2024年面向多场景应用的光网络通感一体化架构和关键技术方案研究报告

IMT-2020(5G)推进组目录引言P1光纤通信网络通感一体化的多场景应用分析P2光纤通信网络通感一体化关键技术研究P6引言P1光纤通信网络通感一体化的多场景应用分析P2光纤通信网络通感一体化关键技术研究P6光纤通信网络通感一体化产业发展及标准化P17总结及展望P29主要贡献单位P31IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。引言

IMT-2020(5G)推进组11光纤通信网络可以实现大容量、长距离、高可靠的信息传输，是通信网络的重要基础设施，广泛应用于电信领域、电力和油气等能源行业的信息通信网络，经过多年发展已形成庞杂的体系，承载着丰富多样的业务。光纤传感技术利用光纤对温度、应变、振动、声波等物理场的敏感性，实现对光纤周围环境的感知。光纤通信技术与光纤传感技术皆以光纤为媒介，在信号的调制、发送、放大、探测等方面类似，二者的融合具有先天优势。此外，人工智能（AI）技术的发展，对通信网络优化、智能感知及控制应用产生了深远的影响，极大地推动了通信和感知的深度融合。通感一体化技术一方面提升了光纤光缆的资源利用率，另一方面满足5G-A/6G、智算等新一代信息通信技术对光纤通信网络提出的智能化运维管理需求。本蓝皮书分析了光纤通信网络通感一体化的应用需求，提出较为成熟的解决方案，探讨技术的产业化和标准化进展，提出未来发展趋势及发展建议，推动光纤通信网络通感一体化技术和产业良性发展。图1光纤寿命与应力关系2IMT-2020(5G)推进组图1光纤寿命与应力关系2 光纤通信网络通感一体化的多场景应用分析 光纤通信和感知的融合是基于光纤光缆资源共享的基础之上，在一张网络上同时实现数据传输与环境感知功能，对传统光纤通信网络功能进行革新与扩展。目前具备通感一体化功能的光纤通信网络主要有两大应用方向，一是借助感知功能提升通信系统的稳定性，即利用光纤光缆对所处环境的感知、识别与预测，实现光纤光缆的智能化管理和监测应用；二是基于光纤通信资源使能多场景的感知增强，即借助于泛在部署的光纤通信系统资源，实现感知的多维、广域覆盖，降低感知硬件部署成本，提升光纤光缆资源利用率，满足多场景的感知需求。光缆资源的管理和监测光纤通信网络经过多年的发展，建设规模和复杂度不断增加，形成庞杂的体系，利用光纤传感技术，实现光缆资源管理、维护及监测的智能化和可视化，保障光纤通信网络的安全和稳定，提升传输质量。光缆资源管理方面，传统光缆资源管理(光纤识别、光纤路由还原、光纤寿命预测等)手段大多依赖于静态数据库，更新不及时，且易出错，无法准确反映光纤光缆在实际网络中的变动。利用光纤传感技术，与地理信息系统（GIS）结合，有望实现光缆路由信息的精准管理与可视化展示。此外，传统光纤寿命评估多基于经验，缺乏对光纤状态参量的精准感知和实际运行环境的考虑，预测准确度较低。应力与光纤的寿命密切相关[1]，如图1所示，通过光纤传感技术，实时监测光纤的应力变化，建立科学的寿命预测模型，可实现对光纤性能衰减的预警和维护。市的智能感知网络，实现城市交通车流、路面状况及桥梁健康状况等监测，如图3所示。3IMT-2020(5G)推进组市的智能感知网络，实现城市交通车流、路面状况及桥梁健康状况等监测，如图3所示。3光缆资源监测方面，面对复杂网络环境下光缆资源的隐形损伤，如微裂纹增长、缓慢性能退化等，传统技术手段在实时性、定位精度以及对微小损伤的敏感性上存在局限，难以做到早期预警，尤其是对于埋深较深、环境复杂的光缆段（如图2所示），定位误差较大，甚至无法进行有效测试，亟待解决。基于光纤传感技术，构建实时、准确监测光纤状态、并在故障发生前进行预警的监测系统，实现在复杂环境下非接触式探测光缆位置及埋深，降低误报和漏报，减少业务中断时间。图2光缆铺设环境复杂环境感知和安全监测光纤通信网络利用光纤传感技术可以实现对光纤周围环境的感知，构建泛在的感知网络。复用已有的光纤资源进行环境感知和目标资源的安全监测，减少单独部署传感网络的巨额开销，提升光纤网络的综合效益，展现出良好的经济可行性。下面针对几种典型应用场景进行分析。利用电信光缆资源实现环境感知随着运营商光纤网络的不断扩张与深化覆盖，庞大的光缆资源应用拓展成为热点研究领域，其中城市动态监测与地质水文环境监测具有实际应用潜力。城市动态监测方面，传统的视频监控、感应线圈等城市监测手段的覆盖能力有限，难以实现全城范围内的实时动态监测，维护成本高。基于光纤传感技术，将不断扩张的光纤通信网络转变为遍布城图4利用海光缆监测台风过境的海流变化4IMT-2020(5G)推进组图4利用海光缆监测台风过境的海流变化4图3城市动态监测示意图地质水文环境监测方面，光纤通信网络覆盖多样化的地质环境，相较于卫星遥感或地震台等监测手段，光纤传感技术能以相对较低的成本实现地下深层结构的连续、高密度监测，预警地质灾害如地震和滑坡等，如图4所示[2]。分析光信号在光纤中传播时的频率、偏振态等参数变化，不断提高检测微小土壤位移、地下水位变化等方面的灵敏度，进行地质灾害的预警。（3）利用OPGW实现电力传输线缆安全监测输电线路途径环境恶劣，跨越江河、海洋、沙漠、森林及高海拔区域，地理环境及气象复杂，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴、冰雪5IMT-2020(5（3）利用OPGW实现电力传输线缆安全监测输电线路途径环境恶劣，跨越江河、海洋、沙漠、森林及高海拔区域，地理环境及气象复杂，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴、冰雪5利用油气管线伴行光缆实现管道资源安全监测管道输送作为石油天然气的运输方式，对国家经济与民众生活有着重要作用。