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

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 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.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 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 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/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,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，99.999%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：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、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。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；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“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、地面站和控制中心，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，是天地一体化光通信系统面临的关键挑战之一。12 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 2.天地一体化网络发展需求天地一体化网络发展需求 图 3 天地一体化固定通信网（F6G）技术范畴 面向未来高动态、交互式网络应用，基于天地一体化的 F6G 网络将在感知、接入、传送、组网与呈现方面呈现出新的需求和发展趋势，如图 3。2.1.高速率全域接入高速率全域接入 目前，陆地移动通信服务的人口覆盖率约为80%，但受制于经济成本、技术等因素，仅覆盖了约 20%的陆地面积，小于 6%的地表面积。未来，天基卫星通信网将成为地面固定网络之外的第二张接入与传输网，在提供广覆盖能力的同时，还将作为地面固定网络的补充，承载越来越多的互联网流量，如图 4。传统地面固定光通信网在覆盖范围内的接入能力已经非常可观，而卫星通信网络覆盖范围内的接入能力还比较有限，发展天地一体化网络需重点提升覆盖范围和接入能力。2.1.1.广覆盖 卫星光通信与地面光通信技术互为补充，可共同构建覆盖全球的天地一体化光通信系统。在覆盖能力方面，陆地人口密集区域用光纤接入网覆盖，发挥无源光网络的接入容量优势；偏远地区与无人区域则采用卫星覆盖，充分发挥卫星的覆盖能力优势。天地一体化光通信系统将融合地面固定网络、卫星通信网、自由空间光通信的技术优势实现面向物的无缝覆盖。13 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 图 4 天地一体化固定通信网（F6G）全域覆盖接入能力示意图 地基网络覆盖面积扩展：地基网络覆盖面积扩展：需重点发展 FTTR 或 FTTM 技术。FTTR 即光纤到达每个房间将使用室内光纤代替现有的网线布线方式，结合下一代 WiFi 或太赫兹接入技术将有望扩展覆盖面积。从 FTTR 走向 FTTM，将进一步提升接入网的覆盖面积。地基接入网覆盖范围将突破传统的家庭宽带业务，走向全光园区、全光工厂、全光校园等新的宽带光接入场景，进一步实现面向大规模全光物联网的发展。天基网络覆盖面积扩展：天基网络覆盖面积扩展：除了增加卫星数量以外，可以高轨、中/低轨卫星通信星座为基础构建多层通信网，以扩大全球覆盖面积。天基网络的覆盖范围主要取决于网络结构和通信技术。网络结构方面，可通过优化星座轨道与网络拓扑方面实现覆盖面积的提升。对于通信技术，天基网络以星间激光通信为主，星地通信以毫米波与极高频传输为主，结合无人机、飞艇等空中平台的自由空间光通信，共同提升天基网络对数据链路的管理能力，扩大覆盖范围。2.1.2.大带宽 传统卫星通信技术以数据通信和中继为主，主要用于服务专业型应用，业务数量少、接入速率低，在接入能力上属于天基窄带通信系统。未来的低轨卫星通信网将面临大量的 14 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 智能网络终端和各类互联网业务，需提供 Gbps 规模的宽带接入能力。提升天地一体化光通信系统的接入能力，需要实现高低轨卫星及地面的联动接入和天地基资源的灵活调度，以支撑天地接入系统的优势互补，推动当前“地基宽带+天基窄带”接入能力向“地基宽带+天基宽带”的方向增强。