截至2022年第三季度，中国移动家庭宽带用户达到2.38亿户，前三季度净增1966万户，用户规模持续保持行业领先。家宽室内网络质量是影响用户上网感知的关键因素，解决“最后十米”的室内质量问题是中国移动家宽领域的重要工作之一。
本文对家宽室内网络质量保证的技术和方案进行了详细讨论。首先，分析了家宽室内网络质量的现状，总结引发家宽室内网络质量问题的光纤、网关、路由器、Wi-Fi、用户操作等各类因素。其次，介绍以Wi-Fi 6、FTTR（Fiber To The Room，光纤到房间）为标志的室内网络覆盖新技术。最后，介绍基于“极目云智（软探针）”系统的家宽室内网络质量优化解决方案。该方案已在现网落地应用，支撑现网生产运营。
家宽室内网络质量问题分析
在光纤入户的过程中，受光传输距离、分光与连接器件损耗、光纤弯折等原因影响，网关接收到的光功率可能偏低、误码率偏高，造成上层业务传输的丢包率提升，速率下降。
而老旧网关的硬件性能普遍偏低，容易出现CPU和内存使用率过高、设备发烫等问题，导致网关异常重启、死机。老旧网关普遍不支持千兆网速，部分老旧网关还因为芯片老旧等问题，导致网络连接实际速率值距离理论值差距较大，进一步限制了提升用户上网体验的可能性。目前，现网使用3年及以上的老旧智能家庭网关还占有一定比例，有待替换。
2.4GHz频段是ISM（工科医）频段，作为无线局域网、无线接入系统、蓝牙系统、点对点或点对多点扩频通信系统等无线电台站共用频段，频率资源少，带宽有限。目前，现网支持2.4GHz Wi-Fi频段的网关还有一定占比，同频/邻频干扰问题较为突出。
部分网关因为软件Bug、硬件性能不足等原因，会出现PPPOE连接频繁掉线、网关频繁重启的问题，造成用户上网经常中断。在PPPoE连接被动中断后（例如上联传输链路中断），各网关厂家对于WAN口检测并重新进行PPPoE拨号的实现标准不一致。某些厂家网关每20秒检测一次，30次检测不到才进行重新拨号，导致网关被动下线后需要10分钟才能自动发起PPPoE重播，严重影响用户体验。
越来越多用户的家庭网关配置下挂路由器（以下简称“路由器”）。在这些路由器中，有相当一部分仅支持百兆WAN口，或（和）仅只支持Wi-Fi 4(802.11b/g/n)。
部分厂家的路由器还存在WAN口或Wi-Fi协议中仅一项支持千兆网速，成为“伪千兆”路由器。此外，路由器通过网线连接网关，而用户使用的网线基本是五类或超五类线，其寿命短、抗干扰能力弱，多数仅支持百兆速率。上述路由器、网线均无法满足后续千兆及超千兆网络的演进要求。部分路由器因为产品质量有问题而频繁重启，严重影响用户体验。
Wi-Fi是室内主要的无线覆盖方式，但很多家庭网关放置在用户门口的弱电箱内。受限于弱电箱位置、盖板材质及复杂户型，Wi-Fi信号不足以覆盖全部室内区域。终端设备距离Wi-Fi接入点越远，中间的障碍物越多，信号强度损耗就越大，有可能导致连接不稳定并发生数据丢包。
对于室内多个Wi-Fi设备组网的情况，往往还因信道设置不合理而出现同频、邻频干扰问题，进一步降低Wi-Fi速率。
部分用户在将路由器连接至网关时，因为缺乏专业经验，可能将路由器连接到网关的非千兆网口，或者没有插紧网线，造成网口松动。在这些情况下，即使用户开通了千兆业务或使用了千兆路由器，也无法获得稳定的千兆服务，还给运营商处理故障带来挑战。
部分用户家庭内连接Wi-Fi的设备过多（超过20个）或多个应用同时高速下载文件，也会造成Wi-Fi信道冲突严重，Wi-Fi连接不稳定。
部分用户使用的终端较为老旧，仅支持单频Wi-Fi 2.4GHz频段或较老的Wi-Fi协议，因此也无法获得稳定、快速的上网体验。
提高室内网络质量的新技术
4K/8K高清视频、AR/VR、在线教育和家庭办公等高带宽、低时延业务正逐步成为家庭用户的刚需。这对家宽网络，特别是家宽室内网络的质量提出了更高的要求。现有的基于FTTH（Fiber To The House，光纤到户）技术的家宽室内网络，已难以满足上述要求。而Wi-Fi 6和FTTR技术能较好满足上述业务要求，应尽早大规模部署。
