當(dāng)前物理世界與數(shù)字世界正在逐漸融合，未來的基礎(chǔ)設(shè)施需要為數(shù)字化和智能化社會鋪平道路，提供感知世界的新方法，并為人、機(jī)器和物理世界之間的通信提供新范例。
2022年10月，IEEE收錄了2022年第13屆CSNDSP（International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing）暨第二屆未來光技術(shù)沙龍（FRONT（FutuRe Optical Networking Salon ） EDGE）期間的一篇論文《A Vision Towards F5G Advanced and F6G》。
該論文展示了ETSI F5G行業(yè)規(guī)范工作組（ETSI ISG F5G）基于用例和演進(jìn)路線推動F5G Advanced和F6G發(fā)展的方法論。文中列舉了未來光通信基礎(chǔ)設(shè)施需要支持的用例，這類用例將支持F5G Advanced和F6G演進(jìn)路線的制定，同時整合和協(xié)調(diào)不同的技術(shù)發(fā)展趨勢，將數(shù)字化帶給每個人、家庭和組織，構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能世界。
1、介紹
未來的光網(wǎng)絡(luò)需要支持傳統(tǒng)電信場景以及家庭、工業(yè)、垂直行業(yè)、公用事業(yè)、企業(yè)、IT和政府等場景的海量應(yīng)用。為滿足上述應(yīng)用需求，不僅需要全面覆蓋當(dāng)前通信場景，還應(yīng)考慮到未來通信基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)發(fā)展趨勢和愿景。2020年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）成立了第五代固定網(wǎng)絡(luò)行業(yè)規(guī)范工作組（ISG F5G），以完成這一任務(wù)。ISG F5G工作組已成立2年多，發(fā)布了許多文件。本文總結(jié)了各類用例和網(wǎng)絡(luò)場景下的三大共同趨勢：
首先，連接將無處不在，并融入實物中。這意味著無感知連接將默默融入我們的日常生活與交互環(huán)境。
其次，要想實現(xiàn)人與環(huán)境的交互，新技術(shù)需要覆蓋人的所有感官。這種交互還需要無處不在的輸入和輸出設(shè)備，如高級傳感器、語音/手勢控制器、新一代顯示器、投影儀，甚至包括觸覺和氣味傳感器/發(fā)生器等。
另外，隨著人工智能的普及，環(huán)境智能化有望實現(xiàn)。在這種環(huán)境中，通信和計算基礎(chǔ)設(shè)施需要融合，以降低總體成本和功耗，同時在合法的基礎(chǔ)上滿足隱私需求。
這些技術(shù)趨勢導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施要求更高算力，以自主應(yīng)對各類環(huán)境。此外，環(huán)境感知和基礎(chǔ)設(shè)施中的組件協(xié)作產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致通信和數(shù)據(jù)流量有所增加。隨著光學(xué)傳感能力的進(jìn)一步增強(qiáng)，將會出現(xiàn)更多不同類型的應(yīng)用。
基于光纖的光通信和傳感是打造萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)，可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高效傳輸。為充分發(fā)揮光技術(shù)的潛力，我們需要了解不同場景和個人用例中的未來通信需求。這樣我們才能確定該需求與當(dāng)前可用技術(shù)之間的差距，并通過研究、開發(fā)和推動標(biāo)準(zhǔn)化來縮小這一差距，這也是ETSI ISG F5G的使命。下文將詳細(xì)解釋ISG F5G工作組采取的措施，并輔以相關(guān)案例證明。
2、ETSI ISG F5G的用例驅(qū)動法
ISG F5G的標(biāo)準(zhǔn)化有一個關(guān)鍵特征，即它是一種面向應(yīng)用的方法。對于F5G及后續(xù)演進(jìn)技術(shù)來說，ISG F5G都會研究其具體應(yīng)用場景，包括家庭、商業(yè)和移動通信等典型場景，以及各類垂直行業(yè)、化學(xué)和采礦應(yīng)用、智慧城市等高級通信場景。對于后者，本文總結(jié)了一些滿足高級通信需求的新一代通信用例。這些用例僅描述了特定的應(yīng)用和相應(yīng)的需求，具體技術(shù)的應(yīng)用，詳見后續(xù)技術(shù)概況和差距分析。隨后，基于該差距分析，ISG F5G將確定當(dāng)前技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的實際差距，并與ETSI內(nèi)部和外部的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)交流，推動F5G及后續(xù)技術(shù)的演進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化。ETSI ISG F5G的標(biāo)準(zhǔn)化過程如圖1所示。
