FTTR在智慧家庭与智慧办公中的应用

黄涛 陈敏

（1.中移铁通有限公司济源分公司 河南省济源市 459000 2.黄淮学院 河南省驻马店市 463000）

FTTR 是一种新的家庭网络拓扑。 FTTR 技术的光纤家庭拓扑和功能可能与当前传输和接入网络中基于光纤的技术不同。在制定 FTTR 规范（G.fin）之前，有必要了解 FTTR的用例并推导出相应的网络需求。因此，本技术论文收集了家庭域中基于光纤的网络的用例，并分析了对网络能力的新需求。

1 背景

从上个世纪90年代智能社区刚刚起步的时候开始，以智能家居为代表的数字家庭就一直在不断的进化中。尤其在云计算、物联网、大数据技术发展的推动下，智能家庭在应用和技术的搭建上应运而生。

但作为数字家庭“入口”的网络，却一直是限制数字家庭应用落地的短板。为此，从2011年时起，我国运营商开始陆续加快推进光纤入户（FTTH）建设，作为数字家庭走向实现的“最后一公里”，光纤入户凭借大带宽、低时延和优质的网络体验，带动了大量智能家居产品的创新节奏，也让数字家庭的梦想不再遥远。

然而光纤入户解决的最后一公里问题的局限性在于，光纤入户之后，在房间内部则通过路由器对全屋的网络进行配置和管理，这会导致光网的体验有所下降，甚至在中大户型中会存在信号覆盖不足的死角，没有办法实现全屋一致性的网络体验，也降低了具体房间内应用场景的家居智能化。正是为了解决这一难题，光纤入房间（FTTR）方案应运而生，它让光在全屋内自由“流动”，打通了数字家庭的最后0.01公里。

FTTR 是FTTX 技术的伟大延续，它在中国市场和产业链上有着成熟的基础。这与新中产人群扩大的趋势也是相匹配的。他们对居住环境有明显的改善性需求，倾向于大户型，并乐于尝试智能家居产品。2020年中国居民在居住消费（不包括购房）上的投资总额高达约6 万亿人民币，仅次于食品消费，这也意味着，追求消费升级的群体比例在不断增加。

FTTR 可以解决家庭网络质量问题，如网络覆盖，防止用户及其私人设备引起的网络问题。FTTR 可以作为数字家庭实现的“光底座”，也可以带给每个房间、每个角度大带宽加低时延的“光体验”，让体验永不衰减。

FTTR 可以匹配5G 带宽，保障用户体验和固网发展。互联网应用带来了非凡的应用体验，这让消费者不再能够容忍体验不佳的产品和服务，他们更愿意为更好的体验去付费，更倾向于迅速找到体验更好的替代品。

2 用例描述

2.1 家庭Wi-Fi回传

2.1.1 Wi-Fi 数据回传

基于易学之视野，我们不难发现，协同创新体系是一个多元素参与、多方位敞开、多层次搭建的立体动态系统。在这一体系中，我们要充分考虑到人、物、时间、空间等诸多因素。问世于春秋战国时期的《易传》，在《周易》古经的基础之上，更加明确地彰显出人的价值。《易传·系辞下传》称：“《易》之为书也，广大悉备。有天道焉，有人道焉，有地道焉。兼三才而两之，故六，六者，非它也，三才之道也。”三才之道是易学的核心，它开示我们，天、地、人是宇宙间三种最重要的因素。其中，人得天地之秀而为万物之灵，是飞潜动植中最为珍贵者。

这是通过家庭网络可以连接到手机、电视、家电等终端机的广泛使用的技术。这些装置基本上可以通过无线路由器连接到网络上。拥有多间卧室的宽带用户，由于终端机离接入点较远，或信号穿透墙壁后严重减弱，在部分卧室边缘无法上网。特别是在大房子或别墅里。当宽带服务通过光纤传送到家中时，如何保证每个房间都覆盖到高质量的网络，是提高用户体验的关键体现。

