千兆寬帶全光室內(nèi)遠(yuǎn)端覆蓋

嚴(yán)文發(fā)，陳鋒

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430024）

0 引言

高清視頻、自媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）等新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，大帶寬上網(wǎng)需求越來越多[1]。在室內(nèi)場(chǎng)景，當(dāng)前有線寬帶包時(shí)長(zhǎng)的資費(fèi)方式與無線4G、5G按流量的資費(fèi)方式相比，仍然具有突出優(yōu)勢(shì)，全民“有線寬帶+無線保真（wireless fi2elity，Wi-Fi）”的上網(wǎng)時(shí)代還將繼續(xù)。從“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略實(shí)施以來，我國(guó)持續(xù)加大光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資力度，2020年光纖到戶（fiber to the home，F(xiàn)TTH）覆蓋家庭已超過3億戶，各大運(yùn)營(yíng)商不斷在各大城市進(jìn)行千兆（1000 Mbit/s）寬帶接入能力升級(jí)[2]。面向逐步實(shí)現(xiàn)的FTTH千兆接入，中小企業(yè)和大戶型住宅光纖接入點(diǎn)遠(yuǎn)端房間的上網(wǎng)質(zhì)量將成為新的瓶頸，光纖網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)一步向遠(yuǎn)端延伸，本文針對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)“光纖到戶”向“光纖到房間（fiber to the room，F(xiàn)TTR）”的演進(jìn)方案進(jìn)行研究。

1 室內(nèi)無線寬帶現(xiàn)狀及傳輸介質(zhì)

手機(jī)等移動(dòng)終端已遍及每個(gè)家庭，當(dāng)前高速寬帶需求呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在室內(nèi)環(huán)境中各類移動(dòng)終端基本通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)訪問。多居室的遠(yuǎn)端房間因Wi-Fi信號(hào)連續(xù)穿墻后的嚴(yán)重衰減，普遍出現(xiàn)上網(wǎng)速率大打折扣，甚至無法穩(wěn)定連接Wi-Fi的情況。根據(jù)某設(shè)備廠商收集到的逾5000份家庭寬帶調(diào)查問卷反饋的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著居室數(shù)的增加，用戶有意識(shí)地通過增加Wi-Fi熱點(diǎn)數(shù)量改善房間的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，千兆用戶有24.8%希望進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。室內(nèi)Wi-Fi熱點(diǎn)數(shù)量與戶型的關(guān)系如圖1所示[3]。

圖1 室內(nèi)Wi-Fi熱點(diǎn)數(shù)量與戶型的關(guān)系

大戶型寬帶用戶，室內(nèi)多個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)的需求日益增長(zhǎng)，增加Wi-Fi接入點(diǎn)的傳輸介質(zhì)可選擇光纖、網(wǎng)線、Wi-Fi橋接或中繼、電力線等，不同傳輸介質(zhì)優(yōu)劣勢(shì)分析見表1。

表1 不同傳輸介質(zhì)優(yōu)劣勢(shì)分析

光纖介質(zhì)相對(duì)于銅線類介質(zhì)和無線介質(zhì)，具有更高的穩(wěn)定性和傳輸帶寬，具有更低的信號(hào)衰減等[4]，是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)千兆Wi-Fi入室的優(yōu)選方案；從使用周期來看，光纖壽命長(zhǎng)[5]，一次鋪設(shè)可長(zhǎng)期使用；從建設(shè)和維護(hù)成本來看，室內(nèi)蝶形光纜部署靈活[6]，可適應(yīng)多種多樣的戶型。

2 室內(nèi)Wi-Fi信號(hào)傳播能力分析

室內(nèi)遠(yuǎn)端房間無線Wi-Fi信號(hào)傳播，可基于鏈路預(yù)算原則，通過計(jì)算得到信號(hào)覆蓋情況。

其中，Prx(2Bm)表示接收功率，Ptx(2Bm)表示發(fā)射功率，Gtx/Grx(2Bi)表示天線增益，PL(d)(2B)表示路徑損耗，Ltx/Lrx(2B)表示其他損耗[7]。