圖1:ETSI ISG F5G通過用例驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)化。ISG F5G確定了F5G相關(guān)的應(yīng)用場景，不同場景對不同的用例有相應(yīng)的需求，這些用例對技術(shù)概況和差距分析提出了技術(shù)需求，技術(shù)差距反過來又推動了不同標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步開發(fā)。
3、未來光通信用例
據(jù)悉，ETSI ISG F5G正在討論未來光網(wǎng)絡(luò)的通信需求。該討論旨在確定推動研究、開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化需求的相關(guān)通信場景和關(guān)鍵用例。這需要ISG F5G成員、行業(yè)其他成員、學(xué)術(shù)界、研究機(jī)構(gòu)、最終用戶和其他利益相關(guān)者之間廣泛交換意見。ISG F5G預(yù)計，F(xiàn)5G Advanced將于2025年實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，F(xiàn)6G將于2030年左右實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
以下用例介紹了業(yè)界正在討論的部分F5G Advanced應(yīng)用場景，以期拋磚引玉。
A.光纖到房間（FTTR）實現(xiàn)智慧家庭
智慧家庭，即家庭中的所有東西都是聯(lián)網(wǎng)的，可與家庭成員實現(xiàn)無縫交互，并根據(jù)時間、活動類型、媒體/電視播放內(nèi)容、室內(nèi)外空氣質(zhì)量、溫度等環(huán)境因素，控制供暖和通風(fēng)、窗簾開閉、跨房間音樂播放、燈光調(diào)節(jié)等，提供舒適的房間環(huán)境。
這些功能都高度依賴家庭通信基礎(chǔ)設(shè)施，而FTTR方案為智慧家庭提供了必須的高帶寬、高可靠性和低時延網(wǎng)絡(luò)連接，如圖2所示。
圖2：FTTR為智慧家庭應(yīng)用提供高帶寬、高可靠和低時延連接
B．光傳感實現(xiàn)智慧園區(qū)
智慧校園利用大量光傳感應(yīng)用，包括周界安全、火災(zāi)報警、建筑監(jiān)控、地震預(yù)報、交通監(jiān)控、人員、車輛或障礙物檢測、數(shù)字化3D地圖和室內(nèi)機(jī)器人導(dǎo)航等，提高整體效率（電源、工作等），保障員工和設(shè)備的安全。光技術(shù)在傳感和提供底層通信基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，可提供智慧校園所需的傳感器信息。圖3為室內(nèi)定位的相關(guān)用例。
圖3：用于室內(nèi)定位的光傳感技術(shù)將使能眾多智慧校園應(yīng)用
C. 光傳感實現(xiàn)智慧健康
智慧健康可實現(xiàn)從被動治療到主動預(yù)防疾病的轉(zhuǎn)變，是未來醫(yī)療的關(guān)鍵，還有望應(yīng)用于早期風(fēng)險檢測和疾病預(yù)防、突發(fā)健康狀況檢測、事故檢測及老人護(hù)理等方面。光傳感在這一過渡過程中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，如內(nèi)置光學(xué)傳感器的智能靠墊和床墊，可以監(jiān)控呼吸、睡眠、心率、體重和其他重要健康指數(shù)，幫助人們在家、養(yǎng)老院或醫(yī)院完成健康監(jiān)測。
圖4：智能光學(xué)傳感器可為醫(yī)療機(jī)構(gòu)或家中的病人提供無創(chuàng)健康監(jiān)測，實現(xiàn)從治療向預(yù)防的轉(zhuǎn)變
D．使用光學(xué)定位系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位
工廠車間物體的超高精度定位是實現(xiàn)智慧工廠和新一代數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵。目前，確保可靠定位的射頻（RF）頻譜資源較為稀缺，定位系統(tǒng)通常依賴于無線電技術(shù)，精度有限，定位易受干擾。超高精度實時可視定位是打造精準(zhǔn)實時3D模型，建設(shè)新一代自動化工廠關(guān)鍵。這些模型可規(guī)劃小車的軌跡，從而預(yù)防事故的發(fā)生。
圖5：精準(zhǔn)的光學(xué)定位是打造新一代智能工廠的關(guān)鍵
E．光纖傳感的工業(yè)應(yīng)用
光纖傳感對許多工業(yè)應(yīng)用非常重要，包括電力線、天然氣和石油管道、石油鉆井、飲用水基礎(chǔ)設(shè)施、化工廠、采礦、交通基礎(chǔ)設(shè)施（道路、橋梁、隧道、鐵路等）以及許多其他需要空間分辨率傳感的應(yīng)用。圖6展示了一個采礦場案例，圖中的光纖傳感器可以用來監(jiān)測振動、溫度變化、應(yīng)變和許多其他環(huán)境變化。
圖6：光纖傳感器可用于采礦，檢測挖掘或鉆探引起的振動、可能引發(fā)坍塌的應(yīng)變、過熱及其他溫度變化因素
F．智能制造工業(yè)光網(wǎng)絡(luò)
智能制造將基于新一代光網(wǎng)絡(luò)向工業(yè)云演進(jìn)，這是實現(xiàn)工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵，進(jìn)而推動工藝發(fā)展和生產(chǎn)監(jiān)控與優(yōu)化。圖7中顯示的這類技術(shù)與工廠、發(fā)電廠、化工廠、船舶、火車、機(jī)器人等許多工業(yè)應(yīng)用息息相關(guān)。
