第六代固定通信网（F6G）白皮书V2.0-天地一体化光通信技术

1 2供语音、数据、多媒体等服务。固定通信网承担着海量信息传输化转型的信息系统底座。通过百年发展，固定通信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，采用公用电话交换网/综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至2012年期间，固定网络主要承载视频流业务。依靠超高速数字用户及光纤接入技术，光纤到楼（FTTB）以及无源光网络+局部区域网（PON+LAN）的接入承载4K超高清视频流的能力，大规模发展并应用的PON+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20世纪末到21世纪初，随着互联网以及非对称数字用户线路（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3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技术（30Mbps~200Mbps）。对应的传送网采用的是多业务传送平台（MSTP）技术，在长期发展的优势，因此得到运营商的关注。同时，对应的主流传输技术为光传送网技术（OTN这种技术结合了波分复用（WDM）技术和SDH2022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4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、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此外，面对新型空间应用（如月球基地、空间站等传统网络在高分辨率图像传输、远程数据处理和实时分析等情境中的瓶颈也尤为明显。为了支撑快速发展的新式上实现了从人工管控、软件管控到人工智能辅助管控5议的繁杂，网络的管理依然严重依赖专业知识技能，传统光纤往仅作为辅助功能，难以实现网络管控的全面自动化和智能化。为了应对的管控与运维压力，亟需发展更加智能的下一代固定通信网络，充分发挥当的加密，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空芯光纤的构成材料是单一的纯石英，具有极其稳纤的真空芯中传播，其有效折射率波动极其轻微，光速维持恒定。在芯光纤的链路时延更为稳定。随着空芯光纤及基于空芯光纤的下一代新型光空芯光纤凭借其低损耗、低时延和低非线性等优势，预期可广泛应用于超超长距离光纤通信网、高精度时频同步网等各领域。在地面骨干传送网敷设实现千公里算力枢纽节点之间20ms覆盖，真正构建大尺度低时延通信能力。人工智能（AI）技术为F6G的发展注入了新的动能，通过智能资源管理、网络管控与优化、以及个性化服务等手段，可全面提升网络的智能化程度。例如，AI算法可以实时监测网络流量和设备状态，自动调整网络配置，提高效率和可靠性；AI还可以提升网络自我组织和修复能力，快速应对故障和攻击，减少服务中断识别可增强安全防护能力，实时监测和防御网络威胁；通过优化资6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天地一体化是未来F6G网络架构研究7将具备天地一体、灵动连接、全栈智能、内生本章将围绕F6G的这五大核心特征展开详细介绍，揭示其如何满足未来通信网络的多样将网络覆盖范围从陆地扩展到海洋、极地和偏远地区，从而实现网络服务能力由“覆向“覆盖物”的拓展，为全球用户提供高带宽、低延迟的网络连接，最终形成天地一体化的F6G网络在地面依赖光纤网实现全球连接，包括骨干网和接入网。骨干网采用波分复用技术，结合光纤放大器和海底光通信技术，确保全球主心的高效大容量互联。接入网通过无源光网络技术与骨干网无缝对接8天地一体化的F6G网络在空间依赖低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）卫星构成天基通信基础设施。LEO卫星光网络具备发射成本低、时延低、容量大等优势，可为全球用户提供远距离可靠连接。高轨卫星轨道高度较高，在时延和通信容量LEO卫星，但其相对地表的稳定性较高，可提供长时间稳定的通信连接。