姜玉峰

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

0 引言

Wi-Fi是一種基于IEEE 802.11系列標準的無線通信技術[1]，可為覆蓋范圍內的終端設備提供網絡接入，憑借部署便捷、應用靈活等優(yōu)勢，已廣泛用于家庭、學校、辦公室等地面場所，并在智能化礦井中實現了規(guī)模部署。針對Wi-Fi的井下應用，行業(yè)內開展了大量研究，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，但存在傳輸時延大、通話質量低的問題。張金豪等[3]提出了Wi-Fi在井下的無線網絡覆蓋方案，解決了煤礦井下長距離巷道無線網絡信號覆蓋的問題。魏翠英[4]設計了基于Wi-Fi的井下應急援救系統(tǒng)，提升了救援工作的完成效率。劉杰[5]開發(fā)了基于Wi-Fi的井下通風監(jiān)測系統(tǒng)，實現了監(jiān)測數據的及時發(fā)送和回收分析。劉亮亮[6]改進了基于Wi-Fi的井下人員定位系統(tǒng)，提高了定位精度和響應速度。張文書[7]利用Wi-Fi在綜采工作面實現了監(jiān)控數據的無線傳輸，幫助地面監(jiān)控中心實時掌握采面綜采設備運行參數。隨著礦山智能化建設的持續(xù)推進，井下網絡的部署規(guī)模和應用場景在不斷擴展，對無線通信的速率、時延、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，對應于最新的IEEE 802.11be協議標準，通過對物理層和數據鏈路層的優(yōu)化，實現了高達30 Gbps的速率、低于5 ms的時延，以及強大的干擾抑制能力。2022年，高通公司、博通公司和聯發(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的設備及終端。2024年，Wi-Fi 7將迎來大規(guī)模商用[9]，能夠為井下網絡建設提供全新的無線通信解決方案。

1 Wi-Fi 7技術特性

1.1 速率增強策略

1）更大帶寬。頻譜資源分為授權頻譜和非授權頻譜，前者的使用有著嚴格的限制和保護，而后者可以在符合法規(guī)的前提下直接使用。Wi-Fi工作在非授權頻譜上[10]，主要包括2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，其中，2.4 GHz頻段可提供2個20 MHz信道帶寬或1個40 MHz信道帶寬，5 GHz頻段可提供25個20 MHz、12個40 MHz、6個80 MHz或2個160 MHz的信道帶寬。根據我國目前的頻譜規(guī)劃，非授權頻譜在2412～2472 MHz，5150～5350 MHz，5725～5850 MHz范圍內。圖1是2.4 GHz和5 GHz頻段的可用信道，其中只有實心部分被允許在國內使用。Wi-Fi 7通過非連續(xù)信道的帶寬綁定，在現有條件下可實現最大160 MHz+80 MHz帶寬，較Wi-Fi 6的160 MHz帶寬實現了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）更高階調制。QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）是一種矢量調制技術，同時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調制，圖2是二者對應的星座圖。1024 QAM規(guī)定了1024種幅度和相位的狀態(tài)，每個符號能傳輸10 bit（210=1024）數據，而4096 QAM規(guī)定了4096種幅度和相位的狀態(tài)，每個符號能傳輸12 bit（212=4096）數據。Wi-Fi 7通過更高階的QAM調制，每個符號的數據傳輸效率較Wi-Fi 6實現了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，允許信號經由多個SS（Spatial Stream，空間流）同時進行傳輸，能夠在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，實現系統(tǒng)容量的成倍提高。通常講的M×NMIMO是指發(fā)送端有M個天線，接收端有N個天線。多用戶MIMO是針對多用戶傳輸需求，在MIMO的基礎上發(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AP（Access Point，接入點）與4個STA（Station，工作站）之間進行同時傳輸。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]實現了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、更高階調制以及多用戶MIMO等策略，Wi-Fi 7能夠實現速率的顯著增強，從而達到30 Gbps的目標。

1.2 低時延保障機制

1）多AP聯合傳輸。以往的Wi-Fi網絡中，數據只通過單個AP進行傳輸。Wi-Fi 7支持多個AP在同一頻段上同時傳輸數據，這被稱為多AP聯合傳輸[12]，示意圖如圖4所示。多AP聯合傳輸是利用多個AP協同工作來提高無線網絡的性能和覆蓋范圍，同時可實現AP與STA間快速關聯，提升用戶移動時的重連速度。

圖4 多AP聯合傳輸的示意圖Fig. 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之間構建多條傳輸鏈路[13]，原理如圖5所示。多鏈路操作分為復制傳輸和聯合傳輸，前者在多條鏈路上傳輸完全相同的數據，并按照先到先得的原則進行接收，后者對數據進行合理拆分后，在多個鏈路上同時進行傳輸。多鏈路操作能夠實現不同鏈路的切換與協同，有效避免了丟包與重傳，保障數據的高效率、低時延傳輸。

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

通過引入多AP聯合傳輸、多鏈路操作等機制，Wi-Fi 7能夠形成可靠的低時延保障，從而達到不超過5 ms的目標。

1.3 干擾抑制能力

1）前導碼打孔。Wi-Fi 6主要支持相鄰信道的帶寬綁定，以8個20 MHz信道捆綁成1個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，輔信道才能傳輸信息。假設“輔20”信道被干擾，則“主40”信道不干凈，進而“主80”信道也不干凈，導致“輔40”和“輔80”信道都無法傳輸信息。前導碼打孔（Preamble Puncturing）是Wi-Fi 7的關鍵技術特性，可以對受到干擾的信道進行屏蔽，同時將剩余的非連續(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）協同OFDMA。OFDMA（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，正交頻分多址）將信道細分為較小的RU（Resource Unit，資源單元），多個客戶端可以通過占據不同的RU資源進行并行傳輸。如果RU的劃分僅在單AP上獨立進行，當存在臨近的AP時，依然會發(fā)生資源沖突。Wi-Fi 7將OFDMA從單AP擴展到多AP，實現協同OFDMA，使臨近的多個AP與多個接入STA協同共享RU資源，如圖7所示，臨近的AP 1和AP 2分別占據不同的10 MHz，能夠避免因資源沖突導致相互干擾。