通過式（1）可得，當(dāng)設(shè)備的接收功率、發(fā)射功率、天線增益為確定值時(shí)，只有通過降低損耗值提升Wi-Fi信號(hào)傳播能力。Wi-Fi信號(hào)的損耗除了受固定物體帶來的反射、衍射、漫射、穿透4種傳播效應(yīng)影響，還受人員和寵物的移動(dòng)、門窗開關(guān)等影響，信號(hào)頻率越高，穿透的能力越差[8-9]。2.4 GHz頻段和5 GHz頻段在無線通信中均屬高頻段，因此室內(nèi)墻體等障礙物對(duì)其傳播影響嚴(yán)重。Wi-Fi信號(hào)室內(nèi)傳播效應(yīng)示意圖如圖2所示。

圖2 Wi-Fi信號(hào)室內(nèi)傳播效應(yīng)示意圖

Wi-Fi信號(hào)的本質(zhì)是電磁波，穿透不同材質(zhì)障礙物的損耗不同，其中，金屬和混凝土墻帶來的損耗最為嚴(yán)重。Wi-Fi電磁波穿透障礙物損耗見表2[10]。

從表2數(shù)據(jù)可以看到，室內(nèi)障礙物對(duì)Wi-Fi信號(hào)的傳播影響嚴(yán)重，穿透木制、塑料等障礙物的信號(hào)強(qiáng)度衰減可達(dá)到50%以上，穿透墻體障礙物的信號(hào)強(qiáng)度衰減可達(dá)到90%以上，穿透金屬障礙物的信號(hào)強(qiáng)度衰減可達(dá)到99%以上。

表2 Wi-Fi電磁波穿透障礙物損耗

3 寬帶室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案

提升室內(nèi)寬帶上網(wǎng)質(zhì)量，目前主要有3類技術(shù)方案可選，分別是增加Wi-Fi覆蓋范圍、無線拉遠(yuǎn)覆蓋和網(wǎng)線拉遠(yuǎn)覆蓋。

3.1 增加Wi-Fi覆蓋范圍

增加Wi-Fi覆蓋范圍，可以通過提升路由器發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)，但受限于我國(guó)無線電管理委員會(huì)對(duì)無線路由器發(fā)射功率的限制，例如天線增益小于102Bi的2.4 GHz無線局域網(wǎng)產(chǎn)品，等效全向輻射功率（equivalent isotropically ra2iate2 power，EIRP）不大于100 mW或不大于202Bm[11]，此方案面對(duì)室內(nèi)障礙物的穿透損耗較大，增加覆蓋范圍有限。

增加Wi-Fi覆蓋范圍，還可以通過高增益天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但增益帶來波束變窄，會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域覆蓋質(zhì)量不均，甚至出現(xiàn)一些覆蓋空白的區(qū)域[12]。

3.2 無線拉遠(yuǎn)覆蓋

無線拉遠(yuǎn)覆蓋方案通過增加Wi-Fi路由設(shè)備，采用無線橋接或無線中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)覆蓋[13-14]。該覆蓋方式部署最為簡(jiǎn)單，但雙向無線信號(hào)質(zhì)量衰減大、傳輸帶寬損失嚴(yán)重，并且存在無線路由器之間漫游切換導(dǎo)致速度慢的問題[15]。

3.3 網(wǎng)線拉遠(yuǎn)覆蓋

網(wǎng)線拉遠(yuǎn)覆蓋是有線拉遠(yuǎn)覆蓋的一種，通過網(wǎng)線連接方式增加光網(wǎng)絡(luò)終端（optical network terminal，ONT）下掛的無線訪問接入點(diǎn)（access point，AP）數(shù)量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端Wi-Fi覆蓋。該方案雖然解決了室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度衰減問題，但速率上限被網(wǎng)線種類和質(zhì)量限制。室內(nèi)已經(jīng)布放的網(wǎng)線以五類線（category 5 cable，CAT5）為主，速率上限一般為百兆（100 Mbit/s）[16]，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)接入帶寬改造提升空間受限。新建室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可以采用超五類線（category 5e cable，CAT5E）、六類線（category 6 cable，CAT6）提升速率上限，但存在各無線AP流量并發(fā)時(shí)業(yè)務(wù)流相互影響的問題，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差。另外，由于無線AP不屬于無源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）系統(tǒng)的網(wǎng)元，不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一網(wǎng)管監(jiān)控，運(yùn)維排障困難。