通过激光通信天基骨干通信网，从而减少对地面站的依赖并大幅提升远途传天地一体化的F6G网络还依赖于星地链路和地面站实现天地网络的无缝衔接。利用激光或微波通信技术，低轨卫星可与地面站建立大容量星地通信链路一般支持激光和微波通信技术，可根据气象条件与卫星位置实现星地•全球覆盖率：99.9%；•光纤单波容量：>1Tbps；•星地/间链路容量：>100Gbp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，如何实现卫间的精准追踪瞄准，是提升空间激光通信链路稳定性的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信道的通信能力，是实现天地一体化网络动态连接能力3）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9随着AR/VR、元宇宙和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F6G的灵动连接能力需要软件定义网络（SDN）和通用多协议标签交换（GMPLS）技术的支撑，实现异构网络资源高效管控。SDN负责对全网进行统一控制，对流量进行实时监控，根据全局业务需求进行流量调度，创建和分配网络切片。GMPLS负责底层物连续性和可靠性。空间卫星链路由于轨道变化和地面站之间的切换，管控系实时监控和快速切换能力，在卫星链路性能下降或切换时，自动切换F6G的灵动连接能力将依赖于IP/OTN融合的高韧性通信体制，实现IP可靠性的兼顾。IP层采用多路径冗余、快速路择和负载均衡。OTN则提供大带宽、低时延、高可靠的连接。在这种体制中，IP层负责灵活的路由管理，OTN层提供高可靠的底层传输，两者确保了在链路质量波动情况下，•业务中断恢复时间：<50毫秒1）异构网络融合：F6G网络包含低轨、中轨、高轨卫星和地面网络等多个层次，每个层次的通信特性不同，涉及多种通信协议。如何融合不同协议2）自组织抗毁：传统业务生存性机制通过基于既定拓扑建立冗余路径实现，依赖于拓扑的实时获取，然而F6G场景中天基平台的移动性和路径随机性增强。3）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，如天地一体化光通信系统的规模和动态性将带来显著的挑有效性也会受到抑制。为提升未来F6G网络的智能化水平，F6G网全栈智能F6G网络在传输平面上，需要通过实时感知光纤、卫星和星间激光链路的状态，结合大数据分析技术，实现智能化的带宽管理和路由优化。智传感器监测光网络的物理状况，如链路衰减、故障或过载等问题，并换至备用路径。此外，数字孪生技术在传输平面被引入，用于模拟链全栈智能F6G网络在控制平面，通过引入自动化调度和智能化决策系统，提升网络的控制效率和适应性。系统应采用AI驱动的自适应控制控制平面还需要结合实时链路数据进行故障预警，确保在出现潜在优化方案。系统能够根据不同应用的性能需求（如低时延应用、高清视频等动态调整带宽和优先级，确保业务的连续性和用户体验的优化。数字孪生技网络的实际运行情况，预测未来的流量模式，并优化资源调度和路化平台还可集成跨层的网络感知系统，基于实时流量与链路性能，•流量预测准确率：>95%；•数字孪生误差：<0.5dB。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大的模型尺度、高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，也势必规避误操作而导致的风险，是智能化过程中所面临未来F6G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。F6G将进一步推动网络的安全架构升级，实现安全体系从“信息安全”全检测机制，全方位提升网络能够应对各种内生安全的F6G网络中，物理层密钥分发与管理是保障通信安全的核心。系统需通过安全的密钥分发机制，如量子密钥分发（QKD）或基于物理特征的密钥分发方案等，来确保在地面与卫星之间安全生成和交换加密密钥。同时由于天信道的不确定性，密钥分发需要适应长距离高时延的大气通信环境。密内生安全的F6G网络中，物理层加密的重要性尤为突出，特别是光纤与卫星链路的传输过程中，需要通过物理层加密技术，如采用混沌加密、扩频、跳内生安全的F6G网络中，物理层实时安全检测是防御物理攻击（如光纤窃干扰）的关键。