Wi-Fi 7技术及其矿井应用

姜玉峰

（1. 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2. 煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

Wi-Fi是一种基于IEEE 802.11系列标准的无线通信技术[1]，可为覆盖范围内的终端设备提供网络接入，凭借部署便捷、应用灵活等优势，已广泛用于家庭、学校、办公室等地面场所，并在智能化矿井中实现了规模部署。针对Wi-Fi的井下应用，行业内开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。孙继平等[2]指出矿用Wi-Fi具有系统简单、成本低等优点，但存在传输时延大、通话质量低的问题。张金豪等[3]提出了Wi-Fi在井下的无线网络覆盖方案，解决了煤矿井下长距离巷道无线网络信号覆盖的问题。魏翠英[4]设计了基于Wi-Fi的井下应急援救系统，提升了救援工作的完成效率。刘杰[5]开发了基于Wi-Fi的井下通风监测系统，实现了监测数据的及时发送和回收分析。刘亮亮[6]改进了基于Wi-Fi的井下人员定位系统，提高了定位精度和响应速度。张文书[7]利用Wi-Fi在综采工作面实现了监控数据的无线传输，帮助地面监控中心实时掌握采面综采设备运行参数。随着矿山智能化建设的持续推进，井下网络的部署规模和应用场景在不断扩展，对无线通信的速率、时延、可靠性等提出了更高的要求。

Wi-Fi 7[8]是下一代的无线通信技术，对应于最新的IEEE 802.11be协议标准，通过对物理层和数据链路层的优化，实现了高达30 Gbps的速率、低于5 ms的时延，以及强大的干扰抑制能力。2022年，高通公司、博通公司和联发科技股份有限公司先后发布了Wi-Fi 7芯片组，下游厂商随之推出了支持Wi-Fi 7的设备及终端。2024年，Wi-Fi 7将迎来大规模商用[9]，能够为井下网络建设提供全新的无线通信解决方案。

1 Wi-Fi 7技术特性

1.1 速率增强策略

1）更大带宽。频谱资源分为授权频谱和非授权频谱，前者的使用有着严格的限制和保护，而后者可以在符合法规的前提下直接使用。Wi-Fi工作在非授权频谱上[10]，主要包括2.4 GHz和5 GHz两个频段，其中，2.4 GHz频段可提供2个20 MHz信道带宽或1个40 MHz信道带宽，5 GHz频段可提供25个20 MHz、12个40 MHz、6个80 MHz或2个160 MHz的信道带宽。根据我国目前的频谱规划，非授权频谱在2412～2472 MHz，5150～5350 MHz，5725～5850 MHz范围内。图1是2.4 GHz和5 GHz频段的可用信道，其中只有实心部分被允许在国内使用。Wi-Fi 7通过非连续信道的带宽绑定，在现有条件下可实现最大160 MHz+80 MHz带宽，较Wi-Fi 6的160 MHz带宽实现了50%的提升。

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

2）更高阶调制。QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）是一种矢量调制技术，同时利用载波的幅度和相位来传递信息比特。Wi-Fi 6和Wi-Fi 7分别采用1024 QAM和4096 QAM调制，图2是二者对应的星座图。1024 QAM规定了1024种幅度和相位的状态，每个符号能传输10 bit（210=1024）数据，而4096 QAM规定了4096种幅度和相位的状态，每个符号能传输12 bit（212=4096）数据。Wi-Fi 7通过更高阶的QAM调制，每个符号的数据传输效率较Wi-Fi 6实现了20%的提升。

图2 1024 QAM和4096 QAM的星座图Fig. 2 Constellations of 1024 QAM and 4096 QAM

3）多用户MIMO。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）通过在发射端和接收端分别部署多根天线，允许信号经由多个SS（Spatial Stream，空间流）同时进行传输，能够在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，实现系统容量的成倍提高。通常讲的M×NMIMO是指发送端有M个天线，接收端有N个天线。多用户MIMO是针对多用户传输需求，在MIMO的基础上发展而来，以图3所示的4×4多用户MIMO为例，系统支持1个AP（Access Point，接入点）与4个STA（Station，工作站）之间进行同时传输。Wi-Fi 7最大支持16×16多用户MIMO，较Wi-Fi 6的8×8多用户MIMO[11]实现了100%的提升。

