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专题丨FTTR场景下空间复用与速率联合优化

信息通信技术与政策

2023-11-08

导读：刘剑钊，葛晓虎，郑艳烈，罗文毅

作者简介

刘剑钊

华中科技大学电子信息与通信学院硕士研究生在读，主要研究方向为无线通信等。

葛晓虎

华中科技大学电子信息与通信学院教授，主要研究方向为移动通信、信息热力学、绿色通信等。

郑艳烈

烽火通信科技股份有限公司宽带业务产出线研发部副总经理，主要研究方向为超高速低时延确定性光接入系统、综合接入终端等。

罗文毅

烽火通信科技股份有限公司宽带业务产出线宽带接入产品线总监，主要研究方向为超高速低时延确定性光接入系统、自智网络与AI应用等。

论文引用格式：

刘剑钊, 葛晓虎, 郑艳烈, 等. FTTR场景下空间复用与速率联合优化[J]. 信息通信技术与政策, 2023, 49(10): 16-22.

FTTR场景下空间复用与速率联合优化

刘剑钊¹ 葛晓虎¹ 郑艳烈² 罗文毅²

（1.华中科技大学电子信息与通信学院，武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，武汉 430000）

摘要：随着网络技术的飞速发展，用户对家庭场景内网络体验的要求日益增加。FTTR能够在一定程度上解决无线网络连接不稳定的问题。在FTTR架构基础上，介绍了集中式光无线网接入架构，探讨了下一代Wi-Fi协同空间复用技术与速率控制的主要原理，并对当前面临的挑战以及未来的研究方向进行了分析和展望。

关键词：FTTR；集中式光无线网接入架构；协同空间复用

0 引言

随着网络技术的飞速发展，视频直播、远程办公、扩展现实、全息互动等互联网应用不断涌现，在给人们带来丰富多彩的数字化生活的同时，也对家庭网络提出了更高的要求。目前，家庭内使用的终端大多是通过Wi-Fi接入互联网的手机、平板电脑、笔记本等移动设备，因此Wi-Fi的网络质量在很大程度上决定了用户体验^[1]。由于发射功率的限制和障碍物对信号的衰减，单个Wi-Fi接入点（Access Point，AP）不足以覆盖大户型住房的所有房间。当终端距离AP较远或信号连续穿墙时，容易出现无线连接不稳定、用户体验较差的情况。为了解决这一问题，现已提出了多种AP组网方案，如网线组网、电力组网和无线组网等^[2]。欧洲电信标准化协会第五代固定网络行业规范工作组提出了基于光纤的家庭网络解决方案——光纤到房间（Fiber To The Room，FTTR）^[3]。

FTTR是一种基于光纤通信的网络架构，通过将光纤延伸到用户房间内的无线接入点，提供高速、稳定的网络连接^[4]。虽然FTTR组网为主、从设备提供了稳定的光纤链路，但在设备端的无线链路也会存在和传统组网方式类似的问题，即在每个房间内部署AP会导致网络环境更加密集，增加设备间的竞争和干扰。因此,需要通过光与Wi-Fi的协同机制来减少AP间的干扰，提升网络性能。本文介绍了一种新颖的集中式无线光接入网架构（Centralized Wireless-optical Access Network，C-WAN），并结合下一代Wi-Fi多AP协同技术对FTTR架构中协同空间复用技术以及速率控制算法进行了研究。

1 FTTR技术及架构

1.1 FTTR基本架构

FTTR技术方案通过光纤进行家庭组网，由主网关、光路由、光网络、网络管理平台4部分组成^[5]。在关键位置部署FTTR主网关，以主网关为核心，上行连接光线路终端，下行通过光纤、分光器连接多个从光路由，光路由支持千兆Wi-Fi和以太网口。网络管理平台负责采集家庭网络信息并汇总整理上报，从而全面实现对家庭千兆网络的运维管理。FTTR基本架构如图1所示。

图1 FTTR基本架构

1.2 C-WAN架构

在FTTR基本架构中，光纤信号通过光模块转换为无线信号，由AP进行信号发送，用户可以在房间内使用设备（如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等）无线接入网络。但与此同时，在家庭内部署多个设备会导致网络场景密集，空口无序竞争严重，因此可采用C-WAN架构进行AP间协同控制，C-WAN架构的核心是由主设备进行信息搜集和决策，对光和Wi-Fi传输进行中心化控制，实现光链路和无线链路的资源协同配置^[6]。

通过C-WAN架构能够更好地应用FTTR协同控制技术，完成主、从设备在时间、频率、空间等维度的协同资源调度。C-WAN协同架构如图2所示，中心化控制器位于主设备内，实时搜集各从设备的网络状态信息，生成合理的调度策略。FTTR通过光纤提供低时延的通信通道，保障及时的信息搜集上报和决策下发，从设备进行参数配置。本质上FTTR架构下的协同控制和传统组网架构类似，即通过对各设备合理分配资源来降低彼此间的干扰，最大化系统整体性能。