管道输送的介质具有高度易燃易爆性，运行时处于高压状态，一旦发生泄漏，不仅会威胁环境安全，还可能引起爆炸等灾难性后果，对资源的健康监测以及防外破监测至关重要。管道资源健康监测方面，传统手段进行管道内检测器和清管器的实时跟踪定位难以满足高精度定位的要求。利用管道伴行光缆和光纤传感技术，有望实现对各种条件下、不同规格的管道检测器实时、高精度的跟踪定位。防外破监测方面，油气管道多属于开放系统，安全隐患具有时空随机性、分布广域性、发生隐蔽性、后果灾难性等特点，安全预警与风险防控是系统性技术难题。传统监测设备易受环境干扰，导致误报和漏报频发，且存在识别准确率不高、弱信号检测能力不足、多因素模型预测精度有限以及实时性受限等问题。基于管道伴行光缆，持续收集管道内温度等环境信息，构建可在恶劣环境下进行广域、实时的数据采集与分析的系统，一旦监测到人工挖掘或管道附近施工造成的管道泄露，即可迅速精准定位，为应急响应提供宝贵时间，如图5所示。图5油气管道监测现有光纤通信网络架构和技术难以满足不断涌现的应用需求，亟待研发资源高效利用、满足差异化应用需求的新型通感一体化网络架构和使能技术。一是实现光纤通信网络的通感一体化，需在既有光纤通信网络中融合感知功能，在既有通信网络架构上构建感知系统。二是产业界正在积极寻求合适6IMT-2020(5G)推进组现有光纤通信网络架构和技术难以满足不断涌现的应用需求，亟待研发资源高效利用、满足差异化应用需求的新型通感一体化网络架构和使能技术。一是实现光纤通信网络的通感一体化，需在既有光纤通信网络中融合感知功能，在既有通信网络架构上构建感知系统。二是产业界正在积极寻求合适6灾害等环境因素影响，阻碍电力系统的安全稳定运行。亟需在线监测电力传输线缆运行状态，及时发现故障并预警，降低灾害造成的损失。对电网中的架空输电线路进行持续、实时的监测和评估，主要包括导线及金具温度监测、导线弧垂监测、线路覆冰监测、微风振动与导线舞动监测、杆塔倾斜监测、雷击监测及火灾监测等，如图6所示。传统的监测方法依赖于周期性的手动检查和局部安装的传感器，具有巡视效率低、难以全面覆盖电网、易留下监测盲点、无法有效采集动态数据、安装和维护工作量巨大及故障率和成本较高等问题。基于伴随高压输电线敷设的光纤复合架空地线（OPGW），采集高压电线的应力变化、振动、温度等关键参数，建立非侵入式监测，实现全生命周期感知。构建预防性维护系统，实现自动识别灾害前兆，触发预警机制，并提供精准定位的监测系统，对电网资源健康状态提供及时准确的评估。图6OPGW光缆自然灾害监测光纤通信网络通感一体化关键技术研究 征，为模型层提供数据输入。模型层：构建分析模型，对数据层输出的数据进行模式识别、异常检测、预测分析等处理，识别特定事件或模式，针对不同的监测目标（如光缆损伤预测、管网泄漏检测、输电线路故障预警）进行7IMT-2020(5G)推进组征，为模型层提供数据输入。模型层：构建分析模型，对数据层输出的数据进行模式识别、异常检测、预测分析等处理，识别特定事件或模式，针对不同的监测目标（如光缆损伤预测、管网泄漏检测、输电线路故障预警）进行7的监测方案，目前广泛应用的技术路线包括分布式光纤传感技术及相干信号DSP解调技术。三是新型光纤光缆不断涌现，为光纤通信网络通感一体化性能提升和应用拓展提供了有力支撑。通感一体化系统架构在已有的光纤通信网络基础上构建感知能力，支持多种应用场景，系统架构分为5个部分：物理层、数据层、模型层、应用层以及管控层，如图7所示。通过这5个部分的紧密协作，构建从数据采集到应用服务的系统，为实现智能化感知和决策提供技术支持平台。图7光纤通信网络基础上构建感知能力物理层：作为系统的基础，物理层集成多类型分布式传感设备，构建既能承载传统通信业务，又可支持感知功能的网络架构。从物理层面来看，光网络通感一体化指通信与感知在光纤资源层面实现复用，如采用波分复用、空分复用等方式实现传感数据和通信数据的多路复用与传输。以光纤作为传感元件，实时捕捉环境变化，如温度、振动、声波等物理参量，并通过光纤网络传输传感数据。数据层：负责接收来自物理层的原始数据，执行数据清洗、格式化、压缩等工作，提升数据的质量和可用性。通过大数据分析和数据挖掘技术，对海量数据进行整理和分析，提取有价值的信息特图8基于 -OTDR的光缆防外破预警系统示意图8IMT-2020(5图8基于 -OTDR的光缆防外破预警系统示意图8定制化训练，实现异常检测、趋势预测与健康评估。这些模型不断进行学习和优化，以提高事件识别的准确性和响应速度。应用层：基于模型层的分析结果，应用层设计并实现针对不同应用场景的服务和解决方案，确保感知数据能够转化为实际应用价值，满足用户特定需求。多系统联动监测，如不同跨段的光缆监测单元协同工作，互相补充验证，实现光纤光缆资源全面、大范围感知，提高监测的准确性和可靠性。管控层：作为系统的指挥中心，管控层负责整个系统的资源配置、任务调度和安全监控。通过南北向接口与协议，实现对上层应用服务和底层数据传输的高效管理，确保数据流转的稳定性和安全性。同时，管控层根据不同的应用场景，动态调整模型和算法的配置，以适应业务需求的变化，确保系统的灵活性和可扩展性。目前提出的系统架构中通信与感知作为两种业务形态相对独立存在，未达到深度融合。如何进行资源统一调配、信息统一整合，实现动态调控和协同机制，需要产业界进行更多探索和研究。通感一体化技术应用方案分布式光纤传感技术应用方案分布式光纤传感技术沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化的信息进行监测，具有高灵敏度、抗电磁干扰、分布式等优势，目前业界已提出几种较成熟分布式光纤传感技术应用方案。