北京邮电大学：2023年第六代固定通信网（F6G）白皮书（32页）.pdf

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1、 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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 摘要 随着社会的全方位数字化转型，各类新型应用正持续对网络服务能力提出新的挑战，推动着固定通信网向天地一体化的方向发展。第六代固定通信网(F6G)白皮书分析了当前固定网络面临的挑战，从技术发展需求、关键支撑技术与潜在应用场景几个维度展望了固定网络的未来发展动向。1 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 目录 1.1.固定通信网技术概述固定通信网技术概述 .1 1 1.1.1.1.固定通信网演进历程固定通信网演进历程.1 1 1.1.1.1.1.1.传统固定通信网传统固定通信网 .1 1

2、1.1.2.F5G1.1.2.F5G 与与 F5.5GF5.5G .2 2 1.1.3.F6G1.1.3.F6G .3 3 1.2.1.2.固定通信网面临的挑战固定通信网面临的挑战 .4 4 1.2.1.1.2.1.覆盖能力覆盖能力 .4 4 1.2.2.1.2.2.生存能力生存能力 .5 5 1.2.3.1.2.3.连接能力连接能力 .6 6 1.2.4.1.2.4.智能能力智能能力 .7 7 1.2.5.1.2.5.安全能力安全能力 .7 7 2.2.天地一体化网络未来需求与发展趋势天地一体化网络未来需求与发展趋势 .8 8 2.1.2.1.多模态感知多模态感知 .9 9 2.1.1.2.

3、1.1.通感一体化通感一体化 .9 9 2.1.2.2.1.2.感知主动化感知主动化 .1010 2.2.2.2.全覆盖接入全覆盖接入 .1010 2.2.1.2.2.1.覆盖面积扩展覆盖面积扩展 .1010 2.2.2.2.2.2.接入能力增强接入能力增强 .1111 2.3.2.3.高可靠传送高可靠传送 .1212 2.3.1.2.3.1.生存性增强生存性增强 .1212 2.3.2.2.3.2.安全性升级安全性升级 .1313 2.4.2.4.高动态组网高动态组网 .1313 2.4.1.2.4.1.拓扑动态重构拓扑动态重构 .1414 2.4.2.2.4.2.连接自动调整连接自动调整

4、.1414 2 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 2.5.2.5.超时空呈现超时空呈现 .1515 2.5.1.2.5.1.三维呈现裸眼化三维呈现裸眼化 .1616 2.5.2.2.5.2.通信呈现联动化通信呈现联动化 .1616 3.3.天地一体化光通信天地一体化光通信关键使能技术关键使能技术 .1616 3.1.3.1.多模态增强型通感一体技术多模态增强型通感一体技术 .1717 3.1.1.3.1.1.通信感知一体化通信感知一体化 .1717 3.1.2.3.1.2.网络化智能感知网络化智能感知 .1717 3.2.3.2.天地融合广覆盖接入技术天地融合广覆盖接入技术 .181

5、8 3.2.1.3.2.1.下一代下一代 PONPON .1818 3.2.2.3.2.2.光与无线融合光与无线融合 .1919 3.3.3.3.物理层安全增强型传输技术物理层安全增强型传输技术 .1919 3.3.1.3.3.1.全波段光传输全波段光传输 .1919 3.3.2.3.3.2.天基量子密钥分发天基量子密钥分发 .2020 3.3.3.3.3.3.空间激光空间激光内生安全内生安全 .2121 3.4.3.4.天地一体化高动态组网技术天地一体化高动态组网技术 .2121 3.4.1.3.4.1.高动态卫星管控高动态卫星管控 .2121 3.4.2.3.4.2.光网络数字孪生光网络数

6、字孪生 .2222 3.5.3.5.三维全息呈现技术三维全息呈现技术 .2323 3.5.1.3.5.1.内容采集与处理内容采集与处理 .2323 3.5.2.3.5.2.三维渲染三维渲染 .2424 3.5.3.3.5.3.裸眼显示裸眼显示 .2424 4.F6G4.F6G 适用场景与应用适用场景与应用 .2525 4.1.4.1.全息通信全息通信 .2525 4.2.4.2.虚实交互虚实交互 .2626 4.3.4.3.智能体互联智能体互联 .2828 附：主要贡献单位与人员（附：主要贡献单位与人员（排名不分前后排名不分前后）.2929 1 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 1.

7、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，

8、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年为期间，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，新型业务具有更高的业务质量需求，对固定网络的带宽、时延、可靠性提出了更高要求，业界开始以代际划分的形式为固定网络定义发展路径，提出第五代固定通信网（F5G

9、,the 5th Generation of Fixed Communications Networks）。1.1.1.传统固定通信网传统固定通信网 从电话网诞生一直持续到 20 世纪末，固定通信网主要用于服务语音业务，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。该阶段形成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。该阶段接入网是 PSTN/ISDN 技术，对应的传送网采用的是 PDH 技术，基群速率为 2Mbps，光纤线路速率以 140Mbps 为主。20 世纪末到 21 世纪初，随着互联网以及 ADSL

10、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、搜索引擎以及网页浏览等。2 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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。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

