Wi-Fi Multi-AP家庭网络技术发展探讨

        宽带网络是社会经济发展的战略性公共基础设施。从全球范围看，宽带网络推动了新一轮信息化发展浪潮，各国纷纷将发展宽带网络作为战略部署的优先行动领域。固定宽带向F5G（PON/Wi-Fi/400G等）光联万物加速演进，从FTTB到FTTH再到FTTR，甚至将来的FTTM，家庭宽带业务由早期的one Fibre场景，转变为光纤+Wi-Fi组网的one Home整体解决方案。然而，带宽的急剧提升，并没有带来ARPU值的同步增长，2017—2022年中国宽带速率提升了3000%，对应ARPU值却降低了25%；用户满意度也并未随着带宽速率的提升而提高，用户对宽带业务的期望已经从单纯的网速提升转向用户体验QoE（Quality of Experience）的提升，运营商需要增强Wi-Fi体验等来打破带宽/价格的螺旋下降。用户体验QoE涉及的因素，除了带宽，更需要关注时延、可靠性、覆盖、故障排查等指标。

        加强Wi-Fi QoE体验，需要对Wi-Fi进行更深层次的整体管理，确保整个家庭网络超吉比特能力覆盖到每个房间。为此，在标准和应用领域，业界如IEEE、ITU、CCSA、信通院等组织，基于FTTR+Wi-Fi Multi-AP家庭网络架构，设计和讨论了多种方案，家庭Wi-Fi网络逐渐向“可管理的Wi-Fi网络”演进。

FTTR+Wi-Fi全光多AP组网

        家庭全光多AP组网天然适合多AP集中式控制，分布式AP协同管理，达到优化Wi-Fi组网的目的。

        信通院《FTTR光纤到房间白皮书2022》提到全光组网C-WAN（centralized/cloud wireless-optical access Network）架构，主要解决的问题是家庭组网技术间缺乏有效协同，空口无序竞争严重，难以满足用户在新兴业务体验上的需求。整体设计思路是由主设备进行信息搜集和决策，对光和Wi-Fi传输进行中心化一张网控制，实现光链路和空口链路资源的统一协同配置。主设备对从设备进行实时控制，确保FTTR网络内 Wi-Fi空口的有序协同（空口Wi-Fi由CSMA到C-WAN管控）、动态链路管理（基于AI的自智链路管理）、漫游控制（无感切换技术），从而达到空口性能最大化等目标，提升客户QoE体验。

        ITU FTTR（G.fin） 定义的C-WAN架构，如图1所示，主要目标是优化时延敏感业务、通信实时调优、无缝漫游；通过定义特定优先级的信息通道，保障通道信息低延时传输；对于空口协同等要求极高的场景，信令往返延时应小于120µs。

        CCSA FTTR DLL草案中，针对多AP的Wi-Fi管理，定义了无线管理控制通道（Wi-Fi management and control channel，WMCC）和Wi-Fi管理控制接口（Wi-Fi management and control interface，WMCI）。WMCC承载WMCI协议的消息，为Wi-Fi管理功能提供管理接口，主要完成多AP空口调度（时域、频域及空域）、漫游控制、节能控制。

        可以看到，C-WAN的主要目的是对分布在各个设备的Wi-Fi网络资源（空口时间、信道/宽度、空间SR BSS Color/发射功率）进行集中管理、配置、控制。控制的内容包括QoS映射、空口调度、STA漫游、节能等，以达到提升用户QoE的目的。

IEEE Wi-Fi 8多AP方案

        而在IEEE的议程里，同样针对家庭多AP场景优化进行了较多的方案探讨。在Wi-Fi 7 802.11be标准原计划中的R2中，就开始探讨多AP协同方案，但受限于方案难度、标准进度、芯片研发商用等因素，将Multi-AP的功能后推到Wi-Fi 8 802.11bn UHR（Ultra High Reliability）规范中。Multi-AP可能涉及的方案包括C-OFDMA、C-Beamforming、C-Spatial Resuse、Joint transmission、Seamless Roaming等（见图2）。

        - C-OFDMA：Multi APs在同步了各自资源情况的前提下，不同的AP可以用相同或不同的RU同时给它所关联的STA传输数据。仿真显示，该功能在中大型网络中对系统整体容量颇有收益。

        - C-Beamforming：当AP与关联的STA通过Beamforming实现定向传输时，该AP还将其对特定相邻STA的干扰设为零，这种方法避免了临近AP之间的相互干扰。但实现该方案AP需要获得邻居AP关联STA的CSI信息，这一点具有挑战性。

        - C-Spatial Resuse（CSR）：CSR是最简单的一种协调多AP机制，当BSS间干扰较弱但信道状态感知为忙时可以使用。为了保证所有STA具有足够的信噪比，APs通过协作控制TX功率来削弱干扰。CSR只要较少量的AP间协作信息即可实现。

        - Joint transmission：通过创建一个动态分布式MU-MIMO系统，Joint transmission允许多个AP为同一个STA服务。该系统在多个AP上联合运行。实验已证明，在下行链路中联合传输和接收的收益最高。

        - Seamless Roaming：希望在不增加额外协商开销的情况下，在STA和一组合作AP之间无缝交换帧。为此，应与集中的所有AP完成认证和关联过程。

        上述Multi-AP之间所需的同步级别要求有所不同，CSR可以在粗糙的帧级同步下运行，CBF和Co-OFDMA需要符号级同步；而JTR需要紧密的时间和相位同步，这意味着需要高可靠性、低时延的回传链路，如光纤FTTR等，该方法的实现最为困难。

        针对Multi-AP架构无缝漫游技术，在Wi-Fi 8规范讨论过程中，目前存在两种主流架构方案：非并置UHR AP MLD架构和具有Virtual-MLD的UHR AP MLD架构。

        相较于802.11be的MLD架构，非并置UHR AP MLD架构新增了UHR UMAC实体用于提供有关UHR MAC层级的功能服务。该架构在解决了一部分漫游等技术问题时也引入了复杂性。在某些场景下非并置UHR AP MLD架构可能会导致额外的延迟以及基础设施和芯片组的高度复杂性。

        具有Virtual-MLD的UHR AP MLD架构对现有的EHT AP MLD架构改动最小。但是由于缺少类似于UHR AP MLD UMAC的统一管理实体，在漫游、多AP协作等技术中可能需要AP间大量的通信（用于传输漫游需要的上下文）。

        全屋网络带宽超吉比特时代，家庭网络建网围绕着用户体验为中心精耕细作。FTTR全光底座与Wi-Fi覆盖深度融合，速率、时延、并发、可靠成为Wi-Fi技术发展的重点发展领域。FTTR+Wi-Fi、Wi-Fi 8、AI等新技术的加入，将促进家庭网络成为运营商可管可控、可运营的智能网络。