基于-OTDR技术的光缆防外破预警光缆线路常遭受到外力破坏，如施工挖掘、自然灾害等，导致通信中断。基于-OTDR技术和机器学习的光缆防外破预警系统通过实时监测光缆状态，预警外部破坏，实现快速响应和维护，保障通信网络的稳定与安全，如图8所示。可能的影响范围等预警信息，结合GIS系统，提供光缆网络布局、异常点位置及周边环境信息的可视化数据。运维响应：为实现快速、有效的危机管理，有效保障通信业务安全。运维人员根据监测系统的预警信号启动预案，携带必要的工具和设备前往现场，同时协调资源进行外破修复。9IMT-2020(5G可能的影响范围等预警信息，结合GIS系统，提供光缆网络布局、异常点位置及周边环境信息的可视化数据。运维响应：为实现快速、有效的危机管理，有效保障通信业务安全。运维人员根据监测系统的预警信号启动预案，携带必要的工具和设备前往现场，同时协调资源进行外破修复。9-OTDR采用窄线宽光源，将一个高相干的泵浦脉冲注入到待测光纤中，接收端探测到的信号是脉宽内瑞利散射光的干涉叠加，当光纤周围无扰动时，相干叠加光处于稳定状态。光纤某处受到外界扰动时，光纤的径向长度和折射率均会受到明显的影响，产生信号的相位和强度变化。通过信号差分、IQ解调等手段解调信号相位或强度的变化，进行振动监测。通过分析多种振动类型产生的探测样本数据，建立不同外破场景的识别算法，实现分级预警机制。基于-OTDR技术的光缆防外破预警系统包含硬件部署、信号处理、预警与定位和运维响应，如图9所示。图9基于-OTDR的光缆防外破预警系统方案流程硬件部署：规划整个光纤通信网络，在易遭受外力破坏的关键节点和易损区域安装具备高灵敏度和低噪声特性的-OTDR设备，如穿越道路、河流、建筑工地附近等。-OTDR设备通过光分路器或耦合器与主光缆连接，在不影响主通信业务的前提下，实现非侵入式的实时监测。此外，需确保所有硬件设备符合室外环境的耐用性和可靠性要求，如防尘防水、耐高低温等。信号处理：负责存储和处理从各监测点回传的原始数据，滤除背景噪声，提取出外力作用导致的相位变化信号。数据处理算法包括先进的数字信号处理技术、模式识别以及机器学习等。同时，系统具备良好的可扩展性，以适应未来网络扩张和满足数据量增加的需求。预警与定位：实时判断检测到异常相位变化是否达到预警阈值，提供异常发生的地点、程度以及实时监测与预警：通过集成GIS系统，将处理后的数据映射到城市地图上，实现空间和时间维度的关联分析。持续监测光纤网络传回的数据，一旦发现异常信号，例如交通异常拥堵、路面破损或桥梁结构的微小变化，立即触发预警机制。10IMT-2020(5G)实时监测与预警：通过集成GIS系统，将处理后的数据映射到城市地图上，实现空间和时间维度的关联分析。持续监测光纤网络传回的数据，一旦发现异常信号，例如交通异常拥堵、路面破损或桥梁结构的微小变化，立即触发预警机制。10-OTDR技术本身已较为成熟，然而将其应用于大规模光缆防外破预警系统，涉及到的信号处理算法、数据传输与处理、以及通信和感知功能集成等关键技术仍需进一步优化与验证。特别是算法的鲁棒性、系统整体稳定性和成本效益，是当前技术发展的重点。基于-OTDR技术的道路车流和道路故障动态监测基于-OTDR技术的城市道路动态监测方案利用沿城市道路铺设的光缆，监测车流状态、道路状态动态变化引起的光相位变化，识别振动信号，进行事件特征提取和分析，从而实现对道路塌陷等危害的提前感知并预警，如图10所示。图10基-OTDR的城市道路监测方案示意图基于-OTDR技术的城市道路动态监测方案包含监测方案部署、信号处理与分析、实时监测与预警和数据融合与应用开发。监测方案部署：利用已有的城市光纤通信网络或设计铺设新的光纤线路，在主干道、桥梁、隧道、地铁线路及建筑物周边等关键区域部署监测网络，确保网络覆盖全面并可实时捕捉城市运行产生的各种动态信息。信号处理与分析：从海量光纤回波信号中提取出有用信息，开发先进的信号处理算法，结合噪声过滤技术，确保数据的纯净度。通过机器学习和人工智能算法，学习并识别特定的信号模式，如不同类型的车辆行驶、基础设施故障引起的振动特征等，从而提升事件识别的准确率和响应速度。特征提取等步骤实现感知数据的分析，识别不同类型的事件，如人工挖掘、机械挖掘、自然灾害等。管道风险预警响应：包括1）风险阈值设定，根据事件类型和特征，设定合理的风险阈值，评估其对管道构成的威胁等级；2）基于数据分析结果，实时监测管道状态，识别异常情况；3）当监测到的风险超出设定阈值时，智能预警系统快速做出响应，触发预警机制。IMT-2020(特征提取等步骤实现感知数据的分析，识别不同类型的事件，如人工挖掘、机械挖掘、自然灾害等。管道风险预警响应：包括1）风险阈值设定，根据事件类型和特征，设定合理的风险阈值，评估其对管道构成的威胁等级；2）基于数据分析结果，实时监测管道状态，识别异常情况；3）当监测到的风险超出设定阈值时，智能预警系统快速做出响应，触发预警机制。在桥梁结构、轨道交通结构等安全检测应用领域，上述基于-OTDR的技术也可以实现关键结构参量的动态感知。结合BOTDR等更多类型感知技术，可为上述应用提供多参量多维度感知，提升感知性能。交通管理等相关部门，可结合上述多维感知数据，形成更为全面的城市监测数据，包括视频监控数据、气象信息、交通流量统计等一起，进行多源数据的综合分析，从而提供更全面的城市运行视图。分布式声学传感实现输油管道安全监测依托伴行光缆搭建管道安全预警与泄漏监测系统，准确识别人工挖掘、机械挖掘、自然灾害、定向钻孔等威胁事件监测，有效遏制第三方施工损伤事件的发生，如图11所示。