3.4 全光遠(yuǎn)端覆蓋

FTTR全光室內(nèi)遠(yuǎn)端覆蓋，是一種全光寬帶網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新，將運(yùn)營(yíng)商PON系統(tǒng)中的寬帶接入點(diǎn)由入戶信息箱位置延伸至遠(yuǎn)端房間內(nèi)[17]，F(xiàn)TTR全光遠(yuǎn)端覆蓋PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FTTR全光遠(yuǎn)端覆蓋PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的ONT部分演變?yōu)槿霊艄饩W(wǎng)關(guān)設(shè)備和若干遠(yuǎn)端延伸設(shè)備，可采用類接入網(wǎng)組網(wǎng)（即point to multiple point，P2MP）或光以太網(wǎng)組網(wǎng)（即point to point，P2P）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)備間全部采用光纖互聯(lián)。該方案實(shí)現(xiàn)了全光遠(yuǎn)端房間覆蓋，解決了室內(nèi)障礙物導(dǎo)致的信號(hào)衰減，突破了銅線類介質(zhì)對(duì)流量速率的限制，可以通過不斷迭代設(shè)備進(jìn)行帶寬升級(jí)，遠(yuǎn)端延伸設(shè)備還可以納入PON系統(tǒng)網(wǎng)管，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和維護(hù)。

全光遠(yuǎn)端覆蓋與傳統(tǒng)覆蓋技術(shù)方案相比，在帶寬速率、傳輸距離、可靠性、時(shí)延和漫游切換方面都具備優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)覆蓋技術(shù)效果對(duì)比見表3。

表3 室內(nèi)覆蓋技術(shù)效果對(duì)比

4 全光遠(yuǎn)端覆蓋技術(shù)

4.1 設(shè)備及組網(wǎng)

室內(nèi)全光設(shè)備組網(wǎng)有兩個(gè)思路，分別是類接入網(wǎng)組網(wǎng)和光以太網(wǎng)組網(wǎng)[18]。

類接入網(wǎng)組網(wǎng)為P2MP模式，光網(wǎng)關(guān)設(shè)備和遠(yuǎn)端延伸設(shè)備間采用短距PON技術(shù)降低連接距離，設(shè)備間經(jīng)分路器分光后實(shí)現(xiàn)光纖互聯(lián)，組建室內(nèi)微型光分配網(wǎng)（optical 2istribution network，ODN）。分路器也可以集成至光網(wǎng)關(guān)設(shè)備中，減少物理設(shè)備種類。光網(wǎng)關(guān)設(shè)備需要1個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)PON光處理模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)微型ODN組網(wǎng)，上行通過XG-PON（非對(duì)稱型萬兆PON）或XGS-PON（對(duì)稱型萬兆PON）接入，速率最大支持10 Gbit/s；遠(yuǎn)端延伸設(shè)備架構(gòu)與FTTH的OTN設(shè)備相同，需支持千兆以太網(wǎng)口和Wi-Fi6，空口速率達(dá)到千兆以上。設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 類接入網(wǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

光以太網(wǎng)組網(wǎng)為P2P模式，光網(wǎng)關(guān)設(shè)備和遠(yuǎn)端延伸設(shè)備間采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖互聯(lián)。光網(wǎng)關(guān)設(shè)備需要若干光電轉(zhuǎn)換模塊，建議4臺(tái)以上遠(yuǎn)端延伸設(shè)備室內(nèi)組網(wǎng)時(shí)配置局域網(wǎng)交換機(jī)，其上行與類接入網(wǎng)組網(wǎng)相同；遠(yuǎn)端延伸設(shè)備架構(gòu)與家庭無線路由設(shè)備相同，需支持千兆以太網(wǎng)口和Wi-Fi6，空口速率達(dá)到千兆以上。設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 光以太網(wǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