图3 4×4 多用户MIMO的示意图Fig. 3 Diagram of 4×4 multi-user MIMO

通过采用更大带宽、更高阶调制以及多用户MIMO等策略，Wi-Fi 7能够实现速率的显著增强，从而达到30 Gbps的目标。

1.2 低时延保障机制

1）多AP联合传输。以往的Wi-Fi网络中，数据只通过单个AP进行传输。Wi-Fi 7支持多个AP在同一频段上同时传输数据，这被称为多AP联合传输[12]，示意图如图4所示。多AP联合传输是利用多个AP协同工作来提高无线网络的性能和覆盖范围，同时可实现AP与STA间快速关联，提升用户移动时的重连速度。

图4 多AP联合传输的示意图Fig. 4 Diagram of multi-AP joint transmission

2）多链路操作。Wi-Fi 7利用不同频段，在AP和STA之间构建多条传输链路[13]，原理如图5所示。多链路操作分为复制传输和联合传输，前者在多条链路上传输完全相同的数据，并按照先到先得的原则进行接收，后者对数据进行合理拆分后，在多个链路上同时进行传输。多链路操作能够实现不同链路的切换与协同，有效避免了丢包与重传，保障数据的高效率、低时延传输。

图5 多链路操作的原理Fig. 5 Principle of multi-link operation

通过引入多AP联合传输、多链路操作等机制，Wi-Fi 7能够形成可靠的低时延保障，从而达到不超过5 ms的目标。

1.3 干扰抑制能力

1）前导码打孔。Wi-Fi 6主要支持相邻信道的带宽绑定，以8个20 MHz信道捆绑成1个160 MHz信道为例，如图6所示，先将“主20”信道和“辅20”信道捆绑成“主40”信道，再将“主40”信道和“辅40”信道捆绑成“主80”信道，最后将“主80”信道和“辅80”信道捆绑到一起。只有在主信道干净、无干扰时，辅信道才能传输信息。假设“辅20”信道被干扰，则“主40”信道不干净，进而“主80”信道也不干净，导致“辅40”和“辅80”信道都无法传输信息。前导码打孔（Preamble Puncturing）是Wi-Fi 7的关键技术特性，可以对受到干扰的信道进行屏蔽，同时将剩余的非连续信道全部捆绑到一起[14]，不仅提升了非连续信道的利用率，还有效降低了外来干扰对系统的影响。

图6 信道捆绑的示意图Fig. 6 Diagram of channel bundling

2）协同OFDMA。OFDMA（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，正交频分多址）将信道细分为较小的RU（Resource Unit，资源单元），多个客户端可以通过占据不同的RU资源进行并行传输。如果RU的划分仅在单AP上独立进行，当存在临近的AP时，依然会发生资源冲突。Wi-Fi 7将OFDMA从单AP扩展到多AP，实现协同OFDMA，使临近的多个AP与多个接入STA协同共享RU资源，如图7所示，临近的AP 1和AP 2分别占据不同的10 MHz，能够避免因资源冲突导致相互干扰。

图7 协同OFDMA的示意图Fig. 7 Diagram of C-OFDMA

3）空间重用。BSS（Basic Service Set，基本服务集）是一个AP覆盖的范围。Wi-Fi 6引入了BSS着色机制，实现信道空间重用[15]，即在数据帧中增加标识符，使STA具备干扰识别能力，从而选择停止传输或并发传输。Wi-Fi 7更进一步，通过整体协调多个AP的发射功率及BSS范围，提升信道空间重用的效果，实现干扰的降低以及覆盖的均衡。

通过利用前导码打孔、协同OFDMA、空间重用等技术，Wi-Fi 7能够建立强大的干扰抑制能力，满足复杂环境的使用需求。

2 Wi-Fi 7矿井应用

2.1 网络架构

在井下应用中，Wi-Fi 7将主要作为网络末端的无线延拓，向附近的传感器、控制器、摄像头、智能矿灯等提供大带宽、低时延、高可靠的网络覆盖。Wi-Fi 7可以与各类承载网络直接组合，形成工业以太网+Wi-Fi 7、光纤环网+Wi-Fi 7、PON（Passive Optical Network，无源光网络）+Wi-Fi 7等架构，满足井下不同规模、不同类型的网络需求。矿井PON+Wi-Fi 7网络如图8所示，其中，矿井PON由OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）、ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）、ONU（Optical Network Unit，光网络单元）三部分构成，用于提供井上-井下的大容量传输管道。作为矿井PON的末端设备，ONU通过接入Wi-Fi 7 AP，向井下提供大带宽、低时延、高可靠的无线网络覆盖，同时下挂UWB（Ultra Wide Band，超宽带）基站，为井下提供高精度定位服务。