利用分布式声学传感技术（DistributedAcousticSensing，DAS），实现信号还原、信号识别与事件威胁度分析，目前可实现误报率小于10％，定位精度小于50m。图11基于DAS的输油管道安全监测方案示意图基于DAS技术的输油管道安全监测方案包含传感单元部署、感知数据的采集和分析及管道风险预警响应。传感单元部署：合理设置光纤传感网络，确保覆盖整个管道沿线，监测管道周围的振动和声波信号。另外还需要考虑可适应管道沿线环境条件的光纤类型和保护措施，确保稳定工作在各种管道环境。感知数据的采集和分析：在通信站点部署的设备中集成，收集感知信号，再经过数据的预处理、度传感器，建立光纤复合架空地线地理位置与分布式温度曲线的对应关系，分别比较温度曲线中同一位置不同时刻的温度以提取出温度突变区域，再比较与温度曲线中温度突变区域相邻的几个位置的温度变化以排除温度测量中的干扰因素，从而确定温度的突变来自于雷击，并结合避雷器的计数变化，12IMT-2020(5G)推进组度传感器，建立光纤复合架空地线地理位置与分布式温度曲线的对应关系，分别比较温度曲线中同一位置不同时刻的温度以提取出温度突变区域，再比较与温度曲线中温度突变区域相邻的几个位置的温度变化以排除温度测量中的干扰因素，从而确定温度的突变来自于雷击，并结合避雷器的计数变化，12利用OPGW实现高压输电线健康监测基于OPGW的高压输电线健康监测，采用OPGW内一芯冗余光纤作为传感单元，以衰耗、温度、应力和振动等监测参量作为基础数据，结合覆冰、雷击、火灾、风偏舞动等场景事件识别结果，开展OPGW光缆健康状态大数据分析。导入深度学习算法模型，通过对样本的训练，得到各层节点之间的连接权值和阈值，实现OPGW光缆健康状态评估，系统整体框架如图12所示。图12基于OPGW实现输电线安全监测分布式温度传感实现OPGW光缆雷击和火灾监测：对于光缆雷击监测来说，雷击作为一个瞬态过程，其短时间内释放的巨大能量会对输电线路相应区域产生明显的热量影响，雷击后电流在雷击点到高塔如地面的路由界面上形成温度梯度分布。根据此特性，将光纤复合架空地线中的备用光纤作为温13IMT-2020(5G)推进组13最终辨别和定位雷击事件。对于火灾监测来说，基于分布式光纤测温技术可以支持光纤沿线温度的连续、分布式测量，通过温度监测数值、温度上升速率、相邻区域温度偏差等特征监测，实现火花、火苗以及火灾等事件的判别。分布式振动传感实现OPGW光缆覆冰和风偏舞动监测：对于覆冰监测，基于相位敏感光时域反射原理，获取线路振动状态，把具有一定弧垂的单档缆线等效为弹簧模型，分别获取有、无覆冰时的特定振动频率。覆冰条件下缆线重量增加，导致弧长加大，振动频率降低，通过振动频率的变化，实现线路覆冰状态监测。对于光缆风偏舞动监测，当风吹过架空光缆时，空气的黏性作用会在光缆表面产生较大的边界层，边界层因光缆表面不平坦而剥离形成周期性的卡尔曼旋涡。卡尔曼旋涡会引起光缆表面垂直风向的抬举力变化并产生空气振动，形成光缆风致振动。振动的强度与风速密切相关，通过监测光缆振动情况，反演输电线路走廊的风速情况。根据风速、不平衡张力与振动的具体关系，设计推演模型，评估OPGW运行状态。（5）小结分布式光纤传感技术方案可通过波分复用、频分复用、空分复用等技术整合到相干通信网络中，或载波调频的方式整合到直调直检网络中，实现通信信号和传感信号的共传。通信信号和传感信号的信号格式存在较大差异，分布式光纤传感往往采用峰值功率在100mW量级、持续时间在数十ns左右的高功率窄脉冲进行传感。对光纤通信系统而言，这种突发的高功率脉冲与承载业务的通信信号在光纤中共传，易引起非线性效应，恶化传输性能。抑制通信与传感信号串扰的技术方案成为产业界和学术界的研究热点，已有初步进展。在OFC2024会议上，国内外研究团队展示了分布式光纤传感分别与单载波、多载波相干通信系统信道融合的设计方案[3,4]，在解决系统传输距离与空间分辨率、频率响应之间的相互制约问题上取得了一定进展。相干信号DSP解调技术应用方案外界环境的干扰引发光纤的双折射效应，引起光信号的偏振变化，通过数字信号处理（DSP）芯片对光纤链路端到端扰动事件引起的光束偏振态变化进行分析，获得光纤链路实时的偏振态变化情况，反演光纤链路中环境参量变化，实现光缆的监测或者环境监测应用，如图13所示。图14SOP异常定位示意图14IMT-2020(5G图14SOP异常定位示意图14图13基于相干信号DSP解调的传感监测方案示意图基于相干信号DSP解调技术的监测系统包含相干光生成、信号解调及数据分析。相干光生成：相干光信号在承载数据的同时，受到光缆链路沿线的环境变化影响，通过高稳定性和相干性的光源，控制光源的偏振态、相位和功率，为后续的信号解调和环境监测提供合适的光源。信号解调：在信号的接收端，相干光通信系统的DSP解调模块完成信号参量解调。从接收信号中提取并分析信号的偏振态、相位和功率变化，量化环境因素造成的影响，为环境监测提供依据。数据分析：针对不同偏振参量，对DSP处理后的信号特征进行深度分析，从原始数据中提取反映环境变化的特征向量。通过大量标记数据集进行训练，使模型能够学习和理解不同环境变化与信号特征之间的关联。机器学习算法利用长期收集和分析的监测数据不断优化网络配置和维护策略，提高整个系统的稳定性和资源利用效率。相干信号DSP解调技术方案无法通过单端检测的方式获取光纤分布位置上的SOP变化，需利用检测双端SOP事件时间差计算SOP发生的位置（要求光纤为东西向光纤，且在同一光缆内）。如图14所示，已知为AB站点间的光纤长度（假设双向光纤长度一致），光纤折射率，光速c，主模块和从模块检测到的SOP告警时间点、，SOP异常位置可以用 计算得到。3.3.1光纤在原有线路通信基础上增设分布式传感设备，配接同一光纤或者同缆不同光纤，实现通感一体化部署，具有较高的经济收益。