为了实现Wi-Fi 信号的全屋覆盖并克服穿墙造成的衰减，Wi-Fi 联盟(WFA)定义了一种称为“EasyMesh”的Wi-Fi 网状网络解决方案。在该解决方案中，多个Wi-Fi 接入点形成一个局域网(LAN)。 2021年，IEEE 发布了[IEEE 802.11ax]规范，被WFA 用作一个名为“Wi-Fi 6”的品牌。凭借高达160 MHz 的大带宽和8 个数据流，可实现的最大传输数据速率高达9.6Gbit/s。对于其下一代无线标准[IEEE 802.11be]，预计会有更高的数据速率。

为了形成这样一个具有高连接数据速率的网状网络，需要具有足够容量的回程链路。为了满足这一需求，图1 显示了基于光纤的网络在大户型中作为Wi-Fi 连接回程的典型应用。为了获得最佳信号覆盖，假设每个房间都部署了一个Wi-Fi 接入点，并通过光纤链路回程。住宅网关可以是对进出互联网连接的信息进行分组的中心节点。

图1 ：FTTR 在Wi-Fi 数据回传中的应用

随着未来家庭网络服务的发展，包括高清视频(8k)、增强现实/虚拟现实(AR/VR)或全息图，回程网络可能需要支持高达10Gbit/s 的数据速率。网络还应支持极低时延的信号传输，为云游戏、在线教育等提供最佳体验。此外，随着未来XG-PON 系统或潜在的MGFAST 系统的广泛部署，接入网也正在向10Gbit/s 时代演进。

2.1.2 无缝漫游

Wi-Fi 是家庭网络中最普及的终端用户设备连接技术。为了克服由于墙壁穿透和障碍物阻塞造成的衰减，并实现Wi-Fi 信号的全家庭覆盖，开发了基于多接入点的Wi-Fi 解决方案。

在多接入点的方案下，需要考虑一个重要方面：人们在视频通话、视频会议、玩游戏等过程中想要自由移动，因此终端设备必须在多个接入点之间快速流畅地切换，无需给终端用户带来不便，例如交换时的静止画面、语音中断等。在使用多接入点网络时，无缝漫游能力是评估家庭网络性能的重要指标之一。图2 显示了家庭网络中的多接入点Wi-Fi 解决方案示例。

图2 ：家庭网络中的多接入点Wi-Fi 解决方案示例

接入点之间的漫游实际上是通过根据漫游协议交换一系列消息来实现的。过程消息的丢失可能导致漫游设备停止或重试。使用Wi-Fi 作为回程可能会由于数据包冲突或同一未经许可的频段中的外来网络干扰而导致漫游消息的潜在丢失。为了克服这种影响，有线连接可以为不同接入点或接入点与站点(STA)之间的此类消息的稳健传输提供有保证的通道。

为了进一步提高漫游性能，回程技术可以为此类漫游消息交换提供高优先级信道。这需要Wi-Fi 网络和FTTR 网络之间的良好协调。

2.2 密集公寓楼的宽带部署

在现代城市中，尤其是对于未婚人士和暂时居住在工作地点附近的人来说密集的公寓区很受欢迎。在某些地区，公寓内的房间通常是单独出租的。在这种情况下，每个房间可能没有独立的接入网络，而只有公寓。用户需要共享接入宽带，他们希望为他们的高数据速率网络提供一种方便且具有成本效益的解决方案。

在这种情况下，公寓业主向运营商购买高数据速率连接并在建筑物中构建网络基础设施是正常的。 这种情况与对网络数据速率有很高要求的家庭区域网络非常相似。这种情况下基于光纤的网络的使用情况。公寓楼的其中一层安装了网络终端。可以从那里建立一个基于光纤的基础设施到上层，以传输数据服务。租户可以按月甚至每天支付网络费用。