系统需要部署多层次的安全检测机制，实时监测光理状态，检测是否有非正常的物理干扰或攻击行为。例如，光纤链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2）高速密钥协商技术：F6G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。如何高络中实现密钥分发，是天地一体化光通信系统面3）安全风险感知技术：与传统固定网络相比，F6G网络的动态性和复杂性使得准确增加了攻击面和潜在的风险。如何实现对安全风险的主动感知，是天人工智能的迅速发展正在快速推动算力设施规模的增长通信网络的承载能力提出新的要求。F6G将加快网络与算算网不协调导致的资源浪费，最终形成一个高效算网协同的F6G网络依赖于强大的业务感知能力。通过感知并分算网协同的F6G网络依赖计算与网络的协同管控与联合编排。基于算力应用的动态•光网对动态算力需求的响应时间：分钟级。边缘计算节点等不同物理区域之间无缝协作传输。如何在网络时延证计算和传输的同步性与一致性，是提升整体算网协同2）算网联合多目标路由优化：面对算力资源的异构性、网络架构的复杂性，以及业约束条件下做出快速精准的路由决策，是提升算网为了支撑F6G的关键特征，实现更高带宽、更低时延以及地面与空间网络的无缝融合，必须在技术和架构上进行全面革新。本章展望了F6G核心支撑技术，包括网络接入、光网络内生能力和外部协作能力方面进行加强，进一步支撑全时全域手机直连卫星是传统无线通信技术面向天地一体化网络的延伸，可终端的通信技术，为地面消费级终端提供卫星直连服务，如图3所示。天地融合5G/6G蜂窝通信技术主要面临两方面的挑战。一方面，卫星要发挥蜂窝网在于要克服5G/6G频段信号的远距离传输问题。大天线低频率的移动通信技术有望克服远途传输的衰减问题，成为支持5G/6G手机直连卫星的基站与地面基站要具备协同服务能力，其难点在于F6G网络的智能敏捷管控能力。面对高速移动终端的接入与切换需求，大尺度网络下的集中管控模式将下一代PON技术是指下一代更高速率、更大容量、更灵活和更广入网络，用于将光信号传输到用户家庭或企业。随着下一代互联网、云计算、物联网、5G/6G、4K/8K高清视频等新兴业务的蓬勃发展，光纤接入网，作为连接人、物和云互联互通的“最后一公里”，正在演绎一场更高速率、更大容量、更灵活和更广覆盖范围的深刻对于如此高的传输速率，传统的直调直检方案很难达到接入网功率频谱效率和更高接收灵敏度的相干技术，开始逐步向短距应用中渗率预算的要求，将相干技术引入接入网，得到了越来越多研究人员的关注。下一代PON通过将光纤连到任何地方和一切，F6G为固网体业务对网络的需求。主要包括：融合网络架构、资源分配策略及节能机制。针资源调度算法的实施提供架构基础；进一步提出一体化的融合网络管控方法，融合深度，实现高效的融合网络管控和资源调度。针对资源分配策略，研究基于PON与Wi-Fi融合网络联合资源调度，提出基于媒介访问层和物理层法，以提升网络的吞吐量和对高品质宽带业务的确定性支持。针对节能机制，研究PON容量日益逼近单模光纤的非线性香农容量极限，提升潜力极其有题。对单波长信道而言，系统器件调制带宽难以持续匹配波特率图5.地面光纤超Tbps大容量传输技术因此，在F6G网络中，地面光纤通信技术需要突破当前单模光纤通信容量制约，探先，结合信道编码、波形成型等高级调制技术以及数字反向传播等光容量。进一步，逐步部署新型光纤通信系统，包括基于多芯多维复用光通信技术和基于空芯光纤的高非线性容忍度的大容量、低高速率下星间链路的可靠稳定传输，星间通信需要受限约束下，实现超长距离海量实时业务回传；星间链路易受到大气传输距离远、高速运动的卫星过轨时间短，要求系统具备快速捕获并建立链路的能力和在F6G网络中，采用多维复用和星座概率整形等技术，结合高功率通信发射和高灵敏度相干接收，实现信息大容量、长距离、高灵活传输；针对星间高速通信系统中存在的其它线性及非线性效应，设计高集成、低功补偿算法，为星间通信系统长期稳定、可靠传输提供强有力的算法指向标定与校准、高动态星间链路快速捕获跟踪等关键技术，实现方面，受地球表面大气层影响，星地激光通信链路的损耗随天气条激光通信链路易中断，可用度较低，通信容量提升困难。另一方面采用星地激光传输链路的大气信道损伤抑制技术，包括自适应光学低大气层导致的链路随机动态损耗影响。