已建成光纤通信网络大规模采用常规G.652.D单模光纤，具有损耗较高、15IMT-2020(5G3.3.1光纤在原有线路通信基础上增设分布式传感设备，配接同一光纤或者同缆不同光纤，实现通感一体化部署，具有较高的经济收益。已建成光纤通信网络大规模采用常规G.652.D单模光纤，具有损耗较高、15双端检测方案的定位距离误差来源包括检测到SOP事件时间差的误差和SOP持续时间，对应用场景有明确约束，要求应用于单一瞬时大SOP事件的场景应用（不适用多个位置同时发生大SOP事件场景；SOP事件持续时间在us级别，速度在Mrad/s级别）,如架空光缆闪电引起大SOP场景。除利用SOP变化，相干信号DSP解调方案还可利用光信号的相位抖动和光链路功率剖面估计（PPE）等参量实现光链路的状态监测，但这种方案对窄线宽激光光源和DSP器件的性能要求极高，需进一步研究。与传统的分布式传感系统相比，相干信号数字信号处理（DSP）解调方案能够充分利用现有的光纤通信基础设施进行环境参数的监测，无需额外部署专门的传感设施。这种方法不仅降低了成本，还确保了系统的灵活性和可扩展性，同时可避免对现有光纤通信网络的影响，实现对光纤链路环境参数的便捷快速、灵活监测。尤其是在应对架空光缆遭受雷击导致的大规模偏振态（SOP）变化的情况下，该方案可以提供高精度、高响应度的监测结果。相干信号DSP解调方案的实施对传输设备制造商的DSP芯片提出了新的挑战。一方面，特征提取算法的复杂度较高，这需要占用原本用于支持相干通信的部分资源，有可能会对正常的通信服务产生一定的影响。另一方面，基于DSP的纵向特征提取过程需要复杂的逆向计算算法，这使得系统容易受到链路噪声和非线性干扰的影响。目前，该领域尚未形成成熟的空间分辨能力和信道间分辨能力的理论模型，这对于提升系统的整体性能至关重要。未来的研究方向应该包括但不限于以下几个方面：开发更为高效的特征提取算法以减少资源消耗并保证正常通信不受影响；提升系统的抗干扰能力，特别是对于链路噪声和非线性效应的抑制；建立和完善空间分辨和信道间分辨能力的理论模型，以便分析和优化系统性能；探索如何利用现有硬件资源进行更深层次的数据处理和信息提取，以实现更高精度的监测。相干信号DSP解调方案无须调整已有网络架构、增加额外设备器件，在实际应用中展现出巨大潜力，备受期待。然而，要充分发挥其优势，还需要业界和学术界共同努力，不断解决当前面临的技术难题，并推动相关理论和技术的发展。用于通感一体化应用的光纤光缆光纤是构建通感一体化光纤通信网络的基石与关键要素，研究适用于不同行业应用场景及复杂外界环境的光纤光缆技术，具有非常重要的实际意义。及缺陷前驱体，达到辐射硬化的效果。3.3.2光缆光缆是光纤的重要载体，光纤通信网络通常基于光缆进行大规模铺设，部分通感一体应用可基于16IMT-2020(5G及缺陷前驱体，达到辐射硬化的效果。3.3.2光缆光缆是光纤的重要载体，光纤通信网络通常基于光缆进行大规模铺设，部分通感一体应用可基于16非线性阈值功率低、散射信号信噪比不足等问题，导致光纤传感系统测量距离和灵敏度有限。新型超低损耗系列光纤在实现数百乃至上千公里的超长距传输与传感距离具有一定优势。另一方面，恶劣环境场景带给光纤系统高温、高压或化学腐蚀等极端条件考验，对光纤材料选取与结构设计提出了更高要求。新型超低损耗系列光纤相较于常规G.652.D光纤，超低损耗G.652.B光纤和新型G.654.E光纤具备较低的衰减系数（≤0.17dB/km@1550nm），这一特性能够延长传输系统及传感系统探测光的传输距离。同时，G.654.E光纤具备较大的有效面积（典型值125μm2@1550nm），可降低光信号在传输过程中的非线性效应，提高注入光功率，增加测量距离。新型超低损耗系列光纤应用于超长无中继线路的单端测量有明显优势，基于OPGW光缆，已实现BOTDR单端253km的传感距离[5]。纤多芯光纤常规产品包括四芯单模光纤和七芯单模光纤，芯间弱耦合，具有低衰减和低串扰（衰减≤0.22dB/km@1550nm，芯间串扰≤-40dB/km）的特性。在通信方面，多芯光纤可应用于空分复用系统，适用于短距离高电压变电站和长距离海缆传输等场景。在传感方面，多芯光纤有助于解决传统单模光纤传感系统中普遍存在的温度和应力等多参量交叉敏感的问题，为多参量集成测量提供解决思路。散射增强光纤由于散射回解调端的传感信号强度较弱，瑞利散射信号信噪比低，限制了DAS系统的检测灵敏度和范围。通过提高光纤中掺杂和在光纤纤芯中引入周期性折射率调制的弱光栅阵列等方式提高光纤的散射信号强度，提升检测灵敏度，扩大检测范围。散射增强光纤通常衰减较大，在通信信噪比冗余要求较低的应用场景（如接入网等）具有一定的适用性。特殊境光纤通感一体化光网络应用场景或伴随极端恶劣环境，例如，在液化天然气管道的监测系统中，光纤通信系统需承受-190℃的极低温度环境；在核电站壳内区域等应用环境中，光纤则需要承受高达兆级戈瑞（Gy）的辐照量。材料的选取和结构设计等方案可提高光纤系统对恶劣环境的适应性。例如，耐温型的丙烯酸酯、聚酰亚胺甚至铜、铝、金等金属涂层材料的应用可将光纤的适用温度由-60℃~85℃扩展至-273℃~700℃；抗辐照光纤通过调整玻璃组分及完善工艺技术，减少制造过程中产生的缺陷中心17IMT-2020(5G)推进组17现有通用光缆，部分通感一体应用需通过光缆的结构创新或特性参数优化来提升感知能力。在电信领域，承载网通用传输光缆已能够满足光缆故障定位、路由查找及施工盗挖监测等通感一体应用需求。在油气管网领域，通用伴行光缆可应用于滑坡、第三方入侵等环境监测，并通过紧耦合松套和紧套光缆实现管道系统的变形、泄漏及环境风险（如滑坡、泥石流等）等应用的高精度监测。