图8 矿井PON+Wi-Fi 7的网络拓扑Fig. 8 Network topology of mine PON+Wi-Fi 7

2.2 应用展望

目前，Wi-Fi 6已经在各类矿井中实现了广泛部署，主要服务于通信联络、安全监测、视频监控等应用场景，为矿山安全生产提供了有力保障。随着矿山智能化建设的深入，以数字孪生工作面、装备远程控制等为代表的新型应用对无线网络的速率和时延提出了更高的要求。与Wi-Fi 6相比，Wi-Fi 7能够实现速率的多倍提升、时延的大幅降低、可靠性的显著增强，能够为高阶的矿山智能化建设提供必要支撑。

1）与50G PON融合。PON是通信行业主流的光纤接入技术，能够为矿山提供大带宽、低时延、高可靠、易部署、易扩展的信息传输通道[16]。预计2024年，下一代的50G PON将实现商用，其速率达到50 Gbps，端到端时延在微秒级，时延抖动在纳秒级，可靠性在99.9999%以上，能够为矿山构建统一的“井下-井上”业务传输通道。在矿井应用中，Wi-Fi 7与50G PON将实现融合，为井下提供超万兆带宽、毫秒级时延、抗复杂干扰的无线网络覆盖，为井下数字孪生、装备远程控制等新型应用提供低成本解决方案。

2）与5G/5G-Advanced共存。5G（5th Generation Mobile Communication Technology，第五代移动通信技术）是最新一代的蜂窝数字移动通信技术，与Wi-Fi 7分属于不同的通信体制和系统架构。目前，5G正在向5G-Advanced演进[17]，将实现进一步的技术扩充与能力增强。与Wi-Fi 7相比，5G/5G-Advanced具有更强的广域覆盖能力，但其局域覆盖的成本偏高，终端的兼容性相对较弱。在矿井应用中，Wi-Fi 7将主要针对局域的超高吞吐量需求，实现与各类工业终端的广泛适配，5G/5G-Advanced将主要负责广域的大规模网络覆盖，为手机、矿灯等提供不间断的网络服务，二者各有分工，共同构建井下大带宽、低时延、高可靠的信息基础设施。

3）与各类Wi-Fi协同。从20世纪90年代立项至今，IEEE 802.11已经形成了几十项的标准协议，除了IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5）、IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）等主流协议之外，还有一些协议有待验证或推广，比如：IEEE 802.11ah，又称Wi-Fi HaLow[18]，采用更低的900 MHz频段，适合小量数据负荷以及低功耗设备，具有更佳的穿透力和覆盖范围；IEEE 802.11az是NGP（Next Generation Positioning，下一代定位）标准，能够实现精度小于1 m的高精度定位；IEEE 802.11bb，即Li-Fi[19]，是利用光传输数据，能够提供更快、更可靠、更安全的无线连接。在矿井应用中，这些“小众”的Wi-Fi技术能够为矿山物联网、井下高精度定位[20]、海量数据传输等场景带来革命性变化。由于物理层和数据链路层的相似性[21-24]，Wi-Fi 7与各类Wi-Fi之间容易实现互相协同，共同构建全方位的智能矿山解决方案。

3 结 论

1）从速率增强、低时延保障、干扰抑制方面分析了Wi-Fi 7的技术特性及效果：通过采用更大带宽、更高阶调制以及多用户MIMO等策略，Wi-Fi 7能够实现速率的显著增强，达到30 Gbps的目标；通过引入多AP联合传输、多链路操作等机制，Wi-Fi 7能够形成可靠的低时延保障，达到低于5 ms的目标；通过利用前导码打孔、协同OFDMA、空间重用等技术，Wi-Fi 7能够建立强大的干扰抑制能力，满足复杂环境的使用需求。

2）提出了以矿井PON+Wi-Fi 7为代表的网络架构，以及数字孪生工作面、装备远程控制等应用，同时分析了Wi-Fi 7与50G PON融合、与5G/5G-Advanced共存、与各类Wi-Fi协同的发展前景。可以预见，Wi-Fi 7大规模商用之后，将成为低成本、高价值的智能矿山信息基础设施。