11、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。2012 年开始，4K 高清信号的出现，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。对应的主流传输技术为 OTN 光传送网技术，结合了WDM技术和SDH技术优点，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*100Gps。1.1.2.F5G 与与 F5.5G 2020年 2月，ETSI面向全球宣布成立 F5G产业工作组，提

12、出了从“光纤到户”迈向“光联万物”的产业愿景，标志着 F5G 时代大幕正式开启。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 F

13、5.5G）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

14、/全光园区数字化底座。3 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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

15、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），发展路径如图 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 4 第六代固定通信网（F6G）白皮书

16、 V1.0 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，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

17、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，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：5 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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

18、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）覆盖延时：亚毫秒级延迟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

19、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

20、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：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 6 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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

21、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

22、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

23、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。7 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 1.2.4.智能能力智能能力 随着人工智能技术的发展，固定通信网的智能化水平已

24、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

25、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

26、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。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，8 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 实现安全体系从“信息安全”到“信道安全”的

27、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，实现传输性能高，处理时延低且安全性的强星地加密传输，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

28、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。2.天地一体化网络未来需求与发展趋势天地一体化网络未来需求与发展趋势 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、传输、组网与呈现方面呈现出新的需求和发展趋势，如图 3。9 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 2.1.多模态

29、感知多模态感知 传统固定通信网络以信息传递功能为主，缺乏对外部环境的感知能力。随着多模态网络应用的快速发展，网络对外部环境的感知需求不断增加，需要在进行信息传递的同时具备对方位、距离、速度等多模态信息的感知能力，如图 4。特别地，未来天地一体化光通信系统将覆盖广阔的三维空间，具备大尺度、多样化的潜在可感知要素，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。区域区域1区域区域2信号汇聚单元信号汇聚单元全域全谱感知网络全域全谱感知网络设备设备1设备设备2设备设备3设备设备4安全监测智能管控网络智慧中心网络智慧中心Space DomainFrequency Domain网络资源网络资源-安全安

30、全状态实时监测状态实时监测速度速度、方位方位、距离距离 图 4 天地一体化固定通信网（F6G）多模态感知能力示意图 2.1.1.通感一体化通感一体化 通信感知一体化是指通过信号联合设计或硬件共享等手段，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网络内外部的多模态信息。具体地，通感一体化系统通过检测、跟踪、识别、成像等手段，可实现对目标设备、事件或环境等元素的感知能力，从而提升通信系统的综合服务能力。通感一体化需要多种通信技术的支持，包括光纤通信技术，卫星通信技术，光传感技术，量子信息技术等。天地一体化光通信技术凭借覆盖范围广，低延迟、大容量等优点，可支持大

31、规模、大范围通信和传感设备的全域全谱互联需求。多模态通感一体化技术还需要多模态传感器的支持，通过对多类型传感器与数据的集成，可实现更加全面、准确的感知。例如，可以通过激光雷达、光电传感器、光学成像传感器等将视频、声音、激光雷达等传感器数据融合在一起，实现智能驾驶和管理。10 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 2.1.2.感知主动化感知主动化 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。感知“主动”化是指基于各类探测型的传感器，实现网络对内外部环境多模态元素的按需感知，进而提升网络系统与外

32、部环境的双向交互能力。主动化感知能力依赖于探测型的传感设备，通过对多模态要素的按需采集与探测，可支撑未来新型交互式网络应用。主动感知技术在自动驾驶领域已有初步应用，例如路网监测系统可通过光学雷达主动追踪并探测车辆动态，进而通过与车辆自动驾驶系统的实时交互，实现车辆之间、车路之间的智能协作。主动化感知能力还依赖于对传感器的统一管理平台，基于灵活的可编程管控能力将传感设备的感知能力打造为按需的感知服务，进而为网络用户和应用提供多模态感知数据。在天地一体化的通信网中，全域覆盖的网络提供了对三维空间进行感知的基础条件，主动的感知能力显著提升了人类对大尺度空间的数字化管理能力。2.2.全覆盖接入全覆盖接

33、入 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 5。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。2.2.1.覆盖面积扩展覆盖面积扩展 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

34、络和卫星通信网的优势实现面向物的无缝覆盖。扩大地面通信网络的覆盖面积，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 11 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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。地基光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。扩大天基卫星网络的覆盖面积，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

35、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，共同提升网络对星地链路管理能力，扩大覆盖范围。图 5 天地一体化固定通信网（F6G）全域覆盖接入能力示意图 2.2.2.接入能力增强接入能力增强 地面通信网的宽带接入能力已经非常成熟，但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

36、。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，并实现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。星间激光互联低轨卫星对地地面固定网络地面信关站地面无线网络F6G光接入网天地一体化融合 12 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 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

37、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。2.3.高可靠传送高可靠传送 天地一体化网络将网络的基础设施扩展至近地空间，可显著提升网络的覆盖能力，但近地空间的开放性也为一体化的通信网带来了新的问题。一方面，运行在近地空间的卫星设备处于无监管状态，易受外部因素干扰且损坏后修复或替换难度大、周期长。另一方面，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。因此，天地一体化的通信网络需具备更高的生存能力和安全性，以保障业务的可靠传送，如图 6。星间激光互联星间激光互联F6G光接入网光接入网天地一体化融合天地一体化融合地面信关站地面信关站地面固定网络地面固定网络地面无线网地面无