Wi-Fi 6
2019年，Wi-Fi联盟将802.11ax技术命名为Wi-Fi 6，并将前期的802.11ax、802.11n技术分别命名为Wi-Fi 5和Wi-Fi 4。
Wi-Fi 6引入了OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 正交频分多址）、MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output, 多用户多入多出技术）、1024QAM（Quadrature Amplitude Modulation, 正交振幅调制）等新技术，理论最高下载速率可以达到9.6Gbit/s。相比当前业界使用最广泛的Wi-Fi 4、Wi-Fi 5技术，具有更高的传输速率、更大的并发能力、更低的业务时延、更广的覆盖范围和更小的终端功耗。
FTTR技术
FTTR是指在FTTH基础上，在家庭部署全光网关与子设备，通过PON技术实现光纤通信覆盖到用户房间。
FTTR主网关是FTTR网络的核心，向上连接OLT提供光纤入户，向下提供光口连接多个FTTR从网关。FTTR从网关通过Wi-Fi和以太网接口与终端设备进行通信，提供桥接功能将终端设备的数据转发到主网关，接受FTTR主网关的管理和控制。FTTR组网如图所示。
图 FTTR组网示意
相比网线组网、电力线组网、无线组网等传统方式，FTTR网络有如下优势。
一是组网设备性能更好、带宽更高。主网关与从网关之间使用光纤连接，能真正将千兆带宽延伸到用户的每个房间，全方面提升用户家庭网络品质。FTTR网络在传输带宽与稳定性上更有优势。
二是Wi-Fi覆盖更好、质量更高。Wi-Fi 6是FTTR网关的标准配置，并且主网关和从网关都可以提供Wi-Fi连接，有效提高Wi-Fi组网的稳定性和信号覆盖强度。
2020年2月ETSI发布F5G标准后，FTTR全光家庭宽带发展进入了“快车道”。2022年7月工信部发布的141号建议（工信建议〔2022〕141号）也明确指出，推进基础电信企业加快光纤到房间商用步伐，推动光纤进一步向用户端延伸。
家宽室内网络质量监测方案
基于“极目云智（软探针）”系统的质量监测方案
中国移动研发“极目云智（软探针）”系统，包含智能网关、机顶盒等终端设备上的软探针插件和软探针平台。软探针作为室内网络质量监控最重要的工具，预置在中国移动的所有智能家庭网关内，采集最贴近用户真实感知的家宽业务与网络质量数据。
软探针平台基于全网软探针数据，使用大数据、人工智能技术，分析终端质量、室内网络拓扑与质量、端侧业务体验、端到端业务感知等关键指标，支撑业务与网络质量实时评测、用户感知分析、故障诊断、质差整治、投诉预处理、一线装维等应用，为家宽业务品质提升和智慧运营提供重要抓手。“极目云智（软探针）”系统具有安全性高、成本低、部署快等特点，易于大规模推广。
以下为“极目云智（软探针）”系统进行家宽室内网络质量监测的技术方案。
家宽上网慢用户识别
时延是衡量网络、业务服务质量的关键指标，直接影响用户的上网感知。
以用户经常使用的基于TCP/IP协议的网络服务为例，上网全流程包含DNS查询、TCP 3次握手建立连接、服务器与终端间交换数据、TCP 4次挥手断开连接。前3个阶段的时延对用户感知有影响。
智能家庭网关位于室内网络与室外网络的交界处，部署在其上的软探针能直接获取室内、室外、端到端网络的关键质量指标。分析关键质量指标的分布特点，可以判断用户的室内、室外网络质量是否异常，是否是质差。随着网关硬件性能的提升，软探针将采集更多的关键指标，更加实时、精准地发现室内网络质量异常。
家宽室内问题定位
基于软探针采集的指标，根据相关规则分析，可以推测问题所处位置、质差原因。
一是弱光定位。根据“接收光功率”指标，如低于阈值的时间过长或次数过多，则判定为“弱光”故障。
二是质差网关定位。针对网关普遍存在的质量问题，选取如下指标作为判断质差网关的依据。
