第六代固定通信网（F6G）白皮书V1.1——天地一体化光通信技术

第六代固定通信网（F6G）白皮书V1.1 ——天地一体化光通信技术 信息光子学与光通信全国重点实验室 信息光子学与光通信全国重点实验室 1 第六代固定通信网（F6G）白皮书V1.1 目录 1.固定通信网技术概述4 1.1.固定通信网演进历程4 1.1.1.固定通信网4 1.1.2.F5G与F5.5G5 1.1.3.F6G6 1.2.固定通信网面临的挑战7 1.2.1.覆盖能力7 1.2.2.生存能力8 1.2.3.连接能力9 1.2.4.智能能力10 1.2.5.安全能力10 2.天地一体化网络发展需求12 2.1.高速率全域接入12 2.1.1.广覆盖12 2.1.2.大带宽13 2.2.大容量安全传输14 2.2.1.大容量15 2.2.2.高安全15 2.3.高动态智能组网16 2.3.1.强智能17 2.3.2.高可靠17 2.4.多模态主动感知17 2.4.1.通感一体18 2.4.2.主动感知19 2.5.超时空全息呈现19 2.5.1.裸眼3D20 2.5.2.通呈联动21 3.天地一体化光通信关键使能技术22 3.1.接入技术22 3.1.1.有线接入22 3.1.2.无线接入23 3.2.传输技术24 3.2.1.多维复用光传输24 3.2.2.空间激光传输26 3.2.3.物理层内生安全防护27 3.3.组网技术28 3.3.1.智能管控架构与协议28 3.3.2.光电混合交换技术29 3.3.3.生存性保障技术30 3.3.4.数字孪生技术31 3.4.感知技术33 3.4.1.通信感知一体化33 3.4.2.网络化智能感知34 3.5.呈现技术35 3.5.1.内容采集与处理35 3.5.2.三维渲染与呈现36 4.F6G适用场景与应用38 4.1.全时域光互联38 4.2.全息通信39 4.3.虚实交互40 4.4.智能体互联41 附：主要贡献单位与人员（排名不分前后）43 1.固定通信网技术概述 固定通信网是指通信设备之间通过有线或无线方式实现固定连接的网络，可向用户提供语音、数据、多媒体等服务。通过百年发展，固定通信网不断向着宽带化、综合化、IP化、智能化和融合化的方向演进。固定通信网承担着海量信息传输的任务，是国家关键信息基础设施，也是支撑社会数字化转型的信息系统底座。 1.1.固定通信网演进历程 在计算机与互联网技术的驱动下，固定通信网在近三十年得到了快速发展。1900至2000年期间，固定网络主要承载语音业务，依托铜线基础设施，采用PSTN/ISDN技术，典型带宽为64kbit/s。2000至2006年期间，固定网络主要承载网页业务，典型技术为xDSL，用于提供20MHz以下的宽带能力。2006年至2012年期间，固定网络主要承载视频流业务。依靠VDSL技术以及光纤接入技术，FTTB以及PON+LAN的接入技术，固定网络逐步提供30～100MHz的家庭宽带。2012年至2020年期间，固定网络具有承载4K超高清视频流的能力，大规模发展并应用的PON+LAN可以提供百兆及以上的传输带宽服务。随着云计算、物联网等新技术发展，新型业务对固定网络的带宽、时延、可靠性提出了更高要求，来满足业务的高质量需求。业界开始以代际划分的形式为固定网络定义发展路径，提出了第五代固定通信网（F5G,the5thGenerationofFixedCommunicationsNetworks）。 1.1.1.固定通信网 （1）F1G—语音时代：固定通信网从电话网诞生一直持续到20世纪末，其主要服务于语音业务，但拨号接入和ISDN发展速度非常缓慢，仅能支持音频服务和拨号呼叫。在此阶段，形成了一个较完整的电话网络基础设施，并且其网络架构以及控制信号能够很好地适配全球网络，这标志着电信全球化的开始。该阶段接入网采用PSTN/ISDN技术，对应的传送网则采用PDH技术，其基群速率为2Mbps，光纤线路速率以140Mbps为主。 （2）F2G—Web时代：20世纪末到21世纪初，随着互联网以及ADSL技术的推广，固定网络进入高速发展时期，宽带时代正式开始，主要用于服务Web业务。个人电脑和浏览器的普及推动了互联网的迅速发展，固定网络的应用由电话扩展到了电子邮件、搜索 引擎以及网页浏览等。接入网以ADSL技术为代表（10Mbps），对应的传送网采用的是 SDH技术，光纤线路速率以2.5Gbps和10Gbps为主。 （3）F3G—视频时代：2005年开始，在多媒体业务的驱动下，固定网络的业务和网络架构都出现了巨大的变化。由于传统ADSL技术和原有电话网的架构无法支撑“宽带”业务，因此引入VDSL技术（30Mbps~200Mbps）。对应的传送网采用的是MSTP技术，在SDH技术基础上增加了对以太数据业务的承载能力。 （4）F4G—4K时代：2012年开始，4K高清信号的出现对宽带网络提出了更高的要求。为了满足这种高质量视频的传输需求，需要不低于100Mbit/s的宽带网络。以GPON技术为代表的光接入网上行总速率达到1-2.5Gbps，具有高带宽、稳定、结构简化和能够长期发展的优势，因此得到运营商的关注。同时，对应的主流传输技术为OTN光传送网技术，这种技术结合了WDM技术和SDH技术优点，可以实现光纤线路速率全面提速，单波速率达到100Gbps，一根光纤中同时传输80波信号，线路速率达到80*100Gbps。 1.1.2.F5G与F5.5G 2020年2月，ETSI面向全球宣布成立F5G产业工作组，提出了从“光纤到户”迈向“光联万物”的产业愿景，标志着F5G时代正式开启。2020年2月，全球主流的运营商、设备商、行业协会及研究机构均已加入该工作组。F5G的主要特征有3个，分别是超大带宽(eFBB,EnhancedFixedBroadBand)、全光连接(FFC,Full-FiberConnection)和极致体验(GRE,GuaranteedReliableExperience)。 2022年9月，欧洲电信标准化协会第五代固定网络产业工作组发布了一份白皮书 《F5GAdvancedandBeyond》，介绍了F5G向F5GAdvanced（又称F5.5G）演进的驱动因素、能力维度和关键使能技术。综合来看，F5.5G对F5G进行了增强和扩展： 超高带宽eFBB：通过更先进的固定网络技术，网络带宽容量可提高十倍以上，实现上下行对称宽带容量，实现千兆家庭、万兆建筑和百G级园区。利用Wi-Fi7、50GPON、800G等下一代技术，将用户带宽体验从1Gbps提升到10Gbpseverywhere。 全光连接FFC：通过光纤基础设施的全面覆盖，实现光纤延伸到每一个房间、每一个桌面、每一台机器，充分扩展垂直行业应用。业务场景扩展10倍以上，连接数增长100 倍以上，实现每平方公里10万连接的覆盖。打造智慧家庭/企家协同/全光园区数字化底座。终极体验GRE：支持0丢包，微秒延迟，99.999%的可用性。配合AI智能运维，满 足家庭和企业用户的极致业务体验需求。在可保障体验方面，自动驾驶从L3升级到L4。家庭宽带从可视定位到体验自优化，专线/算网实现急速智能链接。 同时，F5.5G向三个方面进行扩展：RRL：在工业场景，实时韧性联接可满足工业场景微秒级时延、6个9可用性要求；OSV：光感知与可视化则聚焦于构建光纤通信感知融合和数字化运营能力；GAO：OTNToEverySite，打造一跳直达，站点能效提升10倍。 1.1.3.F6G 图1固定网络发展路线前瞻 虽然F5G和F5.5G已经可以满足地面业务的多种需求，但地基固定网络在连接覆盖面积、建设成本等方面面临诸多挑战。以卫星为基座的天基通信系统正在快速发展，未来将与地面固定通信网进行深度融合，共同面向消费级互联网业务提供宽带通信服务，形成天地一体化的第六代固定通信网（F6G），发展路线如图1。 