采用多站联合和多星联合和卫星快速运动等因素导致的通信中断概率，提升通信可用度。采灵敏度、大动态范围通信传输技术，逼近星地激光信道传输容量极且需处理不同的业务类型。然而，传统电交换技术难以应对业务体现在以下几个方面：电交换受带宽瓶颈制约难以满足星间大容换技术有望提供带宽自适应交换能力。首先，针对多域不同业灵活地分配波长和时隙资源，可保障星间大流量数据的快速传输，智能调整交换路径和带宽，实现动态资源调度和实光时隙交换技术旨在实现更细粒度的全光交换，增加网高通信网络的资源利用效率。随着固定通信网络的持续性发展，网路不稳定等问题更加突出，导致光时隙交换技术在F6G网络中的应用面临诸多挑战。首先，卫星网络与地面基站之间的信道条件具有高度的动态变化，尤地面环境复杂时，链路延迟和衰减的不可预测性对光时隙交换带来响了网络的同步和数据传输的稳定性。其次，由于光时隙交换技术度资源，以支持多种业务需求，在天地一体化的动态网络环境中实效分配面临更大难度。光时隙交换的低时延特性也因卫星链路中的时特别是对自动化应用、远程操控等时延敏感型业务产生显著影响。致F6G网络的拓扑结构动态变化，使得光时隙交换的链路路由和调度更加复杂。链路的不稳定性，要求光时隙交换网络具备快速恢复与链路备份机制以保这些问题，需要从交换网络、交换系统和交换器件三个方面入手，路的不稳定问题也将更加凸显，当前地面光纤网络的集中式和分布式控制架构在F6G网络中都将不再适用，主要面临以下技术问题。对集中式控制架对分布式控制架构而言，网络规模的扩大将增加分布式路由协议的因此，在F6G网络中，网络的控制架构将向集中与分布式协同的模式演进，进而通管控系统通过分层分域的方式实现集中与分布管控的协同，在现集中与分布式管控的协同，在链路质量欠佳时候通过集中控制器和分布式控F6G网络中，路由和信令仍是支撑F6G网络拓扑而，天基网络卫星节点的动态性导致网络拓扑将持续动态更新，不断针对连接关系的变化进行泛洪，严重影响网络的可用性；同时因此，在F6G网络中，为了突破动态性和大尺度的约束，亟需发展大尺度高动态网络敏捷路由和信令技术，以支撑快速的路由收敛与高效信令传递。在大尺度带来的传播时延无法缩短，但使用确定性的信令技一方面，卫星节点面临故障失效的风险；另一方面，卫星节点动态性也使接关系动态变化。在上述高动态环境中，如何通过网络结构的调整或接入点因此，在F6G网络中，亟需发展高动态网络自组织技术。面向故障的场景，一颗或多颗卫星以及相关的链路将同步失效，其他邻用临近卫星进行搜索与定位，并使用自匹配算法计算新的链路并自切换的场景，可以采用人工智能预测技术预测即将到来的切换，在天地一体化的光网络身处空天地海异构复杂的环境中，无线链路的稳定性是F6G网络面临的一大技术挑战。大气环境中，大气湍流、云层遮挡、雨衰、雪衰等片等因素会导致卫星故障甚至失效或者星间链路中断。如何抑制复杂环境为了提升复杂环境F6G网络的生存性，亟需发展面向不稳定链路的生存性保障技术。针对太空环境、大气环境和地面环境中的每种因素，建立环境因素与F6G网络可靠性的关联模型，形成空地融合网络的可靠性评估指标体系。基于卫星激光链路成本、网络性能、传输质量等方面进行综合权衡，在提升网络抗毁能力的同通感融合可实现F6G网络中通信与感知功能的深度集成，确保网络在传输数据的同可用于监控环境，如温度、振动、应力等，能够广泛应用于智在F6G网络的构建中，感知和通信功能的实现需依托光纤与激光链路的双重特性。其中，光纤网络借助分布式光纤传感（DAS）技术，具备了传输高速通信数据与感知物理环境变化的双重能力，可对振动、温度、压力等环境因素进行感知。在此基WDM技术，能够使感知信号和通信信号分离开来进行传输，从而于天基激光链路而言，将激光雷达（LiDAR）可在通信过程中对大气条件，包括湍流、气溶胶和温度变化等进行监测，进而在数字化时代，作为一种充分利用数据、模型、算法并集成多为物理世界与数字世界的全面联系建立了桥梁和纽带，为实现二日益庞大、硬件资源复杂多样、传输链动态性可重构、信号格式致光网络运维越发复杂，现有的网络监测能力无法满足综合全面于静态传输场景的、基于复杂数理方法的建模技术不再有效，进精准可靠的优化策略。因此，构建具备泛在感知、动态响应、自动优化能从而实现对复杂动态系统中物理实体的精细刻画和物理过程的全生命虚实交互和实时反馈对物理空间进行智能优化，与F6G网络中灵活动态光传输系统建模复杂、动态模拟误差较大、优化策略不够智能等特征相匹配。