2.3 智能办公室的网络基础设施

在工业园区中，园区运营商可以建立和维护私有边缘数据中心，其中计算资源在园区内共享。在这种场景下，特别是对于云服务和视频资源共享，校园内的数据传输是高数据速率和延迟敏感的。所以这就需要我们制定对应的方案在应对智能办公室所面对的网络服务问题。

拓扑通常是从数据中心到办公室的点对点拓扑，就像家庭网络一样。需要支持各种类型的网络服务，例如语音，Wi-Fi 数据回传，实时摄像机捕获，同时集成数百个电话会议呼叫和后台网络服务。由于这些不同的网络要求，不同的光纤网络设备可能需要不同的数据速率，这需要支持多个数据速率级别的设备。为此，可以采用如图3 所示的不平衡功率分配器的链式光分配网络，从而简化了光纤的部署。

图3 ：不平衡功率分配器的链式光分配网络

2.4 智能家居的FTTR物联网支持

居民通过与各种智能设备交互并利用具有计算资源的互联网网络来订阅智能家居服务。所有这些网络元素和功能都组织在一起以形成自动化服务。要收集或配置智能设备，通常需要物联网(IoT)集线器。 可集成在住宅网关(RGW)中的IoT 集线器提供与通常由电池供电的智能设备的低功耗通信接口。 在某些情况下，物联网集线器也由电池供电，通过不同的方式访问家庭网络，例如 Wi-Fi、以太网。IoT 中心配置为满足特定服务的要求。例如，智能家居的安全服务可能需要物联网中心在精确的时间间隔内将任何突然生成的警告消息（例如火灾/水/温度警报检测）转发到网络服务器。监控服务（如烹饪过程、睡眠状态等）可能需要定期从智能设备收集数据。因此，连接IoT hub 的网络不仅要考虑低功耗场景，还要考虑特殊智能家居服务的特点。

2.5 家庭网络中的低延迟服务

如今，视频通过各种设备占据了大部分的家庭宽带消费，例如高清电视、智能手机、平板电脑等。一方面，传统视频的分辨率为480P、720P 和1080P，而4K 或者8K 视频由于最终用户的更好体验而变得流行，但另一方面需要更多的带宽。如何让低延迟网络在家庭网络中得到更好的应用，给用户带来更好的观赏体验，是我们急需解决的问题。

云虚拟现实(VR)正在成为家庭网络的新视频供应。Cloud VR 基于云计算技术，VR 内容在云端存储和渲染。通过快速稳定的传输网络，将视频和音频输出经过编码和压缩后传输到用户终端。具体而言，终端用户无需购买昂贵的主机或高端的PC 端即可享受云VR 服务，有助于推动VR 服务的普及。Cloud VR 在不同阶段的典型带宽和端到端（E2E）网络往返时间（RTT）需求如表1 所示。

表1 ：不同阶段的典型带宽和端到端网络往返时间需求

因此，端到端的网络，包括Wi-Fi 连接、基于光纤的家庭网络、接入网络、传输网络和业务处理延迟，都需要小于10ms 的网络往返延迟才能获得云VR 的理想体验质量。众所周知，Wi-Fi 连接使用非授权频谱和基于竞争的机制，这可能会导致相对较大的延迟。基于光纤的家庭网络带来了额外的功能，可用于满足更严格的要求。

2.6 使简单、可扩展和低成本的FTTR光纤部署融入住宅场景

FTTR 参考体系结构是一种新的基于家庭网络的通信技术。在大多数的情况下，纤维基础设施不可用在房子里和新纤维需要部署。FTTR 的设计规范是影响纤维拓扑。公寓和公寓,光纤网络的体系结构通常是星型拓扑（从家庭网关的每一个房间）。每个房间包含一个专用的纤维，与一个完整的通信连接到RGW 分光器。

