未来光通信基础设施：F5G Advanced演进用例探讨

当前物理世界与数字世界正在逐渐融合，未来的基础设施需要为数字化和智能化社会铺平道路，提供感知世界的新方法，并为人、机器和物理世界之间的通信提供新范例。

2022年10月，IEEE收录了2022年第13届CSNDSP（International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing）暨第二届未来光技术沙龙（FRONT（FutuRe Optical Networking Salon ） EDGE）期间的一篇论文《A Vision Towards F5G Advanced and F6G》。

该论文展示了ETSI F5G行业规范工作组（ETSI ISG F5G）基于用例和演进路线推动F5G Advanced和F6G发展的方法论。文中列举了未来光通信基础设施需要支持的用例，这类用例将支持F5G Advanced和F6G演进路线的制定，同时整合和协调不同的技术发展趋势，将数字化带给每个人、家庭和组织，构建万物互联的智能世界。

(资料图片)

1、介绍

未来的光网络需要支持传统电信场景以及家庭、工业、垂直行业、公用事业、企业、IT和政府等场景的海量应用。为满足上述应用需求，不仅需要全面覆盖当前通信场景，还应考虑到未来通信基础设施的技术发展趋势和愿景。2020年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立了第五代固定网络行业规范工作组（ISG F5G），以完成这一任务。ISG F5G工作组已成立2年多，发布了许多文件。本文总结了各类用例和网络场景下的三大共同趋势：

首先，连接将无处不在，并融入实物中。这意味着无感知连接将默默融入我们的日常生活与交互环境。

其次，要想实现人与环境的交互，新技术需要覆盖人的所有感官。这种交互还需要无处不在的输入和输出设备，如高级传感器、语音/手势控制器、新一代显示器、投影仪，甚至包括触觉和气味传感器/发生器等。

另外，随着人工智能的普及，环境智能化有望实现。在这种环境中，通信和计算基础设施需要融合，以降低总体成本和功耗，同时在合法的基础上满足隐私需求。

这些技术趋势导致光网络基础设施要求更高算力，以自主应对各类环境。此外，环境感知和基础设施中的组件协作产生了大量数据，导致通信和数据流量有所增加。随着光学传感能力的进一步增强，将会出现更多不同类型的应用。

基于光纤的光通信和传感是打造万物互联的基础，可实现海量数据高效传输。为充分发挥光技术的潜力，我们需要了解不同场景和个人用例中的未来通信需求。这样我们才能确定该需求与当前可用技术之间的差距，并通过研究、开发和推动标准化来缩小这一差距，这也是ETSI ISG F5G的使命。下文将详细解释ISG F5G工作组采取的措施，并辅以相关案例证明。

2、ETSI ISG F5G的用例驱动法

ISG F5G的标准化有一个关键特征，即它是一种面向应用的方法。对于F5G及后续演进技术来说，ISG F5G都会研究其具体应用场景，包括家庭、商业和移动通信等典型场景，以及各类垂直行业、化学和采矿应用、智慧城市等高级通信场景。对于后者，本文总结了一些满足高级通信需求的新一代通信用例。这些用例仅描述了特定的应用和相应的需求，具体技术的应用，详见后续技术概况和差距分析。随后，基于该差距分析，ISG F5G将确定当前技术和标准的实际差距，并与ETSI内部和外部的相关标准化机构交流，推动F5G及后续技术的演进和标准化。ETSI ISG F5G的标准化过程如图1所示。

图1:ETSI ISG F5G通过用例驱动标准化。ISG F5G确定了F5G相关的应用场景，不同场景对不同的用例有相应的需求，这些用例对技术概况和差距分析提出了技术需求，技术差距反过来又推动了不同标准化机构的进一步开发。

3、未来光通信用例

据悉，ETSI ISG F5G正在讨论未来光网络的通信需求。该讨论旨在确定推动研究、开发和标准化需求的相关通信场景和关键用例。这需要ISG F5G成员、行业其他成员、学术界、研究机构、最终用户和其他利益相关者之间广泛交换意见。ISG F5G预计，F5G Advanced将于2025年实现标准化，F6G将于2030年左右实现标准化。

以下用例介绍了业界正在讨论的部分F5G Advanced应用场景，以期抛砖引玉。

A.光纤到房间（FTTR）实现智慧家庭

智慧家庭，即家庭中的所有东西都是联网的，可与家庭成员实现无缝交互，并根据时间、活动类型、媒体/电视播放内容、室内外空气质量、温度等环境因素，控制供暖和通风、窗帘开闭、跨房间音乐播放、灯光调节等，提供舒适的房间环境。

这些功能都高度依赖家庭通信基础设施，而FTTR方案为智慧家庭提供了必须的高带宽、高可靠性和低时延网络连接，如图2所示。

图2：FTTR为智慧家庭应用提供高带宽、高可靠和低时延连接

B．光传感实现智慧园区

智慧校园利用大量光传感应用，包括周界安全、火灾报警、建筑监控、地震预报、交通监控、人员、车辆或障碍物检测、数字化3D地图和室内机器人导航等，提高整体效率（电源、工作等），保障员工和设备的安全。光技术在传感和提供底层通信基础设施方面发挥至关重要的作用，可提供智慧校园所需的传感器信息。图3为室内定位的相关用例。