38、线网地面信关站地面信关站 图 6 天地一体化固定通信网（F6G）高可靠传送能力示意图 2.3.1.生存性增强生存性增强 传统的网络生存性技术通常指网络业务的恢复能力，用以在网络出现故障情况下实现业务自动恢复。为了提升在开放空间的生存能力，天地一体化网络的生存性技术将由业务的自恢复能力向网络的自组织能力发展。网络自组织是指网络中的节点通过相互作用和信息交换来调整自身的行为，能够根据环境的变化和其他节点的状态来进行优化，进而实现网对环境的自适应变化，通过自动化组网提升网络自愈能力。13 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 网络自组织需要网络自组织协议支撑，通过该协议监控网络状态变化，及时、

39、准确地计算和感知网络状态，按需进行星间、星地、空地链路重建，自动化构建天地一体化网络，实现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。网络自组织还需要自适应链路管理，通过实时监测链路质量和状态，设计自适应的链路管理和优化算法，使网络能够根据链路状况自主选择和调整传输路径；通过设计自愈和故障容忍机制，使网络能够自动感知故障并自动计算重构方案。2.3.2.安全性升级安全性升级 传统网络安全由经典密码学保障，基于密钥实现对信息的加密，而通信系统通常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基于“信息安全”向“信道安全”方向进行安全体系升级。“信道安

40、全”技术工作在通信物理层，由信道的物理特征保障通信传输的隐蔽性，以提升系统的安全性。信道安全技术依赖于物理层加密技术，基于时间同步的密钥，在信号处理及调制解调环节以流加密的方式实现一次一密的信号隐藏变换，其时间和空间相关联的加密特征可极大提高了非法方的入侵与截获难度，从而能够保障天地一体化网络的通信可靠性。基于物理层加密，还可通过物理信号分析进行入侵检测，发现入侵行为后可以立即实时响应，从而防止入侵的发生和扩大。进一步保障天地一体化网络的通信安全性。量子密钥分发也是支撑信道安全的关键技术之一，基于量子态不可克隆、不可分割、不可预测的特性，可实现密钥分发双方之间的可信密钥传递，提供具备天然安全属

41、性的可靠密钥，进而保障信道安全加密过程的可靠性，极大提高了非法方的入侵与截获难度。2.4.高动态组网高动态组网 天地一体化网络可提升网络的覆盖能力，而大尺度空间中卫星节点与移动终端的快速移动特征又对组网技术提出了新的挑战，要求网络具备对卫星与终端的高动态精准管控能力。具体的，高动态组网是指基于精准跟瞄、智能预测等手段，利用定制化的网络管控信令、路由技术，实现对高动态的网络终端、链路、拓扑的时空自适应管理，从而支撑天地一体网络提供端到端无间断的通信服务，如图 7。14 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 图 7 天地一体化固定通信网（F6G）高动态组网能力示意图 2.4.1.拓扑动态重构

42、拓扑动态重构 卫星光通信网络在时间及空间上的分布尺度远超过地面光通信网络，卫星节点高速运动导致星间与星地链路也随之动态变化。拓扑动态重构是指基于天基卫星节点的运动特征以及天地网络的动态相对关系，对网络拓扑结构进行实时重建的过程，目的是保障网络拓扑的时效性和通信业务的持续性。拓扑动态重构依赖于精准的链路控制技术，综合基于轨道参数预计算系统、光学跟瞄系统实现链路终端的精准定位，进而完成链路的动态建立、拆除、性能调整等控制操作，支撑拓扑的按需重构。例如，星间链路在距离变化较大的情况下，可以根据距离预配置激光链路参数，实现通信速率与信道质量的自适应匹配。拓扑动态重构还依赖高效的监测与管控系统，基于高可

43、靠的信令技术实现对网络时变拓扑与链路资源进行实时监测和维护，进而通过自动化的设备、链路、拓扑控制协议与算法，针对网络拓扑的动态变化特征进行重构，实现网络拓扑面向故障与运动的自主更新，保障网络拓扑的实效性和可用性。2.4.2.连接自动调整连接自动调整 天基通信服务在时空分布特点、带宽、时延要求方面和地面通信服务也存在显著差异，存在业务需求、连接关系动态变化的特征。连接自动调整是指根据动态的通信业务需求和 15 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 时变的网络拓扑，进行通信连接自适应调整的过程，用以在高动态变化的网络中实时保障用户的差异化通信需求。连接自动调整要求网络具备业务感知的能力，能够

44、实时监测与预测识别业务流量的网络需求，包括实时视频传输、大规模数据传输、低时延工控操作等，根据实时网络状态和业务需求对连接的路径、带宽属性进行智能优化和动态调整，从而实现对端到端业务全生命周期的服务质量保障。连接自动调整也依赖于高动态连接切换技术，基于拓扑或终端的高动态运动特征，进行业务接入、交换资源的预规划与实时倒换，以保障端到端业务的无缝切换体验。例如，根据星间链路经过日凌区激光信道劣化的特征，预先进行业务路径的切换，以避免日凌效应直接影响业务的质量。2.5.超时空呈现超时空呈现 图 8 天地一体化固定通信网（F6G）超时空呈现能力示意图 借助大容量低时延的广域信息传输能力，结合新型的三维

