信，5G不再局限于特定的業(yè)務(wù)或某些應(yīng)用場(chǎng)景，5G是面向多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的、有更高速率的、更大帶寬的、更低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是以用戶體驗(yàn)為中心的信息生態(tài)系統(tǒng)，它突破時(shí)空限制，正在不斷深入滲透到各個(gè)領(lǐng)域，為用戶帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)。其可以輕松實(shí)現(xiàn)如VR，AR等場(chǎng)景。

Wi-Fi7和5G都有共同的特點(diǎn)，即又快又穩(wěn)，而它們的特性有很多互補(bǔ)性。在商業(yè)上，4G，5G與Wi-Fi一直是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)對(duì)象、使用協(xié)議有很多的區(qū)別。而實(shí)際上，作為兩種先進(jìn)的通信技術(shù)，5G與Wi-Fi7本身就不是對(duì)立的，二者都有各自的功能和優(yōu)勢(shì)，二者主要的應(yīng)用場(chǎng)景各有側(cè)重，相輔相成[2]。

從是否產(chǎn)生流量資費(fèi)分析，Wi-Fi7大多都是企業(yè)或單位直接接入自身的有線網(wǎng)絡(luò)中，使用過(guò)程不直接產(chǎn)生運(yùn)營(yíng)商流量費(fèi)用，并且沒(méi)有流量和時(shí)間的上的限制，在應(yīng)用服務(wù)上也不受限。而5G網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)，使用它就需要繳納一定的費(fèi)用，并且是按流量來(lái)收費(fèi)的，使用得更多就會(huì)產(chǎn)生更高的費(fèi)用。

從應(yīng)用場(chǎng)景空間來(lái)分析，5G屬于WWAN網(wǎng)絡(luò)，即廣域網(wǎng)，目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景是由室外到室內(nèi)的，首先在室外進(jìn)行信號(hào)范圍覆蓋，再通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋，范圍覆蓋是公里級(jí)別的。

從技術(shù)上來(lái)看，5G更加適用于長(zhǎng)距離移動(dòng)接人：而Wi-Fi7屬于WLAN網(wǎng)絡(luò)，即局域網(wǎng)，目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景是200 M以內(nèi)的范圍，更加適合室內(nèi)環(huán)境，如圖3所示。另外，5G屬于授權(quán)頻段技術(shù)，而Wi-Fi7使用非授權(quán)頻段，Wi-Fi7無(wú)須付出巨額的頻譜使用費(fèi)。

5“Wi-Fi7+5G+MEC”的智慧校園架構(gòu)

在智慧校園中引入邊緣計(jì)算技術(shù)（Mobile EdgeComputing，MEC），是ICT融合的產(chǎn)物，同時(shí)成為支撐運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，以滿足高清視頻、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)發(fā)展需求[3]。云計(jì)算通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施（即服務(wù)等3層的服務(wù)模式）為用戶提供彈性、可伸縮的服務(wù)資源[4]，它像一個(gè)資源池，彈性地為用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù)。云計(jì)算機(jī)中心的算力非常強(qiáng)大，且智能終端的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)大，但是也不能滿足人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等體驗(yàn)的效果追求，此時(shí)云邊協(xié)同機(jī)制就產(chǎn)生了。云邊協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)部分云計(jì)算的運(yùn)算、存儲(chǔ)和分析等算力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣；把資源需求量較小且對(duì)延遲敏感的任務(wù)放置到網(wǎng)絡(luò)邊緣的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行運(yùn)算，延遲敏感型的應(yīng)用或任務(wù)請(qǐng)求無(wú)需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的鏈路上c傳到云計(jì)算中心，從而能夠快速地得到計(jì)算結(jié)果和響應(yīng)[5]。而在終端無(wú)法完成高密度的大量計(jì)算時(shí)，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云計(jì)算中心處理，然后返回結(jié)果給終端，這既能降低終端能耗又能提升體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)為師生提供低延遲、高效率的計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù)。

智慧校園需要低時(shí)延、高帶寬、高可靠性，Wi-Fi7和5G都符合。結(jié)合上文分析，智慧校園中網(wǎng)絡(luò)需求屬于WLAN網(wǎng)絡(luò)的范疇有辦公室、學(xué)生宿舍、XR實(shí)驗(yàn)室、智慧教室、智慧圖書館、智慧實(shí)驗(yàn)室等；智慧校園中網(wǎng)絡(luò)需求屬于WWAN網(wǎng)絡(luò)的范疇有智慧安防、無(wú)人駕駛、虛擬空間、移動(dòng)終端等?！癢i-Fi7+5G+MEC”的智慧校園架構(gòu)如圖4所示，屬于WLAN網(wǎng)絡(luò)的范疇使用Wi-Fi7技術(shù)接人，屬于WWAN網(wǎng)絡(luò)的范疇使用5G技術(shù)接人。這樣的接人方式不但結(jié)合了Wi-Fi7和5G的優(yōu)點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，還降低了建設(shè)、使用和維護(hù)成本。

6結(jié)束語(yǔ)

即將面世的Wi-Fi7和5G是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但是它們也存在互補(bǔ)的關(guān)系。本文通過(guò)分析Wi-Fi7的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)Wi-Fi7和5G進(jìn)行了比較，認(rèn)為Wi-Fi7的部署、維護(hù)和擴(kuò)展成本較低，適用于智慧校園的短距離接入場(chǎng)景；5G是蜂窩網(wǎng)絡(luò)，適用于智慧校園的長(zhǎng)距離和移動(dòng)接入場(chǎng)景，二者結(jié)合能夠達(dá)到更好的接人速率、經(jīng)濟(jì)效益、用戶體驗(yàn)，未來(lái)“Wi-Fi7+5G+MEC”是促進(jìn)智慧校園發(fā)展的一個(gè)方向。