第六代固定通信网(F6G)白皮书-V1.1 天地一体化光通信技术 北邮 激光通信.pdf
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1、 1 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 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 2023 年 11 月 4 日 信息光子学与光通信全国重点实验室 2 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 F5.5G.5 1.1.3.F6G.6 1.2.固定通信网面临的挑战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
2、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.超时空全息呈现超时空全息呈现.19 2.5.1.裸眼 3D.20 2.5.2.通呈联动.21 3 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1
3、3.天地一体化光通信关键使能技术.22 3.1.接入技术接入技术.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.呈现技术呈现技术.35 3.5.1.内容采集与处理.35
4、 3.5.2.三维渲染与呈现.36 4.F6G 适用场景与应用.38 4.1.全时域光互联全时域光互联.38 4.2.全息通信全息通信.39 4.3.虚实交互虚实交互.40 4.4.智能体互联智能体互联.41 附:主要贡献单位与人员(排名不分前后).43 4 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 1.固定通信网技术概述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
5、会数字化转型的信息系统底座。1.1.固定通信网演进历程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30100MHz的家庭宽带。2012年至2020
6、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,the 5th Generation of Fixed Communications Networks)。1.1.1.固定通信网(1)F1G语音时代语音时代: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
7、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)F2GWeb时代时代: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 5 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 引擎以及网页浏览等。接入网以 ADS
8、L 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(30Mbps200Mbps)。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)F4G4K 时代时代: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/
9、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、
10、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,Enhanced Fixed BroadBand)、全光连接(FFC,Full-Fiber Connection)和极致体验(GRE,Guaranteed Reliable Experience)。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F5G Advanced and Beyond,介绍了 F5G向 F5G Advanced(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
11、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-Fi 7、50G PON、800G等下一代技术,将用户带宽体验从 1Gbps 提升到 10Gbps everywhere。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 6 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 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,99.9
12、99%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:OTN To EverySite,打造一跳直达,站点能效提升 10 倍。图 1 固定网络发展路线前瞻 1.1.3.F6G 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
13、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 7 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 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
14、字化转型和数字经济高质量增长。1.2.固定通信网面临的挑战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。图 2 F6G面临的技术挑战 1.2.1.覆盖能力 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
15、、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,8 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 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
16、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
17、能力方面的关键挑战之一。1.2.2.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
18、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:9 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 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
19、;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,针对大动态范围天地一体化网络,如何实现基于随机高动态拓扑实现自组织抗毁是保障 6G 场景中业务生存性的关键挑战。1.2.3.连接能力 随着全社会数字化转型的深入发展,各类互联网应用层出不穷,互联网中的流量高速增长,为光通信网络带来了巨大承载压力。面对日益增长的业务流量,当前通信网正在积极探索高带宽、低时延等方面的新型连接技术。然而,随着 AR/VR、元宇宙和以 ChatGPT 为代表的人工智能技术的快速发展,未来天地一体化的网络空间将出现更多以
20、“智能体互联”为代表的交互式应用。为适应空间网络和智能体终端的高动态性,网络在提供基础连接能力之外,还需对高动态网络和终端的位置进行精准管理,网络的服务模式也将由“静态连接”向“动态连接”拓展,进而为高速移动的智能体提供高可靠的网络连接。在连接能力方面,天地一体化网络正面临如下挑战:1)动态信道维持:天地一体化网络中,星间链路随着卫星的运转高速移动,链路的长度、位置等属性均呈现出高动态特征。如何针对这些动态属性进行自适应信道参数调整、维持信道的通信能力,是实现天地一体化网络动态连接能力的关键挑战之一;2)高速连接切换:卫星的高速移动还导致星地链路的频繁切换,进而影响承载业务的连续性。如何在高动
21、态过程中实现无缝切换,保障无中断、无抖动的端到端服务能力,是打造天地一体化网络动态连接能力的关键挑战之一;3)精准定位追踪:未来,卫星与卫星之间、卫星与高空平台之间的通信将主要依赖 10 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 激光链路,而激光通信对指向性要求极高。在高动态的网络中,如何实现卫星、高空平台之间的精准定位追踪,是发挥天地一体化网络动态连接能力的关键挑战之一。1.2.4.智能能力 随着人工智能技术的发展,固定通信网的智能化水平已经得到了显著的提升,工作模式上实现了从人工管控、软件管控到人工智能辅助管控的变革。然而,由于网络结构和协议的繁杂,网络的管理依然严重依赖专业知识技能,传
22、统光纤通信网所具备的智能能力(如基于人工智能的流量预测、故障诊断等)往往仅作为辅助功能,难以实现网络管控的全面自动化和智能化。天地一体化光通信系统的规模和动态性将带来显著的挑战,传统的决策式智能技术辅助决策的有效性也会受到抑制。为了应对未来天地一体化网络的高动态管控压力,提升网络的智能化水平,天地一体化网络的智能管控技术将由决策式智能向生成式智能发展,利用网络生成式人工智能技术理解网络问题并自主生成网络管控方案,显著提升网络的自动化水平。在智能化能力方面,天地一体化网络正面临如下挑战:1)面向网络运维的专业大模型:将网络运维与专业大模型相融合会有效提升通用性智能程度,然而专业大模型的建立需要庞
23、大的模型尺度、高昂的存储和计算资源成本、复杂的模型调参和优化能力,是天地一体化网络中大模型构建的关键挑战之一;2)基于生成式智能的管控应用:在专业大模型的基础上,针对天地一体化网络中的生成式智能需要具有多模态、全领域知识的同时,也对准确性和恰当性提出了严格的要求,如何基于生成式智能开发稳健的管控应用是发挥智能能力的关键;3)智能化应用与人的协作关系:智能化应用在辅助人进行智能管控的同时,也会势必带来由于自动化操作而导致的误差和风险,如何实现智能化过程中 AI 与人的有效协作,规避误操作而导致的风险,是智能化过程中所面临的关键技术挑战之一。1.2.5.安全能力 目前,固定通信网络中安全技术标准与
24、应用均已成熟,主要依靠经典密码学实现信息的加密,以实现面向信息的安全保护能力。但是,随着量子计算技术的持续突破及人工智能技术的广泛应用,基于信源加密的安全体系正面临“先存储再破译”等攻击方式的威胁。11 第六代固定通信网(F6G)白皮书 V1.1 特别地,未来天地一体化网络将部署大量的卫星节点到公共空间,开放的通信信道将面临更多未知的安全威胁和挑战。因此,需要进一步推动天地一体化网络的安全架构升级,实现安全体系从“信息安全”到“信道安全”的增强,利用物理信道级的安全防护措施,提升信息传递的隐蔽性和安全性。在安全能力方面,天地一体化网络正面临如下挑战:1)物理信道加密:在天地一体化网络中,星地通
25、信的传输性能受到发射功率、跟踪误差和其他各类干扰的影响,卫星设备部署成本高,灵活性大,且需要与地面站进行协同管理。如何设计低功耗、高兼容的物理信道加密方案,实现星地之间高速安全传输,是天地一体化光通信系统面临的安全能力挑战之一;2)高速密钥协商技术:天地一体化网络传输依靠空间激光,链路跨距长、传输媒介为开放空间,使得安全地在各类节点之间分发密钥变得复杂。如何高速且安全地在空天一体化网络中实现密钥分发,是天地一体化光通信系统面临的关键挑战之一;3)安全风险感知技术:与传统固定网络相比,天地一体化网络的动态性和复杂性使得准确感知和评估整体安全风险变得困难。庞大的互连组件数量,包括卫星、地面站和控制
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