45、显示技术，未来的通信网络将提供可无缝衔接时间和空间的超逼真呈现能力，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。16 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 2.5.1.三维呈现裸眼化三维呈现裸眼化 裸眼三维呈现是指在天地一体化 F6G 的应用场景下，如远程医疗教学、重要远程会议和军事等，要求能够实现 3D 场景的裸眼三维呈现，从而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。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

46、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，需要的网络带宽会更高。裸眼三维呈现需要首先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，需要处理节点具有高算力，并进一步缩减网络本身的传输时延。2.5.2.通信呈现联动通信呈现联动化化 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。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

47、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。3.天地一体化光通信天地一体化光通信关键使能技术关键使能技术 为

48、了应对天地一体化光通信技术面临的挑战与发展需求，传感、接入、传送、组网与呈现领域需要持续技术创新。以下为支撑未来天地一体化光通信系统的部分关键技术。17 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 3.1.多模态增强型通感一体技术多模态增强型通感一体技术 3.1.1.通信感知一体化通信感知一体化 通信感知一体化技术是指将传感器技术与网络集成，实现对环境、物体和事件的感知、采集和传输，以提供更智能、更高效的服务和应用。通感一体化主要包括以下几种技术：多模态信息光感知技术，可采集丰富的环境信息为业务提供必要数据支持。具体而言，视觉传感与光学成像技术使用光学设备与成像算法捕捉并分析多模态视觉信息，可

49、用于医学影像、工业检测和虚拟现实等领域。深度感知技术使用激光雷达、结构光、飞行时间相机等来提供场景中物体的距离与深度信息，用于虚拟现实、增强现实和三维建模等应用。环境感知技术使用环境光传感器或红外传感器感知和测量环境的光照、温度等参数，用于智能家居、自动驾驶和环境监测等应用。光纤感知技术，利用光纤作为传感器来感知环境中的各种物理量和参数。常见技术主要包括：光纤光栅传感技术，光纤拉曼散射以及光纤布里渊散射等。光纤传感技术通过提供额外的环境监测和感知能力，可应用于监测沉浸式体验中的姿势和动作的物理参数。天地感知一体化网络，未来将综合利用地面、空中和卫星等多种通信资源，融合光感知技术，集成光传感器与

50、光通信设备，构建通信感知网络体系并发展一体化结构，实现在不同空间维度上的全球覆盖、高速传输和多样化应用的无缝连接。3.1.2.网络化智网络化智能感知能感知 随着通信频段的持续提升和网络规模的不断扩大，F6G 在安全监测、网络协同管控等领域正面临巨大挑战，亟需构建起广覆盖、高动态、分布式的网络感知信息采集与融合架构，并基于全网共享的感知信息，在系统层面获得更高的安全保障和更智能的管控决策。这一目标的实现需要突破全域全谱的感知技术、基于感知信息的智能分析决策等核心技术。全域全谱的感知技术首先对传感设备的性能提出更高的要求，通信频段正经历着从微波到毫米波，再到 THz 的进化与转变，传感设备的实时感

51、知频段范围需要进一步扩大以适应宽谱监测目标。与此同时，电器件的处理带宽与性能受限，微波光子技术有望成为处理宽谱信号的关键技术，以实现真正的“全谱”感知。此外，为了实现感知信息的全网共享，光载无线 RoF 技术将作为重要的底层传输支撑，为“全域”感知提供保障。18 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 传统的依赖人工或简单算法的管控机制将难以满足愈加复杂的网络业务需求，而基于分布式感知信息进行数据融合、智能分析决策和协同管控，有望做到知全貌以控全局，应对不同通信场景。深度学习技术将在未来网络分布式智能感知和协同管控中扮演关键角色，提供更加完善和精确的网络动态控制和安全监测能力，推动网络的智

52、能化发展和性能质变。3.2.天地融天地融合广覆盖接入技术合广覆盖接入技术 3.2.1.下一代下一代 PON 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关光接入网络，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

53、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。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

54、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。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 19 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 工智能赋能的端到端优化，有望实现联合线性和非线性 ISI

55、均衡进一步提升接入速率。通过多维相关接入，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。3.2.2.光与无线融合光与无线融合 F6G 作为信息网络基础设施核心支撑，将与第六代移动通信网协同为用户提供“双万兆”宽带接入。家庭网络将是“双万兆”宽带接入的最终受益者，也是 F6G 的重要组成部分。为提高家庭网络的服务品质，光纤正从光纤到家庭（FTTH）延伸到房间，形成一种千兆时代家庭网络覆盖的新模式，即光纤到房间（FTTR）。在 FTTR 场景下，无线局域网（Wi-Fi）为用户提供千兆无线接入速率，PON 为每个房间中的无线接入点提供回传连接，以满足大带宽的需