图2 C-WAN协同架构

2 下一代Wi-Fi多AP协同技术

IEEE 802.11be（Wi-Fi 7）作为下一代Wi-Fi协议，为了满足Wi-Fi传输速率指数级增长的需求，已将多AP协同作为其重要技术之一^[7]，它可以在密集部署场景下提高吞吐量和时延等性能。该技术允许一组相邻AP组成一个多AP系统，通过彼此间的协同在多个AP之间共享信息，从全局角度进行资源分配和干扰协同，将有助于共享时间、频率和空间资源，实现更多的并发传输并提升网络性能。

IEEE 802.11be任务组讨论了协同正交频分多址（Coordinated-Orthogonal Frequency Division Multiple Access，C-OFDMA）、协同波束形成（Coordinated-Beamforming，C-BF）、协同空间复用（Coordinated-Spatial Reuse，C-SR）和联合传输（Coordinated-Joint Transmission，C-JT）等方案^[8]，具体内容如下。

C-OFDMA支持协作的AP同时进行数据传输，将频域划分给不同AP共享使用，既可以减少AP间的冲突概率并降低干扰，也可以提高频谱资源的利用效率，提升系统整体性能。

C-BF指AP利用多天线技术特点，通过合理设置转向矩阵将空间零辐射位置对准其他基本服务集（Basic Service Set，BSS）中的非关联用户以降低干扰，使得BSS间可以使用相同的时频资源。

C-SR指根据干扰情况调整AP的发送功率或载波监听阈值，通过降低AP的发送功率和提高载波监听阈值来限制其通信范围，进而减小该AP的干扰，确保整体性能最大化。

C-JT通过将干扰AP变为协作AP，多个AP使用相同的时频资源同时向同一用户发送信息，用户能接收到更多的有用信号，需要获取用户的数据信息和信道信息。

在WLAN网络中的多AP协同传输模式可分为两类：若一个用户的数据只来自于一个AP，则将该模式称为协调传输模式，包含C-OFDMA、C-BF和C-SR；若一个用户的数据可以来自多个AP，则将该模式称为C-JT。

各传输模式的复杂度和增益如表1所示（本文主要关注C-SR方案）。

表1 不同传输模式复杂度与增益

3 C-SR与速率联合优化

空间复用指的是增加同一时间内网络中可并发传输的数量，以优化网络整体性能。虽然增加并发传输的数量有助于增加网络容量，但是任意增加数量也会产生相反的效果。这是因为无线媒介本质上是在节点之间共享，并发传输的信号可能会被接收器视为干扰。随着发射功率的降低或载波检测阈值的增加，信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）会由于接收到的信号强度变小或干扰水平增加而降低。因此，接收器可能无法正确解码信号，并且每次传输所维持的数据速率可能降低。这意味着在空间复用水平和数据传输速率之间存在权衡。在家庭密集网络场景中，合理的空间复用水平显得尤为重要，空间复用水平过高或过低都有可能导致用户体验变差。图3为C-SR示意图。

图3 C-SR示意图

IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）^[9]提出了基本服务集颜色（BSS Color）区分BSS集，允许调整传输功率和重叠服务集载波监听阈值来提升密集场景中的网络性能。但目前的空间复用技术仍然存在一些问题，它只作用于单个设备或BSS集，在提升某一设备性能时会对多BSS网络内的其他设备造成干扰，影响网络整体性能。针对此问题，IEEE 802.11be提出了多AP协同空间复用技术，通过AP间的协作调节多个AP的功率及载波监听阈值进行并发传输，使空间复用的范围不仅仅作用在单个BSS而是整个网络，进而提升系统整体的吞吐量，同时也保证各节点数据传输的公平性。

尽管最新的Wi-Fi协议具有改善空间重用的潜力，但在信道条件复杂的无线环境中找到最优的传输功率和载波监听阈值参数仍是一个复杂的问题。由空间复用特性的基本工作原理可知，其效率在很大程度上取决于AP如何根据信道条件选择合适的发送速率^[10]，当信道质量较差时使用过大的传输速率可能导致数据传输错误和失真，而当信道质量良好时选择较小的传输速率则会导致信道资源的浪费。IEEE 802.11协议并没有规定标准的速率控制算法，虽然有很多文献为传统Wi-Fi网络开发了速率控制算法^[11-12]，但它们都假设了固定的传输功率和载波监听阈值，不能正确地执行最新的空间复用特性。空间复用的现有文献大多也都没有考虑到速率的影响^[13-14]。新的空间重用特征与流行的速率控制算法同时应用在某些场景下甚至提供负增益^[15]。因此，如何将空间复用与速率控制算法相结合对FTTR密集网络场景下的性能提升尤为重要。

3.1 信道模型

在实际环境中，无线电信号会受到多种因素的影响而衰减，包括路径损耗、信号反射和障碍物^[15]。本文只考虑路径损耗造成的信号衰减，接收功率Pr可表示为：

其中，Pt为发射器的发射功率，G为信道增益，假设各链路信道增益均为1，L为发射器和接收器之间的距离，θ为路径损耗指数。

对于一个典型的通信链路，接收器能否正确接收来自发射器的信息取决于SINR的值。将数据速率r[i]与SINR阈值β[i]联系起来，如果接收到的SINR值超过对应的β[i]，接收器就能正确接收r[i]速率下的信号，即：