在电力电网领域，通用的OPGW光缆可监测雷击和山火引发的温度变化，以及覆冰和风害引起的振动变化。然而，在涉及覆冰、融冰过程中的应变监测及光缆安全评估时，使用紧套光缆以确保架空线与光缆的协同变形是必要的。并且通用的OPGW光缆中增加余长较小的纤芯，可进一步提升系统的监测能力。在海缆领域，通用海光缆均为带有余长的松套光缆，能够有效排除外界应力对监测的干扰，可进行温度、振动、声波的监测。对于海缆应变和锚害监测，紧套光纤的引入可提升实时应力监测能力。光纤通信网络通感一体化产业发展及标准化基于现网光缆资源的多场景应用实践通信与感知技术的一体化融合，将现有的多样化光纤光缆资源赋能高附加值应用场景，为新质生产力的发展提供了坚实的技术基础。电信领域、电力和油气等能源行业正积极依托现有的网络基础设施，推进通感一体技术的试验验证与产业化应用进程。(1)电信领域中国联通针对现网的运维监测需求，结合省分的光缆资源，进行多项通感一体化试验研究，探索光纤通信网络通感一体化技术在运营商光缆资源融合方面的应用前景，主要围绕光纤资源管理和光缆故障监测方面，如图15所示。图16中国联通光缆路由的可视化研究18IMT-2020(5G)图16中国联通光缆路由的可视化研究18图15中国联通现网通感一体化试验光纤资源管理：通过振动感知技术实现光缆路由的可视化，不仅能够实时追踪光缆的实际走向，还能够通过振动模式识别不同环境下的光缆状态，为光纤资源的规划、维护和优化提供了支撑。如图16所示，通过远程部署光缆监测单元，监测光缆资源的路由核查和光缆环境事件。此研究提高了资源管理的精确度，减少了因信息不准确导致的施工冲突和维护困难。的相似性来评估光纤对是否属于同一沟道，相关试验取得了良好效果。中国电信针对光网络哑资源管理、风险评估及故障定位等关键应用场景，使用-OTDR设备，开展60km高速长途干线进行现场试验研究，如图18所示，依托自主研发的AI算法，通过各分支卷积核尺寸多样化，从空间、时间以及空间-时间三个方向学习特征来识别各种光缆外破事件，避免网络层数增19IMT-20的相似性来评估光纤对是否属于同一沟道，相关试验取得了良好效果。中国电信针对光网络哑资源管理、风险评估及故障定位等关键应用场景，使用-OTDR设备，开展60km高速长途干线进行现场试验研究，如图18所示，依托自主研发的AI算法，通过各分支卷积核尺寸多样化，从空间、时间以及空间-时间三个方向学习特征来识别各种光缆外破事件，避免网络层数增19光缆故障监测：结合光缆的多维参量感知，如温度、应变、振动、偏振态变化等，构建光缆健康监测系统。系统通过实时监测光缆的各项物理参数，实现快速识别和分析光缆的异常变化，及光缆故障的早期预警，大大缩短了故障响应时间，提升了网络的稳定性和可用性。针对光缆不同外破风险事件的监测试验现场分析光谱响应模式，实现光缆资源的远程安全监测，如图17所示。图17中国联通不同光缆外破风险事件的监测试验为了有效识别光纤光缆中的同路由问题，提高网络运维效率，中国移动提出了一种可以在线识别运营商网络中同缆和同沟光纤的架构，并在11个现网站点开展试点实验。该框架在网络内部署智能传感单元（ISU），从实际网络环境中的光纤收集动态和静态数据。通过将ISU与SDN控制器配合，实现同路由光纤的在线识别。利用集成学习的原理，该架构增强了模型在复杂网络场景中的泛化能力。此外，对于同沟光缆识别问题，中国移动开发了多个独立的基础学习器，基础学习器根据振动事件曲线20IMT-2020(5G)推进组20多带来的过拟合现象，有效评估外破风险，实现精准定位，排查顶管施工、夯土机、压路机、挖掘机等多种隐患点，使外破风险数字化、可视化，保障光传输网络系统安全运行。此外，基于环境相似度算法，开展了光缆同路由监测，节省人力成本，在不开井、不损害光缆的前提下，降低光缆故障对业务的影响。图18中国电信基于现网光缆的外破事件监测试验油气管网国家管网集团试点建设智能管道，智能管道泛在感知范围主要包括管道本体及周边环境安全（应变、智能阴保、沿线施工、占压、地灾、泄漏等）、站场安全风险（火气监测、可燃气体检测、周界入侵等）、站场工艺及介质数据（阀门状态、压力、温度、流量气质等）、站场关键设备（压缩机组、电气设备、计量系统、控制系统、网络设备等），如图19所示。图19国家管网某天然气管道项目

IMT-2020(5G)推进组图图20多传感器融合的管道监测21通过在管道沿线部署光纤传感器、本体应变传感器、智能阴极保护系统等，结合站场的光纤周界传感和激光可燃气体监测，实现了对管道本体、周边环境、站场设备及安全状况的全方位、全天候监测，如图20所示。利用油气管线的光纤资源，集成光纤振动监测功能，实现智能管道多维立体感知联动。利用通信光缆建成巨型光纤传感网，实时监测并与多维感知联动，形成管道周边环境立体“保护带”，预防和处理第三方破坏、地质灾害等风险，提升了管道安全水平。22IMT-2020(5G)推进组22电力电网从2018年起，国网信通公司联合多家研究机构和相关企业设计研发了OPGW光缆在线监测设备，用于监测电力光缆的应力、衰耗、覆冰及外界温度的变化，并在国网±1000kV白鹤滩—浙江特高压输电线路进行了首次应用，同步在四川、湖北、湖南等省等区域电网中开展试点应用。结合监测设备的试点运行情况，基本验证了在不影响通信的情况下，可利用通感一体技术开展OPGW光缆状态在线监测。分布式光纤传感在线监测设备典型应用系统如图21所示，在变电站设备安装点安装监测设备，将设备光端口与被监测线路OPGW内一芯光纤连接，将接入设备的OPGW内一芯光纤作为传感单元和信号传输媒介，持续监测采集被测线路的实际运行特征，实现被监测线路全线路分布式监测。