56、求，并最终实现高带宽、低延迟和高稳定性的 Wi-Fi 全屋覆盖。PON 与Wi-Fi 网络的融合效率直接决定了 FTTR 宽带业务的品质。当前，PON 和 Wi-Fi 融合网络一般采用分离式的管控架构，两种网络的控制平面相互独立，几乎不交互信令，这严重制约了融合网络的端到端性能。面向 F6G 的业务高品质要求，需要对 PON 与 Wi-Fi 网络进行深度融合，探究融合网络的架构、协议、资源调度算法等，实现 PON 与 Wi-Fi 网络的协同优化，提高融合网络的端到端性能和能效，以全面支持下一代时延敏感、高可靠新型网络业务。3.3.物理层安全增强型传输技术物理层安全增强型传输技术 3.3.1.全

57、波段光传输全波段光传输 全波段光传输是通过扩展光纤的有效频谱资源来提升单纤传输容量，除了传统的 C波段和 L 波段外，还可充分利用 S 波段、U 波段等频谱资源，在长距离下实现单纤 100Tb/s的传输容量。全波段光传输的实现需要突破新波段光放大器、系统受激拉曼散射等非线性效应抑制以及新型光纤信道等核心技术。新波段光放大器，如 S 波段掺铥、掺铋光纤放大器、U/E 波段掺铋光纤放大器、超宽带半导体光放大器等是近期的研究热点，是实现扩谱首先要突破的关键技术。新波段光放大器依赖新型的掺杂元素配方、新型的掺杂光纤制备工艺以及新型的光放大器架构。铋离 20 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0

58、子具备独特得宽谱发光特性，掺铋光纤在未来超宽带光放大器件中有望扮演重要的角色，但当前铋离子相关的近红外发光机理仍需进一步探索。半导体光放大器则需要探究新的组分与调控机理以抑制非线性畸变、提升饱和功率并降低噪声指数。光纤中复杂的非线性效应是阻碍全波段光传输实现另一重要因素，主要包括信道内与信道间的克尔效应以及波长通道间的受激拉曼散射效应。全波段系统中随着波长通道的增加，受激拉曼散射效应导致的系统性能劣化愈发严重，有效的非线性均衡和抑制技术是提升系统性能的关键，包括新型的非线性预编码设计、非线性预均衡和补偿技术、非线性动态特性抑制技术等。光纤信道的革新，也是助力全波段光传输实现的关键技术路径，超低

59、损大有效面积光纤（如G.654.E），有助于提升信号的光信噪比，同时减弱光纤中非线性效应的影响，但其截止波长会阻碍光系统向全波段光传输演进，需要研究下一代超低损、大有效面积、低截止波长的新型光纤；此外，近几年的研究热点反谐振空芯光纤是全波段光传输的最理想信道，光纤中的克尔、受激拉曼散射等非线性效应比实芯光纤低 3-4 个数量级，各波段信号的传输性能均能够保持基本一致，有望突破 100Tb/s 的容量限制。新型反谐振结构设计以及制备工艺精准控制等是实现超低损空芯光纤的关键研究方向。3.3.2.天基量子密钥分发天基量子密钥分发 天基量子密钥分发是指通过将天基系统与当前地面光网络进行集成，在自由空间

60、上实现量子密钥分发（QKD），完成地面和空间之间安全、高效、可靠的密钥协商和密钥分发。天基量子密钥分发利用自由空间低衰减、广覆盖的特点，可以克服地面光纤网络 QKD 传输距离的限制，但需要攻克星地量子密钥分发与地星量子隐形传态两大关键技术。星地量子密钥分发主要用来实现天基量子密钥分发的下行链路。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球；同时，为了提高星地量子密钥分的覆盖面积，可以通过发射更多的低轨或者高轨量子通信卫星组建量子星座，完成全球量子通信网络的搭建。地星量子隐形传态主要用来实现天基量子密钥分发的上行链路。地星量子隐

61、形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式与地面站建立光链路。远距离量子隐形传态能借助 21 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 量子纠缠这一特性，将未知的量子态传输到遥远地点，是远距离量子通信的核心功能单元，也是建立大规模全球化的量子网络的重要环节。3.3.3.空间激光内生安全空间激光内生安全 空间激光内生安全通信是一种利用激光光束在空间中进行数据传输，并且不依赖于附加的外部协商过程，完全由通信系统自身提供对数据传输内源式防护的安全激光通信技术，其特征概括为通密一体、传防融合。空间激光内生安全通信可基于统一的空间信道同时实现安全传输和密钥协商，核心技术包括加密传输、密钥协商和网络攻击

62、主动检测等。加密传输是最重要的安全传输技术之一。通过使用加密算法，将信道中的信号进行转变换，合法接收方拥有密钥才能还原原始信号，保障信号在传输过程中无法被未经授权的非法接收端读取。密钥协商是一种在通信双方之间协商和生成共享密钥的过程。在密钥协商的过程中，通信双方使用相同或不同的协议来生成密钥，以确保通信数据的保密性和完整性。密钥协商的目的是让通信双方能够使用相同的密钥进行加密和解密，从而实现加密通信。网络攻击主动检测技术旨在主动识别和检测潜在的攻击行为，以保护通信的安全性和隐私。基于物理层特征的内生安全技术将数据安全与通信的物理特征紧密关联在一起，攻击导致的异常体现为信号状态的异常。因此，内生

