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摘要

无线接入网致密化带来的挑战，正促使业界探索更高效、更具可扩展性的网络架构。我们审视了这一方向上的最新进展——该方向致力于超越单纯的"无线与光融合"（convergence），迈向完全的"无线-光融合"（confluence）。

1. 引言

图 1：无线-光融合网络模型，无线接入点（RU/DU）与城域网节点（ROADM）之间通过光纤与无线链路相连。

计算能力、网络容量和数据存储的进步，催生了人工智能、大数据分析和云计算等带宽密集型应用。这些应用进一步推动了两方面的流量增长：一是起源于接入网的全球互联网流量的持续增长，二是数据中心之间（最近还包括边缘计算设施）流量的不断增加[3]。随着5G网络的广泛部署，以及旨在支持更严苛移动用例的6G规范的涌现，作为从城域边缘到核心网骨干基础设施的光网络，为满足这些需求提供了获取增强性能的潜在空间。

虽然光技术提供了高容量和低时延，但在网络边缘的大部分区域使用光技术成本高昂且效率低下——这些区域流量呈现突发特性，且接入点难以通过光纤抵达。最近提出的一种方法是：利用光技术与无线技术更紧密的融合，以实现动态、高效运营的新模式。

融合传输（Confluent transmission）[6]考虑跨不同传输技术的无缝互操作与协同运行，将例如无线固定无线（RFW）——包括毫米波和亚太赫兹（sub-THz）/太赫兹（THz）频段——自由空间光（FSO）以及柔性栅格波分复用（Flex-WDM）光纤链路，组合在如图1所示的同一端到端基础设施中。无线链路的使用使网络能够覆盖更高密度的接入点，并推动城域核心网状网络一直扩展到边缘接入点。这可以通过无源光网络（PON）基础设施，或通过自适应可重构光分插复用器（ROADM）或其他新型波长交换技术来实现[7]。

致密化面临的挑战是这些系统的成本与能耗敏感性。融合方法因而具有两方面吸引力：其一，整合有线与无线基础设施，避免重复系统和系统间切换；其二，允许在整个网状网络上实现通用的高速控制与适配，以支持针对不断变化流量模式的更高效率。理解减少重复所带来的潜在影响，需要从移动网络部署的角度考量致密化成本。其收益还可以从光纤网络及其向边缘提供容量和低时延的能力方面来评估。利用网状网络减少网络跳数，可提供更低的时延、增加的容量（减少阻塞）以及增强的弹性。此外，该基础设施需要在每条光纤和无线链路上传输波长复用的前传、中传和回传信号组合。特别是，模拟光载无线（ARoF）信号的使用可实现更高的频谱效率并简化无线单元。因此，理解模拟光载无线信号与数字相干光（DCO）信号复用时的传输特性至关重要。最终，这些传输特性需要在融合网状网络的传输设计中予以考虑。

本文中，我们分析了近期在理解与利用无线-光融合构建边缘和城域网状网络相关的性能和成本方面所取得的进展。特别地，我们描述了近期的研究——这些研究考量了FSO和太赫兹连接相对于光纤连接，以支撑未来6G网络。这些结果指出了关键的成本与性能权衡阈值，并展示了无线与光纤组合在支撑高密度无线接入方面的潜在成本效益。此外，我们展示了近期在城域边缘和接入网络中关于ARoF与DCO信号的工作。新兴的复用架构使这些异构信号能够高效共享同一光纤基础设施，从而在保持信号完整性的同时最大化频谱利用率。我们还审视了在考量模拟与数字信号波长复用约束时，边缘网状连接所带来的益处。结果表明，只需少量边缘网状链路，到处理位置的平均跳数即可显著减少，从而产生网状网络收益。此类进展进一步强化了集成无线-光传输解决方案的可行性，支撑未来6G网络可扩展、灵活且高性价比的部署。

2. 光纤与无线网状网络

在考量这一新型融合网络范式时，我们采用图1所示的边缘网络设计。无线接入网（RAN）部分为集中式，在一个或多个城域数据中心/边缘云节点进行处理。模拟和数字光载无线信号均从无线接入点（RU）传输到集中式无线处理单元（CU）或分布式无线处理单元（DU）。承载数字回传和数字化的前传信号的同一网络，也支持模拟光载无线信号的前传传输。边缘云节点执行无线和应用数据处理。请注意，FSO和亚太赫兹链路形成于RU之间和/或城域ROADM节点之间。