圖7：智能制造高度依賴通信基礎(chǔ)設(shè)施。通過工業(yè)光網(wǎng)絡(luò)，傳感器的讀取和施動者控制可以集中在（本地）云中，完成流程控制相關(guān)操作。這是一個很好的機(jī)會，可以通過整合資源，優(yōu)化整體制造流程，同時利用人工智能提高網(wǎng)絡(luò)可靠性、增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量并開展預(yù)測性維護(hù)。
3、光通信的代際演進(jìn)
本節(jié)將重點(diǎn)介紹ISG F5G的光網(wǎng)絡(luò)代際演進(jìn)路線�；趯饩W(wǎng)絡(luò)前幾個代際的分析，將朝著F5G Advanced和F6G的愿景邁進(jìn)。
ISG F5G對光技術(shù)演進(jìn)的代際演示方法易于理解，且協(xié)調(diào)了全球光基礎(chǔ)設(shè)施這一復(fù)雜系統(tǒng)的方方面面。這對需要部署通信解決方案的普通商業(yè)或家庭用戶應(yīng)用來說尤其重要。
A．F1G到F5G的演進(jìn)
F1G到F5G的定義詳見《F5G代際定義》和《ETSI ISG F5G白皮書》。與前幾代技術(shù)相比，F(xiàn)5G實現(xiàn)了三個維度的演進(jìn)：(1)增強(qiáng)固定寬帶（eFBB），提高網(wǎng)絡(luò)速度;(2)全光纖連接（FCC），通過光聯(lián)萬物增加接入點(diǎn)數(shù)量；(3)極致體驗（GRE），提高服務(wù)質(zhì)量并大幅降低應(yīng)用時延。
圖8：F5G的三大特性
B．F5G Advanced和F6G的演進(jìn)愿景
我們相信，遵循固定網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)路線，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將不斷改善，網(wǎng)絡(luò)訪問將進(jìn)一步簡化，并深化行業(yè)內(nèi)合作。為此，我們需要討論F5G Advanced和F6G的預(yù)期場景、用例和技術(shù)，以便用例可以實施和商業(yè)化。
這就需要繪制技術(shù)路線圖，為整個行業(yè)提供引導(dǎo)。根據(jù)本路線圖中的用例，如上文案例，F(xiàn)5G Advanced和F6G系統(tǒng)需要在其他維度上進(jìn)行拓展，具體維度方向仍有待進(jìn)一步研究。
速度、連接性能和體驗需要進(jìn)一步增強(qiáng)，因此F5G在上述三個維度的演進(jìn)需要繼續(xù)保持，以提高相應(yīng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。其他KPI取決于市場需求和特定時間的技術(shù)水平，有待進(jìn)一步研究。
需要進(jìn)一步研究基礎(chǔ)光子技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)組件、整體架構(gòu)以及新的應(yīng)用和解決方案，以實現(xiàn)新一代光網(wǎng)絡(luò)的承諾，并為相關(guān)新用例提供必要的性能。
根據(jù)當(dāng)前用例，已經(jīng)可以確定幾個方向：
提高關(guān)鍵應(yīng)用的光網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、可靠性和帶寬，并改善用戶體驗。
大量光纖端點(diǎn)接入智能應(yīng)用中的傳感器和通信接入點(diǎn)。
提高光通信技術(shù)的適用性，實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離覆蓋、高可靠性、高質(zhì)量、低成本的通信和傳感應(yīng)用連接。
將大算力和人工智能嵌入光網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)新型應(yīng)用。
適應(yīng)云應(yīng)用，提高系統(tǒng)的靈活性。
優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)最佳能效。
優(yōu)化融合通信和計算基礎(chǔ)架構(gòu)，將各類業(yè)務(wù)的整體功耗降到最低。
提高自動化水平，快速適應(yīng)并降低基礎(chǔ)架構(gòu)的運(yùn)營成本。
4、總結(jié)
ETSI ISG F5G遵循用例驅(qū)動和基于演進(jìn)路線的標(biāo)準(zhǔn)化方法，通過預(yù)測不同場景下光基礎(chǔ)設(shè)施的需求用例，確定當(dāng)前技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的差距。這些差距隨后將通過研究、開發(fā)和推動標(biāo)準(zhǔn)化來消除。我們邀請全球研究和創(chuàng)新界以各種形式參與F5G Advanced中期和F6G長期面向新型光基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新過程。
論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9907924 