对于独立的多层房屋，由于上层或下层的部分房间距离家庭网关较远，因此将光纤从家庭网关直接部署到每个房间是非常具有挑战性的。一个典型且简单的部署是利用多级光分路。这需要一根光纤连接到家庭网关，并且需要一根光纤从分光器到每个楼层和每个房间，每层均部署无源分光器。这样就能够使我们的光信号得到充分利用而且不会出现信号衰减的情况，使得用户体验更上一个台阶。

3 FTTR应用策略分析

目前大部分家庭的网络质量仍有待改善，普遍面临传统Wi-Fi 覆盖难、Wi-Fi 带宽不足、千兆带宽达标难等问题。因此，为提升家庭用户的用网体验，FTTR 全光组网突破传统组网以太端口数量的限制，实现灵活扩展组网，目前可支持16 个AP，从而使得Wi-Fi 组网的空间扩大数倍；以光纤替代传统网线，实现全屋光纤组网，FTTR 在应用方面要重点关注以下几个方面的策略。

3.1 基础网络建设进一步提速

在推广FTTR 的进程中，需要运营商、政府、房地产等多个方面的共同协作。对于预安装的市场，运营商和房地产可以在建筑物开发前设置预先设置好的光导纤维网，使光纤进入房间。安装后，安装及维护人员可以实现仓库的光通信网配置。基于FTTR 的应用程序除了超高画质视频服务外，还可以与无线一起使用，这对大规模社区来说是个很大的挑战。因此，我们需要进一步优化和更换室内网络电路和设备，为FTTR 的实现奠定坚实的基础。

3.2 经济效益深入分析与判断

在实现FTTR 全覆盖的进程中，我们不得不面对较高的社区以及室内建设经济成本，对于传统社区，高额的建设成本使得它们对FTTR 接入方式望而生畏。所以下一步就是需要当地政府以及运营商的合作支持，考虑如何在新建小区在建造初期直接将光纤敷设到用户房屋中的每一个房间中，从而降低后期人工敷设成本。另外运营商也需要加大研究力度，寻找成本低、质量好、性价比较高的光纤材料，尽可能降低成本。

3.3 加快构建运营与维护机制

目前在家庭网络市场上，用户常用一个品牌的光猫，但是路由器是另一个品牌，中间的网线路参差不齐。从单一频再到Wi-Fi 6，很多用户在市场上购买路由器结果并不理想。如果通过网络线路连接到家庭网关，实际上可以分为家庭网络和网络运营商的网络。如果网络出现问题，顾客就会向运营商提出投诉。由于运营商不能正确分析和定义错误，因此也被指为路由器错误的罪魁祸首。为了解决这个问题，运营商要建立完善的运营及维护机制，形成统一管理和统一维护的封闭环节。因此，运营商需要加快建立FTTR 专属网络运维机制，确保FTTR 应用的稳定和安全。

3.4 FTTR与5G的融合展望

随着“双5G”网络的推进，“未来社区”的创新应用层出不穷，用户对网络带宽、时延、抖动等要求越来越高。虽然家庭用户的宽带业务带宽普遍较高，但其高带宽容量还远远没有得到充分开发。FTTR、5G 和Wi-Fi 6 的结合可以解决这些问题。通过FTTR 组网方案和全屋光纤组网部署，让千兆体验无处不在，为家庭实现高品质生活奠定基础。在不久的将来，FTTR、Wi-Fi 6、5G 将会成为家庭组网的主流套餐，在酒店、商场、办公楼等应用场景也将成为网络敷设的首要之选。

4 总结

光纤到房间(FTTR)技术基于光纤基础设施的部署。该技术旨在提供有保证的QoS 从而满足所有家庭服务的要求。本论文收集并讨论了有关如何发展技术以供内部使用的用例和相应要求以及对FTTR 的应用策略进行了简要的分析。可以看出，FTTR 技术的发展应在足够的节点数、网络带宽、网络架构、设备类型、网络QoS、网内交换、网络数据方向等方面满足网络需求。