千兆宽带全光室内远端覆盖

严文发，陈锋

（中国移动通信集团设计院有限公司湖北分公司，湖北 武汉 430024）

0 引言

高清视频、自媒体、虚拟现实（virtual reality，VR）等新应用不断涌现，大带宽上网需求越来越多[1]。在室内场景，当前有线宽带包时长的资费方式与无线4G、5G按流量的资费方式相比，仍然具有突出优势，全民“有线宽带+无线保真（wireless fi2elity，Wi-Fi）”的上网时代还将继续。从“宽带中国”战略实施以来，我国持续加大光纤网络建设投资力度，2020年光纤到户（fiber to the home，FTTH）覆盖家庭已超过3亿户，各大运营商不断在各大城市进行千兆（1000 Mbit/s）宽带接入能力升级[2]。面向逐步实现的FTTH千兆接入，中小企业和大户型住宅光纤接入点远端房间的上网质量将成为新的瓶颈，光纤网络需要进一步向远端延伸，本文针对宽带网络“光纤到户”向“光纤到房间（fiber to the room，FTTR）”的演进方案进行研究。

1 室内无线宽带现状及传输介质

手机等移动终端已遍及每个家庭，当前高速宽带需求呈快速增长趋势，在室内环境中各类移动终端基本通过Wi-Fi实现互联网访问。多居室的远端房间因Wi-Fi信号连续穿墙后的严重衰减，普遍出现上网速率大打折扣，甚至无法稳定连接Wi-Fi的情况。根据某设备厂商收集到的逾5000份家庭宽带调查问卷反馈的数据，发现随着居室数的增加，用户有意识地通过增加Wi-Fi热点数量改善房间的网络体验，千兆用户有24.8%希望进一步提升网络体验。室内Wi-Fi热点数量与户型的关系如图1所示[3]。

图1 室内Wi-Fi热点数量与户型的关系

大户型宽带用户，室内多个Wi-Fi接入点的需求日益增长，增加Wi-Fi接入点的传输介质可选择光纤、网线、Wi-Fi桥接或中继、电力线等，不同传输介质优劣势分析见表1。

表1 不同传输介质优劣势分析

光纤介质相对于铜线类介质和无线介质，具有更高的稳定性和传输带宽，具有更低的信号衰减等[4]，是实现高品质千兆Wi-Fi入室的优选方案；从使用周期来看，光纤寿命长[5]，一次铺设可长期使用；从建设和维护成本来看，室内蝶形光缆部署灵活[6]，可适应多种多样的户型。

2 室内Wi-Fi信号传播能力分析

室内远端房间无线Wi-Fi信号传播，可基于链路预算原则，通过计算得到信号覆盖情况。

其中，Prx(2Bm)表示接收功率，Ptx(2Bm)表示发射功率，Gtx/Grx(2Bi)表示天线增益，PL(d)(2B)表示路径损耗，Ltx/Lrx(2B)表示其他损耗[7]。

通过式（1）可得，当设备的接收功率、发射功率、天线增益为确定值时，只有通过降低损耗值提升Wi-Fi信号传播能力。Wi-Fi信号的损耗除了受固定物体带来的反射、衍射、漫射、穿透4种传播效应影响，还受人员和宠物的移动、门窗开关等影响，信号频率越高，穿透的能力越差[8-9]。2.4 GHz频段和5 GHz频段在无线通信中均属高频段，因此室内墙体等障碍物对其传播影响严重。Wi-Fi信号室内传播效应示意图如图2所示。

图2 Wi-Fi信号室内传播效应示意图

Wi-Fi信号的本质是电磁波，穿透不同材质障碍物的损耗不同，其中，金属和混凝土墙带来的损耗最为严重。Wi-Fi电磁波穿透障碍物损耗见表2[10]。

从表2数据可以看到，室内障碍物对Wi-Fi信号的传播影响严重，穿透木制、塑料等障碍物的信号强度衰减可达到50%以上，穿透墙体障碍物的信号强度衰减可达到90%以上，穿透金属障碍物的信号强度衰减可达到99%以上。

表2 Wi-Fi电磁波穿透障碍物损耗

3 宽带室内覆盖技术方案

提升室内宽带上网质量，目前主要有3类技术方案可选，分别是增加Wi-Fi覆盖范围、无线拉远覆盖和网线拉远覆盖。

3.1 增加Wi-Fi覆盖范围

增加Wi-Fi覆盖范围，可以通过提升路由器发射功率实现，但受限于我国无线电管理委员会对无线路由器发射功率的限制，例如天线增益小于102Bi的2.4 GHz无线局域网产品，等效全向辐射功率（equivalent isotropically ra2iate2 power，EIRP）不大于100 mW或不大于202Bm[11]，此方案面对室内障碍物的穿透损耗较大，增加覆盖范围有限。