并行FSO与无线链路的组合，特别是在毫米波或亚太赫兹/太赫兹信号的情况下，已被较为详细地研究，并被证明由于对某些天气条件的互补容忍度而提供弹性收益。在近期工作中，FSO与亚太赫兹链路的组合在6G接入网的背景下得到研究[5]，其中评估了网络设备部署对网络可靠性和部署成本的影响。该前期工作探索了点对点（P2P）和点对多点（P2MP）接入网的动态资源分配与按需网络连接。关键发现为设备供应商和网络运营商基于混合FSO-太赫兹链路部署高性价比且有弹性的6G接入网（作为光纤链路的补充或替代方案）提供了设计指南。在进一步的工作[4]中，针对两跳IAB网络提出了混合光纤/FSO回传策略，面向6G基础设施规划。该研究引入了拓扑优化算法，在部署成本与光纤连接节点的空间分离之间取得平衡，以最大化服务覆盖范围。结果证实，混合架构在不妥协最终用户覆盖概率的前提下，相较全光纤网络可带来显著的成本节省。此外，该工作强调，智能的、具有空间感知的节点选择对于在吞吐量与时延的权衡中最大化能效至关重要。

3. 网状网络中的ARoF与DCO传输

融合网状网络中模拟与数字信号的复用可利用多种策略。在图2中，我们展示了其中一种方法，它允许ARoF信号与DCO信号的高效频带划分。此处，ARoF信号分布建模为4个双边带ARoF信号，带宽为500 MHz，数据速率高达3 Gbps。ROADM中约12.5 GHz的频谱窗口分配给一组4个RU，这些RU可在1、2、3和4 GHz频率上传输ARoF信号。50 GHz的ITU信道栅格可满足城域边缘接入场景中连接到单个ROADM的共计16个RU。我们前期的工作已展示了这些模拟与数字信号在多跨段实际生产城域接入网上共存的可行性，在77公里环路上实现了高达600 Gbps DCO业务与6 Gbps 16-QAM正交频分多址（OFDMA）ARoF信号的异构传输[2]。当DCO和ARoF信道集中位于ITU栅格上不同信道时，未显示出可测量的互干扰。特别是，借助Flex-grid WDM系统，我们可以以精细粒度集成ARoF和数字信号，以利用整个光频谱。前期的实验展示了在波长灵活的前传[1]上，使用多个ARoF信号——构成类似于5G新空口（NR）标准的移动业务窄带信号，以及用于宽带无线保真（Wi-Fi）业务的宽带信号。基于这些结果，图2所示的复用方案预期可支撑城域网络中的模拟和数字信号，且不产生明显劣化。

图 2：承载波长复用的模拟前传和数字基带信号的光谱示例。

图 3：随着ROADM之间或RU之间网状旁路连接的增加，到边缘云的平均跳数。

基于这些物理层和架构层面的进展，我们探索了图1中ROADM网络上基于ARoF的C-RAN架构的网状互联性能。特别地，我们可以探索图2中与复用方案相关的约束如何影响网状连接的效果。作为一个示例，我们分析了一个由10个ROADM组成的环状网络馈入边缘云数据中心的场景，相应地，每个ROADM汇聚16个RU。基于此模型，我们最大化RU连接性，并分析额外网状连接旁路链路的影响，以最小化从任意RU到数据中心的网络跳数。我们考量了为融合无线-光网状架构设计的集中式负载感知最短路径路由算法。对于每个活跃RU，使用Dijkstra算法在统一图拓扑上计算到最近数据中心的最短路径。在确定所有候选路径后，基于网络路径上不同节点的负载和频谱约束来确定网络拥塞。

引入额外ROADM-ROADM旁路链路的益处如图3所示，随着ROADM-ROADM连接性的增加，每RU平均跳数下降。具体而言，随着ROADM-ROADM旁路链路从0%增加到40%，每RU平均跳数从3.4跳下降到2.8跳。进一步地，随着RU-RU旁路链路的增加，网络中的平均跳数下降。具体而言，随着RU-RU旁路链路从1%增加到5%，网络中的平均跳数下降到与ROADM网络中全连接网状网大致相同的水平。这些结果表明，仅需很小比例的到RU接入点的网状交叉链路（例如使用FSO），即可实现平均跳数的大幅减少，接近高度连接的网状核心网的性能。为进一步探索融合网状网络及其传输特性所涉及的不同权衡和约束，更多研究正在进行中。

4. 结论

本文评估了利用无线-光融合构建边缘网状网络以支撑未来移动网络的性能与成本效益。文中回顾了在理解边缘无线与光纤连接益处方面的进展，以及近期在城域边缘网络中ARoF和DCO信号传输的实验。跨光纤和无线传输链路的传输需要进一步实验，其相应约束需纳入网络设计研究。未来的工作还将考量整个网状网络上的动态运行，以确定是否能实现时延和能效方面的收益。