類接入網(wǎng)組網(wǎng)和光以太網(wǎng)組網(wǎng)都可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)全光覆蓋，類接入網(wǎng)組網(wǎng)采用PON技術(shù)，需要增加光分路器組網(wǎng)；光以太網(wǎng)組網(wǎng)采用以太技術(shù)，遠(yuǎn)端延伸設(shè)備過多時(shí)需要增加光交換機(jī)組網(wǎng)。兩者現(xiàn)階段均無技術(shù)規(guī)范及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，類接入網(wǎng)組網(wǎng)可參考光接入網(wǎng)規(guī)范，光以太網(wǎng)組網(wǎng)可參考光以太網(wǎng)規(guī)范。類接入網(wǎng)組網(wǎng)各運(yùn)營(yíng)商有少量試點(diǎn)，但尚未實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）設(shè)計(jì)，當(dāng)前建設(shè)成本較高；光以太網(wǎng)組網(wǎng)當(dāng)前產(chǎn)品較少，但有成熟的光電模塊，在不加光交換機(jī)的前提下建設(shè)成本較低。兩種組網(wǎng)具體對(duì)比見表4。

表4 類接入網(wǎng)組網(wǎng)與光以太網(wǎng)組網(wǎng)對(duì)比

4.2 設(shè)備部署

光網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為室內(nèi)信號(hào)覆蓋的核心設(shè)備，對(duì)室內(nèi)全部設(shè)備進(jìn)行管理，網(wǎng)絡(luò)位置在光線路終端（optical line terminal，OLT）與遠(yuǎn)端延伸設(shè)備之間，向上經(jīng)分光器連接至通信機(jī)房的OLT設(shè)備，向下通過光纖接口連接至遠(yuǎn)端延伸設(shè)備，硬件配置推薦上行采用10 Gbit/s PON光接口，下行根據(jù)組網(wǎng)技術(shù)采用短距PON接口或以太接口，光網(wǎng)關(guān)設(shè)備同時(shí)具備遠(yuǎn)端延伸設(shè)備所有功能，建議部署于室內(nèi)較為中心的位置，同時(shí)能夠方便與室內(nèi)光纖進(jìn)行合理銜接，例如可以放置在住宅客廳附近的弱電箱內(nèi)[19]。

遠(yuǎn)端延伸設(shè)備主要提供有線和無線上網(wǎng)終端接入，合理分布于各個(gè)房間，向上連接至光網(wǎng)關(guān)設(shè)備，向下提供Wi-Fi和GE端口接入。遠(yuǎn)端延伸設(shè)備采用橋接模式，由光網(wǎng)關(guān)設(shè)備統(tǒng)一管理，使室內(nèi)構(gòu)成一張可互通的整體局域網(wǎng)，硬件配置推薦上行根據(jù)組網(wǎng)技術(shù)采用短距PON接口或以太接口，下行采用Wi-Fi6及GE電口，部署方案靈活多樣，可以采用桌面形態(tài)或與家具融合，也可以采用吸頂形態(tài)部署于天花板或墻體，還可以采用面板形態(tài)部署于隱藏位置[19]。

4.3 設(shè)備漫游

千兆寬帶全光室內(nèi)覆蓋設(shè)備支持IEEE 802.11k、IEEE 802.11v、IEEE 802.11r 3個(gè)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)終端在多個(gè)遠(yuǎn)端延伸設(shè)備之間Wi-Fi無縫漫游，漫游切換控制在100 ms以內(nèi)。IEEE 802.11k協(xié)議使終端設(shè)備實(shí)時(shí)掌握周邊遠(yuǎn)端延伸設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)需要漫游時(shí)，可快速確定漫游目標(biāo)；IEEE 802.11v協(xié)議為終端設(shè)備提供遠(yuǎn)端延伸設(shè)備負(fù)載情況，負(fù)責(zé)觸發(fā)漫游并為終端設(shè)備指引漫游方向；IEEE 802.11r協(xié)議具備“快速基本服務(wù)集轉(zhuǎn)換”功能，可實(shí)現(xiàn)漫游高效接入[20]。