增加Wi-Fi覆盖范围，还可以通过高增益天线技术实现，但增益带来波束变窄，会导致不同区域覆盖质量不均，甚至出现一些覆盖空白的区域[12]。

3.2 无线拉远覆盖

无线拉远覆盖方案通过增加Wi-Fi路由设备，采用无线桥接或无线中继技术实现覆盖[13-14]。该覆盖方式部署最为简单，但双向无线信号质量衰减大、传输带宽损失严重，并且存在无线路由器之间漫游切换导致速度慢的问题[15]。

3.3 网线拉远覆盖

网线拉远覆盖是有线拉远覆盖的一种，通过网线连接方式增加光网络终端（optical network terminal，ONT）下挂的无线访问接入点（access point，AP）数量，实现远端Wi-Fi覆盖。该方案虽然解决了室内信号强度衰减问题，但速率上限被网线种类和质量限制。室内已经布放的网线以五类线（category 5 cable，CAT5）为主，速率上限一般为百兆（100 Mbit/s）[16]，室内网络接入带宽改造提升空间受限。新建室内网络可以采用超五类线（category 5e cable，CAT5E）、六类线（category 6 cable，CAT6）提升速率上限，但存在各无线AP流量并发时业务流相互影响的问题，网络稳定性较差。另外，由于无线AP不属于无源光网络（passive optical network，PON）系统的网元，不能实现运营商统一网管监控，运维排障困难。

3.4 全光远端覆盖

FTTR全光室内远端覆盖，是一种全光宽带网络的创新，将运营商PON系统中的宽带接入点由入户信息箱位置延伸至远端房间内[17]，FTTR全光远端覆盖PON系统结构如图3所示。

图3 FTTR全光远端覆盖PON系统结构

原PON系统结构中的ONT部分演变为入户光网关设备和若干远端延伸设备，可采用类接入网组网（即point to multiple point，P2MP）或光以太网组网（即point to point，P2P）技术实现，设备间全部采用光纤互联。该方案实现了全光远端房间覆盖，解决了室内障碍物导致的信号衰减，突破了铜线类介质对流量速率的限制，可以通过不断迭代设备进行带宽升级，远端延伸设备还可以纳入PON系统网管，实现运营商对设备的统一监控和维护。

全光远端覆盖与传统覆盖技术方案相比，在带宽速率、传输距离、可靠性、时延和漫游切换方面都具备优势，室内覆盖技术效果对比见表3。

表3 室内覆盖技术效果对比

4 全光远端覆盖技术

4.1 设备及组网

室内全光设备组网有两个思路，分别是类接入网组网和光以太网组网[18]。

类接入网组网为P2MP模式，光网关设备和远端延伸设备间采用短距PON技术降低连接距离，设备间经分路器分光后实现光纤互联，组建室内微型光分配网（optical 2istribution network，ODN）。分路器也可以集成至光网关设备中，减少物理设备种类。光网关设备需要1个光电转换模块、1个PON光处理模块实现室内微型ODN组网，上行通过XG-PON（非对称型万兆PON）或XGS-PON（对称型万兆PON）接入，速率最大支持10 Gbit/s；远端延伸设备架构与FTTH的OTN设备相同，需支持千兆以太网口和Wi-Fi6，空口速率达到千兆以上。设备系统架构如图4所示。

图4 类接入网组网系统架构

光以太网组网为P2P模式，光网关设备和远端延伸设备间采用以太网技术实现光纤互联。光网关设备需要若干光电转换模块，建议4台以上远端延伸设备室内组网时配置局域网交换机，其上行与类接入网组网相同；远端延伸设备架构与家庭无线路由设备相同，需支持千兆以太网口和Wi-Fi6，空口速率达到千兆以上。设备系统架构如图5所示。

图5 光以太网组网系统架构

类接入网组网和光以太网组网都可以实现室内全光覆盖，类接入网组网采用PON技术，需要增加光分路器组网；光以太网组网采用以太技术，远端延伸设备过多时需要增加光交换机组网。两者现阶段均无技术规范及产品标准，类接入网组网可参考光接入网规范，光以太网组网可参考光以太网规范。类接入网组网各运营商有少量试点，但尚未实现片上系统（system on chip，SoC）设计，当前建设成本较高；光以太网组网当前产品较少，但有成熟的光电模块，在不加光交换机的前提下建设成本较低。两种组网具体对比见表4。