提升天地一体化光通信系统的接入能力，还依赖于光电信息理论和集成高带宽通信和高精度探测遥感技术。考虑到深空探测中继、海洋信息融合、地球引力场测量等前瞻性应用场景，用户侧需要研发高性能、多模式、小型化、低功耗的新型卫星智能信息终端，进而支撑 F6G网络天地一体化的深度融合，实现天地网络的智能弹性接入和无缝切换。2.2.大容量安全传输大容量安全传输 天地一体化网络将实现空天地海的全时全域互联，连接终端数量与承载的数据量将急剧增强。同时，星间和星地的通信链路穿越开放空间，也面临被截获、被入侵的风险。未来，天地一体化的通信网络需具备大容量安全传输能力，如图 5，以保障安全高速互联。图 5 天地一体化固定通信网（F6G）传输示意图 15 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 2.2.1.大容量 传统网络容量面向单一网络场景，只需要保障当前网络所承载的业务流量需求，不支持空基、天基、地基等多网络融合的业务需求。为了应对天地一体化网络多网络融合带来的流量急速增长问题，未来天地一体化网络将在传输和交换方面同时向大容量方向升级。多波段传输：多波段传输：通过拓展光传输系统的频谱带宽（即多波段光通信技术）的方式来进行扩容。主流的光传输系统都是基于 C 波段（即从 1530nm-1565nm，约 35nm 的光纤频谱）。然而，标准单模光纤的低损耗窗口事实上远大于 35nm，其它波段（如 O、E、S、L、U 波段）在光纤损耗上会略高于 C 波段，但仍在 0.4dB/km 以下的低损耗范围内，其均可进行有效的通信，具有很强的扩容潜力。全光交换技术：全光交换技术：具有高带宽、低时延、低能耗、可重配等优势，是实现大容量交换的关键技术之一。使用光交换机进行组网互连，为不同类型业务流提供连接服务，既可以克服电子瓶颈，又可以在进行大规模组网时满足业务低时延，低能耗等要求。2.2.2.高安全 传统网络通过基于数学复杂度的加密算法在上层对数据进行加密，并配合防火墙、介质访问等技术实现网络安全，而底层的传输系统则提供透明的传输服务。为了应对天地一体化网络开放空间带来的安全风险，未来天地一体化网络将在物理层进行安全体系升级，天地一体化网络由“信息安全”转向“信道安全”。物理层“信道安全”技术基于信道的物理层特征实现密钥分发和数据加密，并通过监测物理层特征识别潜在的攻击行为。物理层安全加密：物理层安全加密：天地一体化网络的开放性、高覆盖范围和广播特性为窃听者提供了天然的窃听条件，使得信息传输容易被窃听和干扰，并且恶意攻击者的藏匿空间更大，因此需要物理层信道加密来抵抗这些攻击。物理层信道加密利用无线信道的唯一性、时间可变性及空间去相关性可极大地提高非法方的入侵与截获难度，从而保障天地一体化网络的通信可靠性。物理层密钥协商：物理层密钥协商：在空天地一体化网络中，不同的设备和系统需要相互通信和交换数据，只有获得相应的安全密钥才能进行通信数据加密，确保数据在传输过程中的安全。16 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 密钥的动态更新和有效的密钥管理对于维持通信和数据传输的安全至关重要。安全密钥分发系统应当能够实现安全、高效的密钥更新和管理。信道异常检测信道异常检测：天地一体化开放光网络具备范围大和规模大的特点，并且面临严重的安全威胁，尤其在物理层发生的攻击问题，如窃听和干扰。传统上用于光纤网络的检测工具，如光时域反射仪（OTDR），其在广域通信链路中的应用存在一些限制，例如检测距离有限、成本较高等。在天地一体化的场景中，需要低成本高覆盖的信道异常检测方法，以连续监测一体化链路并及时定位任何网络攻击。2.3.高动态智能组网高动态智能组网 天地一体化的网络具有高度的动态性。一方面，天基网络相对于地面网络汇聚点和用户终端处于高速运动状态；另一方面，天基网络的卫星节点彼此间也处于高速运动状态。以上快速移动特征对组网技术提出了新的挑战，要求网络具备高动态智能组网能力，以支撑天地一体网络提供端到端无间断的通信服务，如图 6。图 6 天地一体化固定通信网（F6G）高动态组网能力示意 17 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 2.3.1.强智能 网络的智能化能力通常指人工智能技术增强的网络自动化管控能力。基于人工智能的自动化网络管控技术在传统的网络中已有诸多研究，但多属于决策性人工智能，主要用来做流量预测，故障诊断等。天地一体化的网络规模与动态性将显著提升，对管控精准性与时效性要求更高，亟需构建基于生成式人工智能的天地一体化强智能组网能力。智能拓扑管理：智能拓扑管理：在高度动态的网络中，传统的被动式拓扑管理机制的性能与效率将急剧劣化甚至不再适用，亟需发展基于人工智能的主动式拓扑管理技术，支撑网络拓扑的精准预测、链路自适应调整与编码、星地高动态链路无缝切换等拓扑管理任务。智能流量调度：智能流量调度：在天地一体化网络中，通信流量会受到网络动态性的显著影响，亟需发展针对高动态性的智能化流量调度机制，建立动态流量时空分布预测模型，支撑差异化服务质量保障、自适应负载均衡、星地连接端到端协作等流量管理任务。