图21基于OPGW的在线监测示意图以其中一段监测链路为例，首先在A站和B站之间建立模拟的通信业务链路，通信业务收发业务正常占用2芯纤芯，作为通信测试链路，开通调试通信业务，并在两端站点挂误码测试仪表，对业务误码进行实时监测，验证在线监测信号对通信业务的影响；其次，部署两套分布式光纤传感在线监测设备，分别从A站和B站通过合分波器接入正常运行的通信链路中的其中的同一根纤芯，验证通感一体化监测方案，如图22所示23IMT-2020(5G)推进组23图22基于OPGW的通感一体化监测系统利用通感融合的光缆在线监测设备，可实现对全线光缆衰耗、温度、应变和覆冰分布进行实时监测，下面结合实际的覆冰监测和温度监测试验数据进行分析。覆冰监测应用图23所示为系统监测到的线路整体覆冰情况，显示从某年2月5日到2月11日、2月23到2月25日线路部分区间存在覆冰，其中覆冰区域主要存在13-19#(5.2~9.6km)、47#(23.6km)、59-63#(29.2~31.9km)、124-127#(58.9~61.0km)这四个档区间，且前端覆冰较严重。根据覆冰的历史变化曲线，可获得17#档和47#档分别对应2月23日和2月6日左右的线路覆冰增长期，如图24所示。图23图覆冰监测结果为了更好地利用光缆资源监测数据，需将通感一体化监测系统与现有的运维管理平台深度融合，实现数据的自动采集、分析与决策支持。包括开发兼容性接口、优化数据处理程序，以及建立自动化工作流程，实现更高效、智能化的运维管理。目前光纤通信网络通感一体系统的初期建设成本较高，24IMT-2020(5G)推进组为了更好地利用光缆资源监测数据，需将通感一体化监测系统与现有的运维管理平台深度融合，实现数据的自动采集、分析与决策支持。包括开发兼容性接口、优化数据处理程序，以及建立自动化工作流程，实现更高效、智能化的运维管理。目前光纤通信网络通感一体系统的初期建设成本较高，24图2417#和47#档覆冰变化曲线温度监测应用选取15#档处线路的温度随时间的变化，如图25所示，该档位在2月份线路最高温和最低温差别不大，对比当地天气预报，和预报的数据变化趋势一致。图2515#档处线路温度变化与预报数据对比结合上述光纤通信网络通感一体化技术的现网试验分析，总结该技术在实际应用中面临的关键挑战：集成化运维管理平台建设初始阶段，业界正在积极寻求将成熟的通信功能单元和感知功能单元集成，通过管控平台统一调度、协同工作的解决方案。（2）器件25IMT-2020(5G初始阶段，业界正在积极寻求将成熟的通信功能单元和感知功能单元集成，通过管控平台统一调度、协同工作的解决方案。（2）器件25需不断推动关键设备和器件的标准化和发展成熟制造制备工艺。智能化故障识别与精准告警感知系统的检测数据量大，需借助人工智能和机器学习技术，构建更加精准的光缆故障事件模型识别系统。通过学习历史故障数据，不断优化算法模型，设定合理的告警阈值，以减少误报和漏报，提高告警的准确性和实用性，提升故障处理的效率和质量。拓展应用场景与示范推广随着技术的成熟，探索光缆资源的多元化应用，如城市基础设施监测、环境监测、安防等领域。通过在典型场景中部署示范项目，验证技术的可行性和经济效益，为后续的大规模推广和技术迭代积累经验。同时，加强与地方政府、其他行业伙伴的合作，共同推动技术的跨界应用与商业化进程。基于现网光缆资源的多场景应用实践已经逐渐拓展到了除电信、电力和油气外的多个领域。例如，在交通领域，可以利用光纤传感技术监测桥梁、隧道的安全状况；在农业领域，通过光纤网络实时监测土壤湿度、温度等关键参数，实现智能种植；在环保领域，光纤传感可以用于大气质量监测、水质监测等，协助环境保护工作的有效开展。随着技术的进步和社会需求的增长，进一步拓展现网光缆资源的应用，为各行各业带来前所未有的应用前景。产业发展需多维度协同推动产业成熟度（1）设备OTDR已成为电信领域运营商规模集采的必备传感单元，国内华为、中兴、烽火等设备商均有成熟产品，模块化波分厂家也基本可以配备。高精度、大动态范围的OTDR以国外的仪表厂家VIAVI、EXFO等为主。现有的OTDR传感单元采集的数据，仅用于光缆故障的告警和排障参考，无法满足智能化、精细化的光缆管理类应用需求，且OTDR的网管模块亟待优化。基于DAS的传感单元国外以LUNAInnovations、Silixa等专业传感设备公司为主，国内以光迅、理工光科等为主。基于BOTDR的传感单元国外以VIAVI和LUNAInnovations为主，国内的BOTDR设备发展起步较晚，除光迅科技推出相关产品外，还有一些高校的科研转化成果。单一或多参量传感设备的研究已经相对成熟并具备产业化能力，但通感一体化技术尚处于发展的加强数据分类分级与安全管理降低光纤传感高灵敏度性带来的信息泄露风险。数据的分类分级管理是根据数据的敏感程度、重要性以及对安全运营的影响，划分为不同的级别，并采取对应的加密、访问控制等安全措施。保护数据隐私，减少数据泄露风险，确保关键信息的高效处理和利用。同时，26IMT-2020(5G)推进组加强数据分类分级与安全管理降低光纤传感高灵敏度性带来的信息泄露风险。数据的分类分级管理是根据数据的敏感程度、重要性以及对安全运营的影响，划分为不同的级别，并采取对应的加密、访问控制等安全措施。保护数据隐私，减少数据泄露风险，确保关键信息的高效处理和利用。同时，26OTDR、DAS等传感设备的关键器件国内外企业均可实现量产。窄线宽半导体激光器国内以光迅科技、武汉锐科、武汉中科锐择等企业为主，国外以Coherent、NKTPhotonics等企业为主。此外，调制器件、放大器件、滤波器件、探测器件等国内均有一批成熟的企业能够生产制造，虽然在高速器件层面与国外的一些厂商仍有部分差距，但对于目前的光纤通信网络通感一体化应用来说，基本可以满足需求。