表4 类接入网组网与光以太网组网对比

4.2 设备部署

光网关设备作为室内信号覆盖的核心设备，对室内全部设备进行管理，网络位置在光线路终端（optical line terminal，OLT）与远端延伸设备之间，向上经分光器连接至通信机房的OLT设备，向下通过光纤接口连接至远端延伸设备，硬件配置推荐上行采用10 Gbit/s PON光接口，下行根据组网技术采用短距PON接口或以太接口，光网关设备同时具备远端延伸设备所有功能，建议部署于室内较为中心的位置，同时能够方便与室内光纤进行合理衔接，例如可以放置在住宅客厅附近的弱电箱内[19]。

远端延伸设备主要提供有线和无线上网终端接入，合理分布于各个房间，向上连接至光网关设备，向下提供Wi-Fi和GE端口接入。远端延伸设备采用桥接模式，由光网关设备统一管理，使室内构成一张可互通的整体局域网，硬件配置推荐上行根据组网技术采用短距PON接口或以太接口，下行采用Wi-Fi6及GE电口，部署方案灵活多样，可以采用桌面形态或与家具融合，也可以采用吸顶形态部署于天花板或墙体，还可以采用面板形态部署于隐藏位置[19]。

4.3 设备漫游

千兆宽带全光室内覆盖设备支持IEEE 802.11k、IEEE 802.11v、IEEE 802.11r 3个协议，可实现终端在多个远端延伸设备之间Wi-Fi无缝漫游，漫游切换控制在100 ms以内。IEEE 802.11k协议使终端设备实时掌握周边远端延伸设备的信号强度，当需要漫游时，可快速确定漫游目标；IEEE 802.11v协议为终端设备提供远端延伸设备负载情况，负责触发漫游并为终端设备指引漫游方向；IEEE 802.11r协议具备“快速基本服务集转换”功能，可实现漫游高效接入[20]。

5 全光远端覆盖效果验证

5.1 改造千兆宽带全光室内覆盖效果测试

某中小企业室内面积250 m2，由1000 Mbit/s FTTH无线拉远室内覆盖改造为FTTR全光室内覆盖。改造前部署Wi-Fi5路由器3端，分别位于图6中的①③⑤位置，通过无线方式组网。改造后部署Wi-Fi6入户光网关设备1端、远端延伸设备4端，分别位于图6中的①②③④⑤位置，全光纤组网。

在图6中选择A～H共8个测试点，改造后漫游触发切换时间在100 ms以内，8个测试点的下载上传速率都有较大幅度的提升，整体覆盖效果提升明显，改造前后8个测试点的下载上传测试对比数据见表5。

表5 某中小企业FTTR全光室内覆盖改造前后速率测试结果

图6 某中小企业室内设备安装及测点位置示意图

5.2 某住宅新建千兆宽带全光室内覆盖效果测试

某住宅室内面积138 m2，新建1000 Mbit/s FTTR全光室内覆盖，部署Wi-Fi6入户光网关设备1端、远端延伸设备3端，全光纤组网。具体设备安装及测点位置如图7所示。

图7 某住宅室内设备安装及测点位置示意图

在图6中选择A～F共6个测试点，漫游触发切换时间在100 ms以内，6个测试点的速率均达到千兆标准，6个测试点的下载上传测试数据结果见表6。

表6 某住宅FTTR全光室内覆盖速率测试结果

6 全光远端覆盖延伸应用

室内的墙面、地面、物体表面、活动人体等，都会改变Wi-Fi信号的传播路径，这些路径与直射路径形成多径传播，最终通过叠加生成接收端的Wi-Fi信号。随着Wi-Fi热点的位置进一步下移至各个房间，室内环境中可利用Wi-Fi多径传播特性，结合设备天线的多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）技术，通过多路径同时判断实现特殊场景的监控[21-22]。使用Wi-Fi信号进行人体感知时的检测是被动式、非接触式的，检测对象不需要穿戴任何设备，不直接采集用户居家生活的视频或图像，无隐私暴露风险，可应用于卧室、卫生间、浴室等私密场景的监控。

7 结束语

本文提出的千兆宽带全光室内远端覆盖技术方案，经实测可以解决中小企业和大户型住宅宽带Wi-Fi覆盖的痛点。与传统技术方案相比，解决了室内Wi-Fi信号衰减、带宽速率不均等问题，可为VR、智慧家庭、云桌面等行业应用的发展提供基础网络条件。采用光纤作为室内传输介质，符合技术发展方向，可跟随设备升级换代不断提升宽带速率、时延、切换等各项网络指标，并且伴随着室内Wi-Fi设备部署数量增多和进一步普及，未来还可利用其无线电磁波的传播特性，实现更多的安防类应用。