2.3.2.高可靠 传统的网络生存性技术通常指网络业务的恢复能力，在网络出现故障时实现业务自动恢复。天地一体化网络面临天基网络大面积设施故障或损毁的生存性风险，亟需具备自组织能力的新型生存性技术，支撑网络节点根据环境的变化和其他节点的状态来进行轨道调整和拓扑重构，通过自动化组网增强网络自愈能力。拓扑自组织拓扑自组织：为构建天地一体化网络的自组织能力，首先需要发展大尺度空间网络的自组织协议，以实时监测并同步网络状态变化，按需进行星间、星地链路重建，支撑网络在故障后通过网络结构自主调整保持良好服务的能力。链路自适应链路自适应：天地一体化网络的自组织在重构拓扑的同时还要保障通信链路的可用性，因此还需要发展动态链路的自适应管理技术，根据链路状态自适应调整调制格式、编码格式等链路属性，使网络能够在故障中保持最大化的通信能力。2.4.多模态主动感知多模态主动感知 天地一体化网络具有高吞吐量、广覆盖特性。如图 7，天地一体化网络可以有效增强多模态感知能力，基于广域覆盖网络的感知可以实现位置、速度、空间、光谱等多模态信 18 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 息的获取。同时，多模态感知也可以提高网络智能化水平。通过多模态感知，可以全方位检测、分析网络的参数和环境，推动自适应组网、动态路由和智能调度的实现。一体化网络的多模态感知能力将成为催化网络新应用的关键技术。图 7 天地一体化固定通信网（F6G）多模态感知能力示意 2.4.1.通感一体 通信感知一体化是指通过频谱或硬件共享等手段，实现通信和感知功能一体化的原生设计，从而使得通信网络在进行信息传递的同时能够感知多模态信息。通感一体化系统通过检测、跟踪、识别、成像等手段，已经为人机互联、智慧城市等领域提供了重要技术支撑。天地一体化网络的发展将进一步增强对智能通信网络与多模态融合感知的需求，从而提升通信系统的综合服务能力。智能通信网络：智能通信网络：传统的通信网络无法根据信道状态、设备条件、环境条件等因素自适应调整网络配置。在大规模高动态天地一体化网络中，需要自适应的网络配置调整并具备高可靠高容错能力，从而提供更好的服务质量，并提高资源利用效率，确保网络的稳定性和可靠性，构建智能的通信网络体系。19 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 多模态融合感知：多模态融合感知：多模态融合感知需要通过对多类型传感器与数据的融合，为用户提供更丰富、更精准、更智能的服务。另外，由于天地一体化的大规模网络架构及大容量需求，需要在保证通信质量和感知功能性需求的前提下，研究结构精简、复杂度低的新型通信感知系统，以提升系统感知性能，促进数据共享和协同工作，支持未来新型业务场景。2.4.2.主动感知 通感一体技术中的主动感知是指系统能够主动获取和处理多种感官信息以实现更全面的感知。经典的光传感技术通常工作在“被动”感知的模式，基于传感系统参数与环境变化模式的关联模型，通过对传感参数的实时监测，实现对外部环境的被动式感知。主动感知的需求包括主动探测型感知设备与传感器统一管理平台。主动探测设备能主动获取感知信息，统一管理平台可以协调、整合多模态感知数据，为用户和应用提供更全面、高效的感知体验和数字化管理能力。主动探测型感知设备：主动探测型感知设备：主动化感知能力的实现离不开探测型传感设备，它们具备多模态感知的能力，可以按需采集各种感知元素，包括视觉、听觉、触觉等，从而为未来新型交互式网络应用提供关键支持。这些传感设备的多功能性和可编程性使其能够灵活适应不同的使用场景，满足用户和应用的各种需求。传感器数字化管理平台：传感器数字化管理平台：主动化感知能力还依赖于对传感器的统一管理平台，以确保感知设备的协同工作，数据的协调整合，以及对多模态感知元素的高效管理。在天地一体化网络中，这一管理平台为全球范围内的感知设备提供了统一的标准和协议，以确保设备之间的互操作性，有助于实现感知数据的无缝传输和集中管理。2.5.超时空全息呈现超时空全息呈现 随着内容产业的进步与消费经济的发展，各行各业对三维显示的需求逐年增加。然而，为了实现高真实性和高沉浸感的新型三维显示技术，需要三维呈现设备具有光场数据量大，互动实时性强等特点，导致该技术对通信网络有着极高的需求。借助大容量低时延的广域信息传输能力，结合新型的三维显示技术，未来的通信网络将提供时间和空间上可无缝衔接的超逼真呈现能力，给用户身临其境的场景和体验，如图 8。在天地一体化网络中，超 20 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 时空呈现能力将充分连接三维空间的人和物，赋予用户更加丰富的交互和探索能力，支撑远程的游戏、教育、娱乐、医疗等活动。图 8 天地一体化固定通信网（F6G）超时空呈现能力示意图 2.5.1.裸眼 3D 裸眼三维呈现是对裸眼呈现 3D 场景的技术，可使得观看者可以更加精确地捕获相关信息，准确地进行现场判断。