基于“Wi-Fi

梁桂才 石家羽 马梓钧

关键词：Wi-Fi7;5G; MEC;智慧校园

随着新基建、5G和Wi-Fi技术高速发展，在教育现代化和信息化的推动下，智慧校园的建设不断地被推向新的高度，新的计算机技术（IoT，XR，AI）以及新的网络技术（4G，5G，Wi-Fi 6，Wi-Fi7）不断被应用于学校的课堂、实验室、学习生活中。新技术与教育技术的融合，推动着教育的智能化、信息化、智慧化[1]。智慧校园的建设如火如荼。

1智慧校園的发展现状

新技术与教育技术的不断融合，使智慧校园已经能够实现或部分实现：智慧课堂和智慧教室的结合为师生提供远程互动课堂、永不停息的课堂等；智慧图书馆为学生提供更强更快的知识服务：智慧安防利用高速网络和边缘计算机实现自动监控、远程巡逻和电子围墙等：“低延迟高速响应网络+VR”为师生带来身临其境的沉浸式体验：“低延迟高速响应网络+AI”对师生课堂行为、生活习惯等多种数据进行大数据分析，为学生精准服务、让教师精准教学；利用大数据分析提前发现可能发生的校园危险行为等。智慧校园的诸多应用需要有低延迟高响应的基础网络来保证服务质量。目前，智慧校园是以5G或Wi-Fi5和Wi-Fi6作为基础网络，随着Wi-Fi技术的不断进步，Wi-Fi技术的使用占全校网络的使用比例不断提高。即将面世的Wi-Fi7将会进一步提高Wi-Fi技术在智慧校园中的占比。

2智慧校园网络需求

智慧校园的网络主要承载包括物联网、移动终端、视频通话、视频会议、文件数据传输等一般网络速度需求的应用服务，还承载超高清4K和8K视频，XR和AI、沉浸式体验等需要快速响应低延迟的应用服务。在智慧校园网络需求的峰值方面，以需要带宽较高的VR为例，VR占用带宽的大小由分辨率大小决定，数据大小由图像编码后形成，占用带宽使用如下公式计算：（1）数据未压缩带宽=屏幕分辨率×色彩位数；（2）率数据编码带宽=屏幕分辨率×色彩位数×率／编码压缩比。

以4K视频为例，其分辨率=3840x2160，色彩位=3x8bit，若取75帧／s，采用H.264压缩编码=130，则需要带宽= 114.85Mbit/s。

以8K视频为例，其分辨率=7680x4320，色彩位=3x8bit，若取75帧／s，采用H.264压缩编码=130，则需要带宽=459.4Mbit/s。

在实际应用中，我们需要在计算出来的带宽上再提高1倍，以保证无延迟。以8K视频为例，其实际需要带宽在1GB左右，5G和Wi-Fi7都能轻松实现。在智慧校园网络中，VR中的8K视频的网络需求的峰值在1GB左右，其他低带宽需求的应用在此不再讨论。

3Wi．Fi7的技术特点

第7代Wi-Fi无线网络简称Wi-Fi7，使用802.llbe协议，英文简称为EHT，全称为Extremely HighThroughput，意思为极高吞吐。Wi-Fi7是在Wi-Fi6的基础上发展而来，并向下兼容之前的Wi-Fi协议。Wi-Fi7概念自2019年提出，预计于2023年正式发布。Wi-Fi7提供达320MHz的信道带宽，16条空间流，每条最高600Mbps吞吐率，最高可达30Gbps吞吐率，使用更高阶的调制4096-QAM方式，支持Multi-RU，每个用户可以使用多个RU，支持不同的频带间进行链路层面上的聚合和协作，支持多AP协同工作。

3.1Wi．Fi7全双工的多频带工作

为了提高利用率．Wi-Fi7制定了良好的频带协同工作的方案，能同时向下兼容6GHz，5GHz和2.4GHz频段。与传统的802.11协议信道绑定技术不同，Wi-Fi7做出改进，允许同时使用不同频段的信道，如同时使用5GHz和6GHz的信道，大大提升带宽。Wi-Fi7的AP协调的全双工多频带工作模式如图1所示，在数据传输中主信息上进行退避后马上利用PIFS载波侦听其余信道，向STA发送多频带触发MB-TF，使用UL和DL监控频段资源使用情况，AP，STA能独立工作在各个频段中。通过强大的信号检测机制能避开质量差的网络信道，选择质量好的信道，保证网络的稳定，Wi-Fi7全双工的多频带工作可以使系统吞吐大幅提高。