图3：用于室内定位的光传感技术将使能众多智慧校园应用

C. 光传感实现智慧健康

智慧健康可实现从被动治疗到主动预防疾病的转变，是未来医疗的关键，还有望应用于早期风险检测和疾病预防、突发健康状况检测、事故检测及老人护理等方面。光传感在这一过渡过程中将发挥关键作用，如内置光学传感器的智能靠垫和床垫，可以监控呼吸、睡眠、心率、体重和其他重要健康指数，帮助人们在家、养老院或医院完成健康监测。

图4：智能光学传感器可为医疗机构或家中的病人提供无创健康监测，实现从治疗向预防的转变

D．使用光学定位系统进行精准定位

工厂车间物体的超高精度定位是实现智慧工厂和新一代数字孪生技术的关键。目前，确保可靠定位的射频（RF）频谱资源较为稀缺，定位系统通常依赖于无线电技术，精度有限，定位易受干扰。超高精度实时可视定位是打造精准实时3D模型，建设新一代自动化工厂关键。这些模型可规划小车的轨迹，从而预防事故的发生。

图5：精准的光学定位是打造新一代智能工厂的关键

E．光纤传感的工业应用

光纤传感对许多工业应用非常重要，包括电力线、天然气和石油管道、石油钻井、饮用水基础设施、化工厂、采矿、交通基础设施（道路、桥梁、隧道、铁路等）以及许多其他需要空间分辨率传感的应用。图6展示了一个采矿场案例，图中的光纤传感器可以用来监测振动、温度变化、应变和许多其他环境变化。

图6：光纤传感器可用于采矿，检测挖掘或钻探引起的振动、可能引发坍塌的应变、过热及其他温度变化因素

F．智能制造工业光网络

智能制造将基于新一代光网络向工业云演进，这是实现工业数字孪生技术的关键，进而推动工艺发展和生产监控与优化。图7中显示的这类技术与工厂、发电厂、化工厂、船舶、火车、机器人等许多工业应用息息相关。

图7：智能制造高度依赖通信基础设施。通过工业光网络，传感器的读取和施动者控制可以集中在（本地）云中，完成流程控制相关操作。这是一个很好的机会，可以通过整合资源，优化整体制造流程，同时利用人工智能提高网络可靠性、增强产品质量并开展预测性维护。

3、光通信的代际演进

本节将重点介绍ISG F5G的光网络代际演进路线。基于对光网络前几个代际的分析，将朝着F5G Advanced和F6G的愿景迈进。

ISG F5G对光技术演进的代际演示方法易于理解，且协调了全球光基础设施这一复杂系统的方方面面。这对需要部署通信解决方案的普通商业或家庭用户应用来说尤其重要。

A．F1G到F5G的演进

F1G到F5G的定义详见《F5G代际定义》和《ETSI ISG F5G白皮书》。与前几代技术相比，F5G实现了三个维度的演进：(1)增强固定宽带（eFBB），提高网络速度;(2)全光纤连接（FCC），通过光联万物增加接入点数量；(3)极致体验（GRE），提高服务质量并大幅降低应用时延。

图8：F5G的三大特性

B．F5G Advanced和F6G的演进愿景

我们相信，遵循固定网络的演进路线，光网络技术将不断改善，网络访问将进一步简化，并深化行业内合作。为此，我们需要讨论F5G Advanced和F6G的预期场景、用例和技术，以便用例可以实施和商业化。

这就需要绘制技术路线图，为整个行业提供引导。根据本路线图中的用例，如上文案例，F5G Advanced和F6G系统需要在其他维度上进行拓展，具体维度方向仍有待进一步研究。

速度、连接性能和体验需要进一步增强，因此F5G在上述三个维度的演进需要继续保持，以提高相应的关键性能指标（KPI）。其他KPI取决于市场需求和特定时间的技术水平，有待进一步研究。

需要进一步研究基础光子技术、光网络组件、整体架构以及新的应用和解决方案，以实现新一代光网络的承诺，并为相关新用例提供必要的性能。

根据当前用例，已经可以确定几个方向：

提高关键应用的光网络质量、可靠性和带宽，并改善用户体验。

大量光纤端点接入智能应用中的传感器和通信接入点。

提高光通信技术的适用性，实现超远距离覆盖、高可靠性、高质量、低成本的通信和传感应用连接。

将大算力和人工智能嵌入光网络，开发新型应用。

适应云应用，提高系统的灵活性。

优化网络，实现最佳能效。

优化融合通信和计算基础架构，将各类业务的整体功耗降到最低。

提高自动化水平，快速适应并降低基础架构的运营成本。

4、总结

ETSI ISG F5G遵循用例驱动和基于演进路线的标准化方法，通过预测不同场景下光基础设施的需求用例，确定当前技术与标准的差距。这些差距随后将通过研究、开发和推动标准化来消除。我们邀请全球研究和创新界以各种形式参与F5G Advanced中期和F6G长期面向新型光基础设施的创新过程。

论文原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9907924

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