因此，将数字孪生技术引入F6G中，利用大数据分析态构建和反馈优化策略的智能精准控制等技术挑战，进而实现F6G网络的精准刻画、动在地面固定网络向空间延伸扩展的过程中，激光信道的加入使得未来F6G网络的所面临的安全问题将不再局限于光纤链路中，主要面临以下技术问题方通过光纤弯曲、光纤耦合等方式可以很容易窃听光纤链路而不破信道相比，激光信道不仅更为开放且由于光束扩散等问题，激光信威胁。除此之外，由于激光信道的开放性，使得F6G空间网络更易注入攻击等干扰从而因此，在F6G网络中，应在物理层建立一套具备加密防护与入侵检测等能力的内生安全机制，使网络不仅可以在信号层面抵御窃听攻击并实时做出响应。首先，在不影响F6G网络传输性能的同时，物理层信号的加密机制应结合物理信道特征，采取基于物理复杂度的并可以适密机制如量子噪声流加密、光混沌加密等。其次，为了保障物理层加密机制的可靠性，学习和人工智能技术，建立自适应的入侵检测系统，实时采集和分析各类光层统计算资源和网络资源分离的方式在F6G网络中将不再适用，主要面临以下技术难题。传统架构中，计算资源的调度系统仅基于服务器的计算负载进行任务路径的带宽和延迟情况；其次，网络对算力是不感知的状态，这是因为传统网络IP编址主要基于网络拓扑，IP地址通常反映的是设备的物计算能力；网络路由仅基于最短路径或带宽等网络层参数进行流量转的计算负载。新型业务对算力分配、时延敏感性、任务处理速度等有载和网络路径情况，协同优化计算任务的分配和网络流量的路力的新型编址方案，该方案不仅反映网络拓扑和设备物负载情况等多维度的信息。在此基础上，设计算网多目标约时考虑网络路径的带宽、时延、计算节点的算力负载等约束点的计算能力和当前负载情况进行智能决策，将任务合理分场景的立体视觉体验，是未来视频通讯的研究焦点。三维显示采集信息量信息超远距离传输需要保持高度的同步性，其通信协议也难以满足相比传统网络的通信与呈现独立服务的方式，通信与呈现联络侧依赖于三维光场视频高效压缩传输方法，结合全时全域光互联等通信三维光场视频的新一代压缩编码算法与光接入网平台，以实现光率、低时延传输与通信；最后，呈现侧需要大视角、高分辨率三维光维光场轻量化表征机制，结合实时三维重建与光场渲染算法，构建大视多人观看的三维光场显示系统，实现目标场景的渔场、山区风电系统、山林勘察、应急救灾、岛区游览和广袤分益凸显。这些地区的突出特点是光纤部署成本高、收益低、见效量却十分庞大，多采用低成本、低速率、高功耗微波设备作为临和终端的代际演进，大带宽需求与日剧增，同时，行业用户采样利用有线和无线光接入回传网络，可以成倍提升用户带宽延，提高通信感知效率。灵活的无线加有线部署方式，也给灾之后的第二条保障路线。需要大带宽高速率连接的场景一般较结合这两种“补盲”场景需求，可以基于F6G为用户提供定制智能系统所具备的自主学习、自主决策、主动交互统的“刺激-反应”式的人机关系向着人机融合发展，即伙伴式的“人机智能协作”关系。为了承担更多人类无法完成的任务，智能体将广泛存在于陆地支撑大尺度空间的“人-机”与“机-机”等智能体的高效协同，将盖与万物互联。在F6G支持下，可接入的人、物和设备数量和规模将进一步提升，即无论是有人区还是无人区，都能实现智能机器覆盖，以延长人类活动所能触及接的人、物、设备可能升级为可相互连接的“数字物种”，其产生汇入到智能中枢，再将智能中枢产生的智慧带到每一个场景，形成天地一体化F6G网络基于支撑大尺度空间的全时全域互联能力，配合裸眼三维显示技术真实度高、参与感强和沉浸感佳的优势，未来可支撑一对多全息通信：相较于传统的通信方式，全息高真升，学习效果进一步贴近线下教学。此应用场景具有如下特点：等，下行流重要性（演讲者或授课者的信息）大于上行流（受众的反馈信息流呈现辐射状。基于以上特点，初期的业务端到端解决方案可采用单向（通过全息显示技术，在人员身边构建虚拟的高真实度参会场景，实现都需要显示所有其他人的全息影像和声音，是一对一的复杂形式到端解决方案中每个用户既是被采集者也是接受者，作为接受者虚拟现实是新一代信息技术的重要前沿方向，是数字经济在虚实交互方面，F6G具有广阔的应用前景，可提供与其他用户进行互动、交流和游戏。除了元宇宙，F6G还可以应用于增强现实（XR）等界与现实社会的高度同步。同时，虚实交互在未来的广泛应用步的需求，未来光通信技术的进一步发展也会络已难以满足多样化的应用需求。通信、感知与算力等多系统