3.2Wi．Fi7多AP协同工作

XR实验室能给师生带来身临其境的沉浸式体验，需要高响应低延迟的网络环境，能够进行多AP协同工作，Wi-Fi7最适合不过。Wi-Fi7拥有多AP协同工作机制，使其可以在同一个空间内部署多个AP，并且协调多个AP同时为1个或多个节点工作，节点在多AP的环境下能够获得足够大的网络系统效率和稳定性。Wi-Fi7多AP协同工作机制有3种，分别是OFDMA（Coordinated OFDMA）多址接人协作技术、空口协作（零点指向协作）技术（Coordinated Null Steer-ing）、分布式MIMO协作技术（Distributed-MIMO），详见图2。

4Wi-Fi7和5G对比

移动通信技术从4G快速发展到5G，5G已成为全球的焦点，5G的峰值速率达20Gbit/s（相当于4G的20倍），大带宽低时延。相较于3G，4G移动通信，5G不再局限于特定的业务或某些应用场景，5G是面向多业务多技术融合的、有更高速率的、更大带宽的、更低延时的网络技术，是以用户体验为中心的信息生态系统，它突破时空限制，正在不断深入渗透到各个领域，为用户带来身临其境的体验。其可以轻松实现如VR，AR等场景。

Wi-Fi7和5G都有共同的特点，即又快又稳，而它们的特性有很多互补性。在商业上，4G，5G与Wi-Fi一直是竞争对手，它们设计的目标对象、使用协议有很多的区别。而实际上，作为两种先进的通信技术，5G与Wi-Fi7本身就不是对立的，二者都有各自的功能和优势，二者主要的应用场景各有侧重，相辅相成[2]。

从是否产生流量资费分析，Wi-Fi7大多都是企业或单位直接接入自身的有线网络中，使用过程不直接产生运营商流量费用，并且没有流量和时间的上的限制，在应用服务上也不受限。而5G网络是运营商建设的网络，使用它就需要缴纳一定的费用，并且是按流量来收费的，使用得更多就会产生更高的费用。

从应用场景空间来分析，5G属于WWAN网络，即广域网，目标应用场景是由室外到室内的，首先在室外进行信号范围覆盖，再通过技术实现室内覆盖，范围覆盖是公里级别的。

从技术上来看，5G更加适用于长距离移动接人：而Wi-Fi7属于WLAN网络，即局域网，目标应用场景是200 M以内的范围，更加适合室内环境，如图3所示。另外，5G属于授权频段技术，而Wi-Fi7使用非授权频段，Wi-Fi7无须付出巨额的频谱使用费。

5“Wi-Fi7+5G+MEC”的智慧校園架构

在智慧校园中引入边缘计算技术（Mobile EdgeComputing，MEC），是ICT融合的产物，同时成为支撑运营商进行5G网络转型的关键技术，以满足高清视频、VR/AR、工业互联网、车联网等业务发展需求[3]。云计算通过基础设施（即服务等3层的服务模式）为用户提供弹性、可伸缩的服务资源[4]，它像一个资源池，弹性地为用户提供计算、存储等服务。云计算机中心的算力非常强大，且智能终端的计算能力越来越强大，但是也不能满足人们对虚拟现实、增强现实、超高清视频等体验的效果追求，此时云边协同机制就产生了。云边协同机制实现部分云计算的运算、存储和分析等算力下沉到网络边缘；把资源需求量较小且对延迟敏感的任务放置到网络边缘的计算节点上进行运算，延迟敏感型的应用或任务请求无需经过较长的链路上c传到云计算中心，从而能够快速地得到计算结果和响应[5]。而在终端无法完成高密度的大量计算时，通过高速网络发送给云计算中心处理，然后返回结果给终端，这既能降低终端能耗又能提升体验，实现为师生提供低延迟、高效率的计算、存储等服务。

智慧校园需要低时延、高带宽、高可靠性，Wi-Fi7和5G都符合。结合上文分析，智慧校园中网络需求属于WLAN网络的范畴有办公室、学生宿舍、XR实验室、智慧教室、智慧图书馆、智慧实验室等；智慧校园中网络需求属于WWAN网络的范畴有智慧安防、无人驾驶、虚拟空间、移动终端等。“Wi-Fi7+5G+MEC”的智慧校园架构如图4所示，属于WLAN网络的范畴使用Wi-Fi7技术接人，属于WWAN网络的范畴使用5G技术接人。这样的接人方式不但结合了Wi-Fi7和5G的优点，保证了网络的稳定性，还降低了建设、使用和维护成本。

6结束语

即将面世的Wi-Fi7和5G是竞争对手，但是它们也存在互补的关系。本文通过分析Wi-Fi7的技术特点，对Wi-Fi7和5G进行了比较，认为Wi-Fi7的部署、维护和扩展成本较低，适用于智慧校园的短距离接入场景；5G是蜂窝网络，适用于智慧校园的长距离和移动接入场景，二者结合能够达到更好的接人速率、经济效益、用户体验，未来“Wi-Fi7+5G+MEC”是促进智慧校园发展的一个方向。