相较于传统二维图像传输像素信息，精确传输三维图像信息中的体素信息提升了大约三个数量级的传输需求，现有的网络传输能力无法支撑裸眼 3D的大规模应用。在传统视频图像等呈现的基础上，裸眼三维呈现的通信终端带来的高真实性和沉浸感以及通信的实时性特点对网络提出了更高的需求。与传统高清和 3D 虚拟视频相比，裸眼三维呈现传输的流媒体对网络带宽的需求将达Gbps。并且，随着传感器分辨率和视点数量的增加，在更高的分辨率和帧速率下，尤其是高精度量子传感器的应用，对网络带宽的需求会更高。裸眼三维呈现首先需要通过采集端设备获取对象信息，计算处理后，经过编码压缩进行网络传输，在终端侧解码渲染并显示三维影像。为了减少整体时延，需要处理节点具有 21 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 高算力，并进一步缩减网络本身的传输时延。2.5.2.通呈联动 传统的通信网提供管道式的数据传递能力，为呈现端提供数据支撑，其大规模信息传输的实时性方面仍无法达到三维显示通呈联动的需求。三维显示采集信息量极大，且多维度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现有三维显示技术通呈联动的实时交互。未来的超时空呈现类应用将对通信与呈现系统的性能提出更严苛的要求，推动通信与呈现系统的联动化。相比传统网络的通信与呈现独立服务的方式，通信与呈现联动的技术将实现通信与呈现系统的需求互感与交互式写作，进一步精准控制呈现的实效性和逼真性。通信呈现联动需要各个维度的信息保持严格同步，并且在业务传输过程中，来自不同传感器、不同维度的各个并发媒体流之间需要保持相当严格的同步。并且，还需要对多维度的信息进行智能化的管控。通信呈现联动需要交互式通信协议的支撑，实现连接感知的视频传输和呈现感知的智能通信。因此，通信呈现联动依赖更加智能和高效的编解码技术，用以缓和多种维度资源联动过程的控制信息时延和抖动。22 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 3.天地一体化光通信关键使能技术天地一体化光通信关键使能技术 面对天地一体化光通信技术面临的技术挑战，针对天地一体化光网络接入、传送、组网、传感与呈现方面的新型需求，以下技术将支撑未来天地一体化光通信。3.1.接入技术接入技术 3.1.1.有线接入 下一代 PON 技术是指下一代更高速率、更大容量、更灵活和更广覆盖范围相干光接入网络，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变革。目前，ITU-T 已经发布了 50G PON 的标准，而针对 50G PON 之后的接入网研究也已经准备启动。后 50G PON 时代的接入网，单波速率预计将向着 100G甚至 200G发展。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预算的要求。具有更高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透。为了满足接入网功率预算的要求，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需要的关键技术包括：支持高速传输的相干算法，突发模式相干接收以及多维复用技术。支持高速传输的相干算法：支持高速传输的相干算法：在相干探测方面，主要包括降低高速器件的数量、带宽及线性度的需求，通过先进的线性和非线性算法进一步降低对器件带宽和线性度要求。相干接入基础架构和复用方式上，可引入 FDM 或 TFDM 等新型点到多点相干接入架构。此外，时分复用系统一大挑战在于上行突发模式相干接收。不同于传统连续相干探测，亟需新的高效信号处理方法，如突发模式相干接收。突发模式相干接收以及多维复用技术：突发模式相干接收以及多维复用技术：针对未来 6G 移动前传、F6G 宽带光接入、全光园区、工业互联网等大带宽、多场景、灵活接入场景，需要重点解决下一代超 100G 或200G 光接入灵敏度受限和动态范围受限问题。相关关键使能技术包括新型点到多点、低成本低复杂度、灵活接入、多维复用的 200G+相干多址接入技术，多维多址相干光接入架 23 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.1 构，超大动态范围光接入和基于星座整形的灵活光接入技术，实现可变速率的灵活相干光接入。通过引入基于机器学习，实现人工智能赋能的端到端优化，有望实现联合线性和非线性 ISI 均衡来进一步提升接入速率。通过多维相干接入，突破面向时域、频域、功率的多维度复用机制，实现高性能、高灵活和高智能的上下行双向传输。3.1.2.无线接入 在未来天地一体化的光通信网络中，卫星网络的角色将不再只是地面网络的补充，还将进一步与地面网络融合。无线接入技术在天地融合的网络中将发挥关键的作用，一方面，无线接入技术起到了移动终端入网的接入作用；另一方面，无线接入技术还起到了卫星网络与地面网络的互联作用。不同于地