天地一体化网络是未来F6G网络架构研究的核心方向，由卫星组成的骨干网络使得地球上的用户可以随时随地享受高速宽带无线接入服务，可以克服距离障碍，实现包括地 面、高空平台在内的任意两点之间的高速通信，达到全球无缝覆盖。F6G将实现卫星网络与地面光纤网络的互连互通，构成天地一体化光通信系统，满足不同行业对下一代网络的需求，并极大地提高用户体验，推动社会数字化转型和数字经济高质量增长。 2.2.固定通信网面临的挑战 2021中国互联网发展报告指出，互联网发展已进入万物互联阶段，新的应用正在向固定通信网提出更严峻的挑战。为了支撑未来的万物互联需求，F6G将重点针对覆盖能力、生存能力、连接能力、智能能力和安全能力方面的挑战进行网络能力升级，如图2。 2.2.1.覆盖能力 图2F6G面临的技术挑战 传统地面固定通信网的优势在于其高数据传输速率、低时延以及海量连接能力。但其覆盖范围受限，在偏远及无人区域建设难度大、运营成本高。目前，地球上超过70%的地理空间，涉及30亿人口未能实现互联网覆盖。 为了支撑未来无人区域数字化管理、空间智能体互联等新兴业务的通信需求，未来地面固定通信网需与空间卫星网络进行融合，构建可覆盖全球的天地一体化骨干通信网络， 推动传统网络由“面向人”覆盖到“面向物”覆盖的转变，为全球用户的各类应用提供全域宽带连接支持。在覆盖能力方面，天地一体化光通信技术正面临如下挑战： 1）覆盖速率：地基固定网络接入速率可达10Gbps，未来将在50G-PON的基础上进一步发展至100G，而当前卫星网络的接入速率仍比较受限。如何提升卫星网络在覆盖区域的接入速率，是覆盖能力方面的关键挑战之一； 2）覆盖时延：亚毫秒级时延将成为空天地一体化网络的整体需求，充分考虑地面和天地融合网络，打造亚毫米波延迟覆盖、毫秒级延迟覆盖、十毫秒级延迟覆盖等多层次网络结构和服务场景，是覆盖能力方面的关键挑战之一； 3）覆盖密度：由“面向人”覆盖到“面向物”覆盖的转变过程中，“万物智联、手机直连、天地互连”等应用将极大提升对网络的可达性、可靠性和覆盖密度的需求，相比于传统网络，下一代天地一体化网络的单位面积接入设备密度将提升100倍至1000倍，如何有效提升覆盖密度，是覆盖能力方面的关键挑战之一； 4）覆盖灵活性：覆盖灵活性是指覆盖场景灵活、接入方式灵活、用户速率灵活以及终端类型灵活。如何构建具有环境感知、自主智能决策、按需重构和无缝融合的天地一体化网络体系架构，是覆盖能力方面的关键挑战之一。 2.2.1.生存能力 网络生存性是指网络应对故障的能力，对保障网络的正常运行具有重要意义。据统计，目前光纤网络故障平均修复时间可达5-10小时，生存能力不足将会严重影响业务质量和用户体验。传统固定网络的生存性机制多聚焦于小规模故障，可保障通信业务在面对故障时具备一定的自愈能力，但面对区域性的故障通常束手无策。 天地一体化网络扩大了网络的覆盖尺度，同时也扩大了故障的风险范围。未来，天基的高动态卫星网络会面临空间碎片、激光武器等潜在威胁，可能出现规模性节点或链路故障。为应对大尺度的故障风险，天地一体化网络的生存性技术需要由“自愈”向“自组织”方向发展，通过对卫星节点、星间链路的动态调度与配置，支持天地网络的智能化自组网，进而提升网络面对大范围故障的抗毁和生存能力。在生存性能力方面，天地一体化光通信技术正面临如下挑战： 1）业务动态管理：由于天地一体化网络拓扑存在动态性，特别是星地链路部分，因此对星间/星地激光链路状态与连接情况的实时感知是业务生存性保障的基本要求，如何实现广域业务的动态监控与管理是保障业务生存性的关键挑战之一； 2）星地按需协同：由于目前网络传输体制和运维方式的约束，当前天、地两层网络基本采取分域治理的形式，跨域业务如何实现多域资源的协同联动以完成路径拼接与端到端资源协同是跨域业务生存性保障的关键挑战； 3）自组织抗毁：传统业务生存性机制通过基于既定拓扑的业务路径计算实现，依赖于拓扑的实时获取，然而6G场景中天基平台的移动性和路径随机性增强。因此，针对大动态