63、安全技术也为网络攻击的主动识别创造了有利条件，将更有效地抵御各类网络攻击。3.4.天地一体化高动态组网技术天地一体化高动态组网技术 3.4.1.高动态卫星管控高动态卫星管控 卫星光通信网络在时间及空间上的分布尺度远超过地面光通信网络，卫星节点高速运动带来的卫星连接关系和网络拓扑动态变化使得地面光通信网络的管控体系架构不再适用。此外，天基通信应用模式在时空分布特点、带宽、时延要求方面和地面互联网应用模式也存在显著差异，需要探索不同的网络管控机制为其提供支撑。对我国而言，境外部署地面通信节点困难，构建具有“天基组网、天地一体”的天基宽带互联系统成为必然选择，需要突破以下方面的技术。22 第六代固定

64、通信网（F6G）白皮书 V1.0 动态路由和链路管理：动态卫星网络中的卫星数量较多，并且卫星之间的链路状态可能会发生变化。因此，动态路由和链路管理技术是关键的，可以根据实时的链路质量和网络拓扑信息，动态选择最佳的路径和链路来传输数据。资源分配和调度：在动态卫星网络中，需要合理地分配和调度卫星资源，如带宽、功率和存储等，以满足用户的需求和网络的性能要求。资源分配和调度算法需要考虑卫星之间的干扰、链路质量、用户需求和网络拓扑等因素。自适应调制和编码：卫星通信中常常受到信道条件的影响，信道的质量可能会随时间和空间变化。为了提高数据传输的可靠性和效率，自适应调制和编码技术可以根据当前的信道条件来选择最

65、适合的调制方式和编码方案。基于卫星轨道的时空调度：动态卫星网络中的卫星轨道会随时间发生变化，因此需要进行有效的时空调度来管理卫星资源和提供服务。时空调度算法可以考虑卫星轨道信息、用户需求和网络拓扑等因素，以最大化网络性能和资源利用率。3.4.2.光网络数字孪生光网络数字孪生 天地一体化的光通信系统中，规模性的网络故障带来的业务中断将给互联网应用带来巨大损失，这对光网络的稳定性和可靠性提出了极高的要求。为了增强对复杂光网络的管控能力，并最大化利用网络资源以提升网络容量，智慧光网络的构建迫在眉睫，基于数据驱动的物理层数字孪生系统将成为关键底座。与传统物理层的静态建模不同，数字孪生建模将基于感知单元

66、采集的实时数据，对每一条链路进行数字化同步映射，为网络管控提供实时的精准物理层关键信息，并且具备全生命周期的推演能力。面向天地一体化光通信的数字孪生系统需突破建模、感知和学习方面的关键技术。高保真镜像建模：基于数据驱动的灰盒孪生模型是构建全生命周期数字孪生系统的基础，它可以解决传统模型（白盒）的精度问题和机器学习模型（黑盒）的泛化性问题。灰盒孪生模型针对光纤链路的特性，对光纤、光放大器、波长选择开关和光收发机等关键模块分别建模。各模块基于特有的物理特性建立的传统模型和机器学习模型相融合，从而实现各个模型的高精度和高泛化性。其次，为了满足网络管控速度的要求，需要降低模型的复杂度。各模块之间的耦合

67、需要进一步结合波形仿真模型和性能计算模型，达到复杂度和 23 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 精度的最优折中。最后，针对各模块之间的相关性，需要建立端到端的联合校准机制，提升系统整体的建模精度。网络状态泛在感知：为了驱动上述孪生模型的构建，需要从光纤物理层采集大量实时数据。光纤链路组成复杂且不同节点的数据具有相关性，因此可以在光域、电域和数字域进行多点感知。相干光通信系统中的数字信号处理算法为监测链路各类损伤提供了新的可能性，再通过数据融合方法结合光域和电域数据，充分利用物理效应间的强耦合性，从而大幅提升光网络物理层的感知能力。孪生模型动态更新：在获得光物理层的精确感知数据后，还需

68、要研究在线学习算法，驱动模型参数的更新，实现每一条链路的全生命周期数字孪生。在线学习可基于迁移学习算法，对模型进行动态实时更新，主要校准模型的不准确性和参数的不准确性。此外，在时间维度上，可以利用时间序列分析技术研究光物理层器件变化规律，构建预测未来系统性能的推演能力。在实际部署数字孪生模型时，还需要研究如何衡量在线学习过程中模型的精确性，确保模型输出精度符合网络智慧管控的要求。3.5.三维全息呈现技术三维全息呈现技术 3.5.1.内容采集内容采集与处理与处理 三维全息呈现所需的动态三维内容又称作“体积视频”（Volumetric Video），其采集方式可以分为纯彩色相机阵列（RGB）采集和