其中，N为噪声功率，I为干扰功率，K为干扰节点数，Pk为干扰节点k的发射功率，Lk为干扰节点k到目标接收器的距离。

干扰范围定义为任何节点一旦发送数据，接收器就会受到干扰的范围。在这种情况下，接收到的信噪比低于信噪比阈值β，当干扰节点发射功率为PI时，干扰范围DI表示为：

载波监听范围指的是在该范围内任何节点一旦发送数据，就会被潜在的发送方检测到信道繁忙。此时，信道上检测到的能量超过预定义的载波感知阈值Tcs，载波监听范围仅与Pt和Tcs的比值有关，可将载波监听范围Dcs表示为：

当发送器TX向接收器RX发送信息时，处于载波监听范围之外的节点也可以同时进行数据发送，这些并发传输节点会对TX的传输活动产生干扰，增加接收方RX感知到的干扰水平。

3.2 吞吐量模型

吞吐量是衡量网络性能的重要指标，定义为单位时间内接收到的数据量，某一设备i的吞吐量Si可表示为：

其中，E(P)为平均数据包长度，tv为发送一个数据包所需要的时间。

结合Bianchi^[16]和Cali^[17]的模型对多AP场景下用户吞吐量进行建模求解设备发包概率，并引入虚拟时隙的定义，虚拟时隙定义为系统两次成功发包的间隔时间，其中包含了信道空闲、碰撞重传、成功发包三种情况。假设一次成功传输前经历了n个时隙，其中m个时隙空闲，n-m个时隙碰撞，平均虚拟时隙tv可表示为：

其中，pI为信道空闲概率，pC为碰撞概率，pS为成功发包概率，TI为时隙大小，TC为碰撞持续时间，TS为成功发包需要的时间。

公式（7）中的空闲、碰撞、成功发包概率可根据分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）机制以及信道模型进行建模求解，而时间的计算又与数据传输速率息息相关。因此，吞吐量可以表示为与发射功率、载波监听阈值、传输速率相关的函数，C-SR和速率控制联合优化的最终目标为在满足一定约束条件下最大化系统整体吞吐量，并求解该情况下最优参数配置。

公式（8）只是一个基本的理论模型，如何在考虑多个信道参数的情况下对吞吐量进行准确建模仍需进一步深入研究。

4 结束语

联合优化涉及到多个用户或设备之间的协作和博弈，需要设置合理的模型来调整多个参数。由于无线通信系统的复杂性，联合优化算法变得非常复杂，需要大量的计算资源。同时，也需要各个节点之间进行协调和信息交互，这些额外的信息传输增加了网络开销和时延。由于无线通信环境的不稳定性，网络拓扑结构和信道情况也可能随时发生变化。因此，联合优化需要具备实时性和动态性，能够快速适应不断变化的通信环境。

在不同的网络结构中，根据信道条件动态调整发射功率、载波监听阈值和速率等各项参数仍然具有挑战。除了使网络吞吐量最大化之外，也需要平衡各用户之间的公平性，确保不会让某一用户始终处于饥饿状态。同时，在可持续发展战略的驱动下，系统能耗也是需要考虑的问题。因此，如何在联合优化策略中平衡整体吞吐量、用户公平性以及整体能耗是一个值得深入研究的问题。

传统基于分析模型的联合优化方法需要大量关于无线网络的知识（包括网络拓扑、流量、传播模型、参数等），通过模型很难全面地考虑到无线网络中的各种因素，并且在实际场景中通常无法准确地获取SINR值，难以对网络性能进行准确的评估和分析。目前，大多数协同策略是数据驱动的，这些策略在结构上具有自适应性，能够寻找可改善无线信道的参数配置，进而提高无线局域网性能。随着人工智能技术的发展，机器学习的方法被广泛采用来解决参数配置的问题^[18-20]，但是目前对联合空间复用和速率控制算法的研究还相对有限，大多数研究只针对单一参数进行优化。

未来，可以将空间复用与速率控制算法联合考虑，结合博弈论等方法解决不同节点之间的协作和竞争问题，以实现更好的资源分配和干扰管理。通过采用人工智能的方法或者建立更准确的分析模型来求解最优的信道参数，为无线通信系统提供更智能、更高效的解决方案，为用户提供更卓越的网络体验。

Joint optimization on spatial reuse and rate in FTTR scenarios

LIU Jianzhao¹, GE Xiaohu¹, ZHENG Yanlie², LUO Wenyi²

(1. School of Electronic Information and Communications, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. FiberHome Telecommunication Technologies Co.,Ltd., Wuhan 430000, China)

Abstract: With the rapid development of network technology, users have higher requirements for their home network. Fiber to the room (FTTR) can solve the problem of an unstable wireless network. Based on the FTTR architecture, a centralized wireless-optical access network is introduced. Then, the main principles of coordinated spatial reuse technology and rate adaption for the next generation of Wi-Fi are discussed. Finally, the current challenges and future research directions are analyzed and prospected.

Keywords：FTTR; centralized wireless-optical access network; coordinated spatial reuse

本文刊于《信息通信技术与政策》2023年第10期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。