CPU/内存使用率：统计网关CPU峰值利用率大于设定阈值的时长比例，以及网关内存峰值利用率大于设定值的时长比例。如果比例大于50%，识别为质差网关。
网关重启次数：统计网关单日重启次数。如果大于阈值，识别为质差网关。
PPPoE认证失败次数：根据“上次PPPOE拨号失败原因”判断PPPoE认证是否失败。如果单日PPPoE认证失败次数大于阈值，识别为质差网关。
PPPoE连接掉线次数：计算PPPoE在线时长，并判定其是否为异常掉线。如果单日异常掉线次数超过阈值，识别为质差网关。
WAN口速率：统计网关的“下载速率”，并与系统中该网关的签约带宽速率比较。如果前者比后者小，则表示WAN口速率不匹配，识别为质差网关。
三是下挂质差路由器，以及网关与下挂路由器的连接故障定位。根据下挂路由器的生产厂家、设备型号、MAC地址、网关的下挂端口号、LAN口协商速率、掉线次数等信息，可判断下挂路由器是否插在网关的百兆LAN口，或路由器上行连接网关的网线是否为百兆线，以及下挂路由器是否质差。下挂路由器质差的特征包括单频2.4GHz、路由器只有百兆口、频繁掉线等。
四是用户操作与用户终端问题的定位。通过采集的“下挂设备数量、生产厂家、设备型号、MAC、WLAN接入类型”等指标，可发现下挂终端数量过多、用户终端仅连接2.4GHz频段或者用户终端为单频2.4GHz等问题。
五是基于AI和知识图谱等技术的质差定位。基于探针采集的数据，对家庭用户进行数据聚类模式分析，通过人工智能（如概率图、神经网络等算法），将不同的家庭网络拓扑（如有无第三方路由器、智能组网）、家庭设备类型及Wi-Fi性能等因素对业务质量影响进行建模，形成家庭内网质差定位模型。导入专家经验和排障实例，运用知识图谱等技术，形成装维专家规则库。基于采集的家庭网络用户画像数据，利用装维专家规则库推理家庭内网质差的可能原因并提出改善建议，逐步提升家庭网络质差智能分析能力。
基于DPI技术的业务质量感知方案
从2021年起，部分网络设备厂商推出在接入网网元（OLT/BRAS）上，将网络流量以镜像方式接入DPI设备的解决方案。该方案可随流识别并分析业务的时延、抖动、丢包等相关网络指标，推测用户的业务感知，识别家宽质差用户。
此方案能获取室内网络时延的近似值，部分实现对室内网络质量的监控，但其无法进一步获取室内网络的其他质量数据。
总结与展望
家庭网络内网质量受家庭室内网络布局、用户设备、用户终端等因素的影响，因此发现家庭网络的质差并进行定位，是现网较难处理的问题。本文主要介绍“极目云智（软探针）”系统对家庭网络内网质量进行评估和质差定位的技术方案。随着新技术的不断引入，后续将在如下几方面开展探索，以有效提高家庭网络质量。
一是持续提升软探针数据采集能力。研究在不影响用户上网体验的前提下，不断增强网关随流检测与分析能力，实现对业务感知更细致、更实时的监控。
二是持续探索大数据、人工智能技术在家宽室内网络质量提升领域的应用。中国移动致力于推动网络运维工作的数智化转型升级，计划于2025年将网络运维自治水平提升至L4水平。通过引入AI、知识图谱等技术，基于软探针采集的家庭室内网络数据，可以更及时、有效地发现质差网络。
三是推动FTTR和Wi-Fi 6技术的现网应用，并同步在FTTR从网关部署软探针插件。推广FTTR和Wi-Fi 6技术的应用，打牢家宽网络质量底座。现有从网关中还未部署软探针，主网关中的软探针需要通过主从网关协议接口来读取从网关相关质量数据。可考虑在从网关中部署软探针，从而更准确、更全面地收集质量数据。
*本文刊载于《通信世界》
总第916期 2023年3月25日 第6期
原文标题：《家宽室内网络质量问题研究》
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作者：中国移动研究院
吴博 李连源 李建坤 陈心昕 王静
责编/版式：王禹蓉
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监制：刘启诚