对于高性能监测设备，如超窄线宽光源、高速探测器、高速采集卡等模块器件，仍需技术突破。业界正在探讨通感一体化光纤通信网络的频段规范，规划波分系统的波长分配，对于传感信号光源的波长范围有一定的定制需求。目前的成熟传感产品往往基于1550nm波长的光源，因此需要针对其他波段的传感光源器件进行研发，涉及不同波段的窄线宽光源器件、光放大器件及波分复用器等。数据资产管理在实际应用场景中，传感功能单元会产生海量原始数据，从庞杂的数据中提取有效信息是通感一体技术实现规模应用的关键，建立AI模型进行事件的分析识别是较为有效的监测策略。AI模型的建立需要大量的数据输入，因此将感知数据归类存储形成数据资产，对于光纤通信网络通感一体化技术的应用具有重要意义。光纤通信网络的感知数据处理面临诸多挑战，一是数据量大可操作性差，全部数据云化存储难度高，数据筛选准确度及时效性存在挑战；二是光纤传感灵敏度高，可记录全场景所有事件，对受控区域安全的管理灰度造成冲击，存在数据披露风险；三是实验室难以模拟出各种复杂的实际监测环境，引起AI模型搭建的泛化困难、数据学习结果与实际情况的偏差、事件的识别率低等问题。为解决以上问题，业界正积极讨论解决方案，包括应用分布式计算与边缘计算、加强数据分类分级管理、构建数据共享共研平台等。应用分布式计算与边缘计算网络架构应用分布式计算与边缘计算应对数据存储和处理的挑战。分布式计算通过在网络中的多个节点并行处理数据，有效分摊计算负担，缩短数据处理时延，提升系统响应速度。边缘计算则将数据处理能力放于数据生成的源头，即传感器附近。边缘节点过滤非关键数据，优化数据筛选机制，实现数据的即时分析与决策，仅将重要信息上传至数据中心，减轻数据中心的计算压力，降低数据的存储成本，提升事件响应的时效性。加强数据分类分级与安全管理数据格式和编码规则，确保不同来源的数据能被统一解析和处理；数据共享方面，建立数据共享机制和安全策略，促进跨组织、跨行业的数据流通；数据接口协议方面，定义数据交换的接口标准，包括API接口规范，实现数据在不同系统间的无障碍交互。27IMT-2020(5G)数据格式和编码规则，确保不同来源的数据能被统一解析和处理；数据共享方面，建立数据共享机制和安全策略，促进跨组织、跨行业的数据流通；数据接口协议方面，定义数据交换的接口标准，包括API接口规范，实现数据在不同系统间的无障碍交互。27建立严格的数据审计和追溯机制，确保数据使用的合规性与透明度。构建数据共享共研平台建立产学研用的数据共享共研平台，提升AI数据模型的泛化能力。该平台应支持跨行业应用的数据交换与协作，汇集不同环境下的监测数据，不断优化和丰富AI模型库。数据共享共研平台可加速AI模型的迭代优化，提高模型在复杂环境下的适应性和精准度，促进知识共享，分散各方由于技术不确定性带来的成本和风险。标准化是产业规模发展的基础标准化建议随着光纤通信网络通感一体化技术的迅速发展及其在众多领域应用的不断拓展，标准化需求突出，建议在以下几个方面开展标准化工作：系统架构标准化：聚焦构建光纤通信网络通感一体化系统架构，明确通信模块和感知模块的功能定义、互操作性规范，以及与现有网络基础设施的兼容性，实现不同厂商设备的兼容性。接口和协议标准化：为确保不同厂商设备的兼容和互操作性，实现光学接口和数据接口协议的标准化至关重要，标准化内容涉及接口的物理规格、信号传输协议、光电转换效率、安全协议及互操作性准则等。波长规划与管理标准化：在波分复用技术框架中，制定波长资源的分配、管理和协调标准，引入抗干扰抑制技术，保障通信与感知任务在共享光纤中的共存，降低相互干扰，优化网络资源利用率。传感网络构建标准化：应涵盖网络设计、部署、维护及优化策略，包括传感器的选择、部署位置、数据采集频率及网络拓扑结构等，以适应不同应用场景的需求。关注组织和管理大量的传感节点，确保网络覆盖全面、数据传输可靠、以及网络的可扩展性和灵活性。光纤光缆标准化：应包括三方面，一是场景分类，对产品和试验方法进行分类，以适应各类特定的应用场景和需求，如海底光缆、地下管道监测等；二是确保兼容性，可与现有系统和网络兼容；三是开发标准化的测试流程和方法，评估光纤光缆在不同应用场景下的性能。数据处理与安全标准化：随着海量感知数据的产生，数据采集、统一、共享及安全的标准至关重要。数据采集方面，规范数据采集的频率、精度、以及传感数据的预处理方法；数据统一方面，制定光纤光缆国内外标准化进展见表1：28IMT-2020(5G)推进组光纤光缆国内外标准化进展见表1：28测试与评估标准化：建立全面的测试标准和评估体系，包括性能指标、可靠性测试方法、质量控制标准等，为技术的持续改进和创新提供支持。跨领域融合标准化：随着光纤通信网络通感一体化技术在智能家居、智慧城市、智慧交通、医疗健康等多个领域的广泛应用，跨行业、跨领域的标准化需求增多，亟待制定促进不同领域技术融合和数据交互的规范性标准，包括数据交换协议、安全性标准、更新与维护机制等。标准化进展国际电信联盟（ITU）、中国通信标准化协会（CCSA）等国内外标准组织积极开展通感一体化光纤通信网络的标准和课题的研究工作：设备与器件国际标准化方面，ITU近年来也开始关注感知功能集成在光纤通信网络通信中，SG15Q6相关标准提案逐年增多。中国联通、中国信息通信研究院、中国移动、华为等积极参与到ITU的标准化活动中，通过提交提案、参与工作组讨论、以及技术验证等方式，推动光纤通信网络的通感一体化标准化进程。以美国Verizon、日本NEC、日本NTT等为主导的G.dfos标准化项目，聚焦分布式光纤传感技术在通信系统中的集成研究，关注光纤接口和光参数指标等规范。在2024年7月