5 全光遠(yuǎn)端覆蓋效果驗(yàn)證

5.1 改造千兆寬帶全光室內(nèi)覆蓋效果測(cè)試

某中小企業(yè)室內(nèi)面積250 m2，由1000 Mbit/s FTTH無線拉遠(yuǎn)室內(nèi)覆蓋改造為FTTR全光室內(nèi)覆蓋。改造前部署Wi-Fi5路由器3端，分別位于圖6中的①③⑤位置，通過無線方式組網(wǎng)。改造后部署Wi-Fi6入戶光網(wǎng)關(guān)設(shè)備1端、遠(yuǎn)端延伸設(shè)備4端，分別位于圖6中的①②③④⑤位置，全光纖組網(wǎng)。

在圖6中選擇A～H共8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，改造后漫游觸發(fā)切換時(shí)間在100 ms以內(nèi)，8個(gè)測(cè)試點(diǎn)的下載上傳速率都有較大幅度的提升，整體覆蓋效果提升明顯，改造前后8個(gè)測(cè)試點(diǎn)的下載上傳測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)見表5。

表5 某中小企業(yè)FTTR全光室內(nèi)覆蓋改造前后速率測(cè)試結(jié)果

圖6 某中小企業(yè)室內(nèi)設(shè)備安裝及測(cè)點(diǎn)位置示意圖

5.2 某住宅新建千兆寬帶全光室內(nèi)覆蓋效果測(cè)試

某住宅室內(nèi)面積138 m2，新建1000 Mbit/s FTTR全光室內(nèi)覆蓋，部署Wi-Fi6入戶光網(wǎng)關(guān)設(shè)備1端、遠(yuǎn)端延伸設(shè)備3端，全光纖組網(wǎng)。具體設(shè)備安裝及測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 某住宅室內(nèi)設(shè)備安裝及測(cè)點(diǎn)位置示意圖

在圖6中選擇A～F共6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，漫游觸發(fā)切換時(shí)間在100 ms以內(nèi)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的速率均達(dá)到千兆標(biāo)準(zhǔn)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的下載上傳測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

表6 某住宅F(xiàn)TTR全光室內(nèi)覆蓋速率測(cè)試結(jié)果

6 全光遠(yuǎn)端覆蓋延伸應(yīng)用

室內(nèi)的墻面、地面、物體表面、活動(dòng)人體等，都會(huì)改變Wi-Fi信號(hào)的傳播路徑，這些路徑與直射路徑形成多徑傳播，最終通過疊加生成接收端的Wi-Fi信號(hào)。隨著Wi-Fi熱點(diǎn)的位置進(jìn)一步下移至各個(gè)房間，室內(nèi)環(huán)境中可利用Wi-Fi多徑傳播特性，結(jié)合設(shè)備天線的多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)，通過多路徑同時(shí)判斷實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)景的監(jiān)控[21-22]。使用Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行人體感知時(shí)的檢測(cè)是被動(dòng)式、非接觸式的，檢測(cè)對(duì)象不需要穿戴任何設(shè)備，不直接采集用戶居家生活的視頻或圖像，無隱私暴露風(fēng)險(xiǎn)，可應(yīng)用于臥室、衛(wèi)生間、浴室等私密場(chǎng)景的監(jiān)控。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的千兆寬帶全光室內(nèi)遠(yuǎn)端覆蓋技術(shù)方案，經(jīng)實(shí)測(cè)可以解決中小企業(yè)和大戶型住宅寬帶Wi-Fi覆蓋的痛點(diǎn)。與傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，解決了室內(nèi)Wi-Fi信號(hào)衰減、帶寬速率不均等問題，可為VR、智慧家庭、云桌面等行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)條件。采用光纖作為室內(nèi)傳輸介質(zhì)，符合技術(shù)發(fā)展方向，可跟隨設(shè)備升級(jí)換代不斷提升寬帶速率、時(shí)延、切換等各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，并且伴隨著室內(nèi)Wi-Fi設(shè)備部署數(shù)量增多和進(jìn)一步普及，未來還可利用其無線電磁波的傳播特性，實(shí)現(xiàn)更多的安防類應(yīng)用。