69、深度相机+彩色相机阵列（RGBD）采集。纯彩色相机阵列采集用几十甚至上百个彩色相机从多个角度捕捉人像和表演，为了后期方便数据提取，通常会在周围布置绿幕。拍摄时，通过时间控制器控制相机阵列同步启动拍摄。根据应用场景等不同，彩色相机阵列又可分为局部围绕式和 360围绕式。相较于纯彩色相机阵列，目前主流的做法是通过深度相机搭载彩色相机阵列来完成。和单纯用彩色相机相比，加上深度相机后，生成的人物三维数据更加精细，细节表现会更好。例如脸部的三维效果更明显，可以清晰看到鼻梁的高度、嘴唇的轮廓等细节。针对 RGB 阵列和 RGBD 阵列两种采集方式，三维重建算法可分为两大类：纯彩色相机阵列的被动式和深度相机

70、加彩色相机的主动式。被动式三维重建算法则是直接根据 2D图片信息，而不依靠发射信号，对物体进行重建。如 SfM（Structure from Motion），主要 24 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 是通过还原点云进行三维重建。SfM 是一种全自动相机标定离线算法，以一系列无序的图像集作为输入，估计出的相机参数矩阵和稀疏点云为输出。由于 SfM 算法得到的点云是稀疏的，因此需要再进行 MVS（Multi View Stereo）算法对稀疏点云进行处理，转换为稠密点云。主动式三维重建算法需要通过传感器对物体发射信号，通过解析返回的信号对物体进行重建。代表性的算法有：结构光、TOF等

71、。其中，以红外光结构光为例，依靠红外投射器将编码的红外光投射到被拍摄物体上，然后由红外相机进行拍摄，获取被拍摄物体上编码红外光的变化，将其转换为深度信息，进而获取物体三维轮廓；TOF法通过投射器向目标连续发送光脉冲，然后依据传感器接收到返回光的时间或相位差来计算距离目标的距离。主动式算法如结构光法和 TOF法能够精准构建 3D模型，但二者都需要较为精密的传感器。3.5.2.三维三维渲染渲染 通过采集设备获取的图像数据经过算法处理后，生成的数据模型使用渲染技术在显示设备上展示。渲染方法主要有多视图立体渲染技术和多平面图像技术。多视图立体渲染技术主要用于虚拟现实（VR）设备的图像渲染。当图像通过虚

72、拟现实眼镜等设备呈现在人眼前，设备呈现的画面质量直接决定用户的观看感受。在该类设备上，图形硬件厂商在提升画面视野，降低图形畸变，提高图形质量等方面不断努力，并推出一系列技术与解决方案。多平面图像渲染技术是一种基于图像渲染环境复杂真实场景的技术。例如在渲染具有遮挡或镜面反射等具有挑战性的复杂场景时，这种表示比传统的 3D 网格渲染更有效。多平面图像（Multi-Plane Image，MPI）能够表示几何体和纹理（包括遮挡元素），并且使用alpha 通道可以处理部分反射或透明对象以及处理柔软边界。增加平面数可以使 MPI 表示更宽的深度范围，并允许更大程度的相机移动。此外，从 MPI 渲染生成新

73、视点非常高效，并且可以支持实时应用程序。3.5.3.裸眼裸眼显示显示 如果我们不想利用穿戴式设备，又想同时以多个视角看到全息影像，则需要用到裸眼3D 显示系统裸眼全息屏。未来主流的裸眼全息屏技术有基于空间中三维物体光场重构的体三维技术和光场立体显示技术。25 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 体三维显示是一种全新的三维图像显示技术，通过适当方式激励点亮位于显示空间内的物质，利用可见辐射的产生、吸收或散射形成大量的体像素，从而构建出三维图像。体三维显示技术呈现的图像就像是一个真实的三维物体一样，符合人类观察普通三维图像的特点，几乎能满足所有的生理和心理深度暗示，可实现多人、多角度的同时

74、裸眼观察。光场三维显示技术利用带有方向的光束来构建空间三维物体的光场。空间中任意一个三维物体都可以看作是由无数个发光点组成，任意一个点能够主动或者被动地向空间中各个方向发出携带自身特性的光线。通过设计控光单元的结构、对 2D 显示设备上加载图像进行有规律的编码等方式，调制有控光单元出射的携带三维场景信息的方向光，使其能够在空间中会聚并构建出向不同方向投射不同空间信息的体像素，用这些体像素来模拟真实物体的发光点，使人眼获得更真实、自然的 3D影像。4.F6G 适用场景与应用适用场景与应用 4.1.全息通信全息通信 基于天地一体化的 F6G 网络可支撑大尺度空间的全时全域宽带互联，配合裸眼三维显示

75、技术真实度高、参与感强和沉浸感佳的优势，未来可支撑各类全息通信应用，如图 9。图 9 F6G全息通信应用示意图 26 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 1）一对多全息通信：全息演讲或教学 当前，远程演讲或教学越来越应用于现实生活，重要信息的传播可以不受地域限制。相较于传统的通信方式，全息的高真实性特点使受众专注度大为提升，学习效果进一步贴近线下演讲或教学。此应用场景具有如下特点：信息流重要程度通常不对等，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（下行）全息显示，上行高清显示，利于在全息技术和 F6