圖7 協同OFDMA的示意圖Fig. 7 Diagram of C-OFDMA

3）空間重用。BSS（Basic Service Set，基本服務集）是一個AP覆蓋的范圍。Wi-Fi 6引入了BSS著色機制，實現信道空間重用[15]，即在數據幀中增加標識符，使STA具備干擾識別能力，從而選擇停止傳輸或并發(fā)傳輸。Wi-Fi 7更進一步，通過整體協調多個AP的發(fā)射功率及BSS范圍，提升信道空間重用的效果，實現干擾的降低以及覆蓋的均衡。

通過利用前導碼打孔、協同OFDMA、空間重用等技術，Wi-Fi 7能夠建立強大的干擾抑制能力，滿足復雜環(huán)境的使用需求。

2 Wi-Fi 7礦井應用

2.1 網絡架構

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

圖8 礦井PON+Wi-Fi 7的網絡拓撲Fig. 8 Network topology of mine PON+Wi-Fi 7

2.2 應用展望

目前，Wi-Fi 6已經在各類礦井中實現了廣泛部署，主要服務于通信聯絡、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控等應用場景，為礦山安全生產提供了有力保障。隨著礦山智能化建設的深入，以數字孿生工作面、裝備遠程控制等為代表的新型應用對無線網絡的速率和時延提出了更高的要求。與Wi-Fi 6相比，Wi-Fi 7能夠實現速率的多倍提升、時延的大幅降低、可靠性的顯著增強，能夠為高階的礦山智能化建設提供必要支撐。

1）與50G PON融合。PON是通信行業(yè)主流的光纖接入技術，能夠為礦山提供大帶寬、低時延、高可靠、易部署、易擴展的信息傳輸通道[16]。預計2024年，下一代的50G PON將實現商用，其速率達到50 Gbps，端到端時延在微秒級，時延抖動在納秒級，可靠性在99.9999%以上，能夠為礦山構建統(tǒng)一的“井下-井上”業(yè)務傳輸通道。在礦井應用中，Wi-Fi 7與50G PON將實現融合，為井下提供超萬兆帶寬、毫秒級時延、抗復雜干擾的無線網絡覆蓋，為井下數字孿生、裝備遠程控制等新型應用提供低成本解決方案。

2）與5G/5G-Advanced共存。5G（5th Generation Mobile Communication Technology，第五代移動通信技術）是最新一代的蜂窩數字移動通信技術，與Wi-Fi 7分屬于不同的通信體制和系統(tǒng)架構。目前，5G正在向5G-Advanced演進[17]，將實現進一步的技術擴充與能力增強。與Wi-Fi 7相比，5G/5G-Advanced具有更強的廣域覆蓋能力，但其局域覆蓋的成本偏高，終端的兼容性相對較弱。在礦井應用中，Wi-Fi 7將主要針對局域的超高吞吐量需求，實現與各類工業(yè)終端的廣泛適配，5G/5G-Advanced將主要負責廣域的大規(guī)模網絡覆蓋，為手機、礦燈等提供不間斷的網絡服務，二者各有分工，共同構建井下大帶寬、低時延、高可靠的信息基礎設施。

3）與各類Wi-Fi協同。從20世紀90年代立項至今，IEEE 802.11已經形成了幾十項的標準協議，除了IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5）、IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）等主流協議之外，還有一些協議有待驗證或推廣，比如：IEEE 802.11ah，又稱Wi-Fi HaLow[18]，采用更低的900 MHz頻段，適合小量數據負荷以及低功耗設備，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）標準，能夠實現精度小于1 m的高精度定位；IEEE 802.11bb，即Li-Fi[19]，是利用光傳輸數據，能夠提供更快、更可靠、更安全的無線連接。在礦井應用中，這些“小眾”的Wi-Fi技術能夠為礦山物聯網、井下高精度定位[20]、海量數據傳輸等場景帶來革命性變化。由于物理層和數據鏈路層的相似性[21-24]，Wi-Fi 7與各類Wi-Fi之間容易實現互相協同，共同構建全方位的智能礦山解決方案。

3 結 論

1）從速率增強、低時延保障、干擾抑制方面分析了Wi-Fi 7的技術特性及效果：通過采用更大帶寬、更高階調制以及多用戶MIMO等策略，Wi-Fi 7能夠實現速率的顯著增強，達到30 Gbps的目標；通過引入多AP聯合傳輸、多鏈路操作等機制，Wi-Fi 7能夠形成可靠的低時延保障，達到低于5 ms的目標；通過利用前導碼打孔、協同OFDMA、空間重用等技術，Wi-Fi 7能夠建立強大的干擾抑制能力，滿足復雜環(huán)境的使用需求。

2）提出了以礦井PON+Wi-Fi 7為代表的網絡架構，以及數字孿生工作面、裝備遠程控制等應用，同時分析了Wi-Fi 7與50G PON融合、與5G/5G-Advanced共存、與各類Wi-Fi協同的發(fā)展前景?？梢灶A見，Wi-Fi 7大規(guī)模商用之后，將成為低成本、高價值的智能礦山信息基礎設施。