76、G等高速网络技术发展初期部署。2）多对多全息通信：会议 当全息技术和大带宽网络技术发展到一定阶段，可以构筑高质量高感官程度的互动通讯。在视频会议这一场景中，线上参会人员人物数据将会被实时采集并通过全息显示技术，在人员身边构建虚拟高真实度参会场景，实现身临其境般的线上会议讨论。此应用场景具有如下特点：信息流重要程度对等，每个人的面前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。基于以上特点，业务端到端解决方案中每个用户既是被采集者也是接受者，作为接受者时，同时获取来自其他用户的全息影像和声音。此种模式对网络带宽的需求很高。4.2.虚实交互虚实交互 虚拟现实是新一代信息技术的重要前沿方

77、向，是数字经济的重大前瞻领域，将深刻改变人类的生产生活方式。它涵盖近眼显示、渲染处理、感知交互、网络传输、内容生产、压缩编码、安全可信等核心关键技术，以先进的云、网、边、端、芯组成硬件基础底座。在虚实交互方面，F6G 具有广阔的应用前景，可提供高速、稳定、低延迟的数据传输和通信支持，实现更加流畅、更加真实的虚拟现实和增强现实应用，如虚拟会议、虚拟旅游、虚拟现实游戏等。用户可以在元宇宙的虚拟多人互动环境中创建和控制自己的虚拟角色，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 XR（增强现实）等领域。例如，在现实场景中，用户可以通过佩戴智能眼镜或其他设备，实时感知周围环境，并将

78、虚拟信息叠加在现实场景中，从而实现对现实世界的增强感知，如图 10。27 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 图 10 F6G虚实交互应用示意图 目前，已有许多现实世界场景被迁移至虚拟世界中，通过光通信技术的支持，这种虚实交互可以实现“超高速率、超低时延、超大连接”的数据传输和通信，从而实现虚拟世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将会对光通信技术提出进一步的需求，未来光通信技术的进一步发展也会促进虚实交互体验的不断提升。1）带宽需求推动光通信发展：虚实交互技术对数据传输的需求巨大，需要传输大量的高清图像、视频和传感器数据。天地一体化光通信作为一种高带宽传输技术，能够

79、满足虚实交互对数据的高速传输需求。虚实交互的发展将进一步推动光通信技术的发展，充分利用天地一体化网络的覆盖优势，打造全时全域虚实交互应用。2）延迟保障实时交互体验：虚实交互技术对实时性的要求非常高，需要实时响应用户的动作和操作，以提供流畅的交互体验。光通信具有高速传输和低延迟的特点，可以有效地支持实时的数据传输，确保虚实交互系统的快速响应和实时性。天地一体化光通信将基于天地双网的宽带传输能力，为虚实交互应用提供低延迟的数据传输能力。3）抗干扰性保证稳定交互环境：虚实交互技术通常在多人同时参与的环境中进行，如多人游戏、虚拟会议等。在这种情况下，通信系统需要具备高抗干扰性，以确保数据传输的稳定性和

80、可靠性。天地一体化光通信技术将具备自组织抗毁能力和更强的抗干扰性，能够提供更稳定的传输环境，为虚实交互提供可靠的数据传输基础。28 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 4.3.智智能体互联能体互联 随着人工智能技术的迅猛发展，智能系统将广泛应用于人类生产与生活的各个空间，人能否与智能系统形成良好的交互及协作关系，将影响着能否最大化发挥智能系统的能力。智能系统所具备的自主学习、自主决策、主动交互、情境感知等能力与特性，正推动着传统的“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。以机器为代表的“智能体”未来将与人类充分协作，且具备高速移动、高度智能的特征。为了

81、承担更多人类无法完成的任务，智能体将广泛存在于陆地、海洋、天空，甚至太空。支撑大尺度空间的“人-机”与“机-机”等智能体的高效协同，将是天地一体化光通信系统的关键应用之一，如图 11。图 11 F6G智能体互联应用示意图 为了满足智能体互联的信息交互需求，F6G 网络可通过天地一张网实现海陆空无缝覆盖与万物互联。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范围。被联接的人、物、设备可能升级为可相互连接的“数字物种”，其产生的海量数据源源不断汇入到智能中枢，再将智能中枢产生的智慧带到每一个场景，形成全时全域

82、智慧协同。29 第六代固定通信网（F6G）白皮书 V1.0 附：附：主要主要贡献单位与人员贡献单位与人员（排名不分前后排名不分前后）北京邮电大学：黄善国、赵永利、王 伟、杨 辉、王丹石、于振明、张佳玮、郭秉礼、于迅博、李亚杰、郁小松、李 岩、徐兴元、欧燕妮、薛旭伟 清华大学：郑小平、华 楠 北京大学：陈章渊、张 帆 北京理工大学：董 毅、谢玮霖 上海交通大学：胡卫生、诸葛群碧 复旦大学：迟 楠、张俊文 华中科技大学：唐 明 中山大学：李朝晖 电子科技大学：江 宁 西南交通大学：闫连山 苏州大学：沈纲祥、李泳成 重庆邮电大学：郭 磊、侯维刚 广东工业大学：付松年 南方科技大学：沈 平 西安电子科技大学：顾华玺