當前物理世界與數字世界正在逐漸融合，未來的基礎設施需要為數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設施需要支持的用例，這類用例將支持F5G Advanced和F6G演進路線的制定，同時整合和協調不同的技術發(fā)展趨勢，將數字化帶給每個人、家庭和組織，構建萬物互聯的智能世界。
1、介紹
未來的光網絡需要支持傳統電信場景以及家庭、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用。為滿足上述應用需求，不僅需要全面覆蓋當前通信場景，還應考慮到未來通信基礎設施的技術發(fā)展趨勢和愿景。2020年，歐洲電信標準協會（ETSI）成立了第五代固定網絡行業(yè)規(guī)范工作組（ISG F5G），以完成這一任務。ISG F5G工作組已成立2年多，發(fā)布了許多文件。本文總結了各類用例和網絡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，要想實現人與環(huán)境的交互，新技術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。在這種環(huán)境中，通信和計算基礎設施需要融合，以降低總體成本和功耗，同時在合法的基礎上滿足隱私需求。
這些技術趨勢導致光網絡基礎設施要求更高算力，以自主應對各類環(huán)境。此外，環(huán)境感知和基礎設施中的組件協作產生了大量數據，導致通信和數據流量有所增加。隨著光學傳感能力的進一步增強，將會出現更多不同類型的應用。
基于光纖的光通信和傳感是打造萬物互聯的基礎，可實現海量數據高效傳輸。為充分發(fā)揮光技術的潛力，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前可用技術之間的差距，并通過研究、開發(fā)和推動標準化來縮小這一差距，這也是ETSI ISG F5G的使命。下文將詳細解釋ISG F5G工作組采取的措施，并輔以相關案例證明。
2、ETSI ISG F5G的用例驅動法
ISG F5G的標準化有一個關鍵特征，即它是一種面向應用的方法。對于F5G及后續(xù)演進技術來說，ISG F5G都會研究其具體應用場景，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)、化學和采礦應用、智慧城市等高級通信場景。對于后者，本文總結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用和相應的需求，具體技術的應用，詳見后續(xù)技術概況和差距分析。隨后，基于該差距分析，ISG F5G將確定當前技術和標準的實際差距，并與ETSI內部和外部的相關標準化機構交流，推動F5G及后續(xù)技術的演進和標準化。ETSI ISG F5G的標準化過程如圖1所示。
圖1:ETSI ISG F5G通過用例驅動標準化。ISG F5G確定了F5G相關的應用場景，不同場景對不同的用例有相應的需求，這些用例對技術概況和差距分析提出了技術需求，技術差距反過來又推動了不同標準化機構的進一步開發(fā)。
3、未來光通信用例
據悉，ETSI ISG F5G正在討論未來光網絡的通信需求。該討論旨在確定推動研究、開發(fā)和標準化需求的相關通信場景和關鍵用例。這需要ISG F5G成員、行業(yè)其他成員、學術界、研究機構、最終用戶和其他利益相關者之間廣泛交換意見。ISG F5G預計，F5G Advanced將于2025年實現標準化，F6G將于2030年左右實現標準化。
以下用例介紹了業(yè)界正在討論的部分F5G Advanced應用場景，以期拋磚引玉。
A.光纖到房間（FTTR）實現智慧家庭
智慧家庭，即家庭中的所有東西都是聯網的，可與家庭成員實現無縫交互，并根據時間、活動類型、媒體/電視播放內容、室內外空氣質量、溫度等環(huán)境因素，控制供暖和通風、窗簾開閉、跨房間音樂播放、燈光調節(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設施，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絡連接，如圖2所示。
圖2：FTTR為智慧家庭應用提供高帶寬、高可靠和低時延連接
B．光傳感實現智慧園區(qū)
智慧校園利用大量光傳感應用，包括周界安全、火災報警、建筑監(jiān)控、地震預報、交通監(jiān)控、人員、車輛或障礙物檢測、數字化3D地圖和室內機器人導航等，提高整體效率（電源、工作等），保障員工和設備的安全。光技術在傳感和提供底層通信基礎設施方面發(fā)揮至關重要的作用，可提供智慧校園所需的傳感器信息。圖3為室內定位的相關用例。
圖3：用于室內定位的光傳感技術將使能眾多智慧校園應用
C. 光傳感實現智慧健康
智慧健康可實現從被動治療到主動預防疾病的轉變，是未來醫(yī)療的關鍵，還有望應用于早期風險檢測和疾病預防、突發(fā)健康狀況檢測、事故檢測及老人護理等方面。光傳感在這一過渡過程中將發(fā)揮關鍵作用，如內置光學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，幫助人們在家、養(yǎng)老院或醫(yī)院完成健康監(jiān)測。
圖4：智能光學傳感器可為醫(yī)療機構或家中的病人提供無創(chuàng)健康監(jiān)測，實現從治療向預防的轉變
D．使用光學定位系統進行精準定位
工廠車間物體的超高精度定位是實現智慧工廠和新一代數字孿生技術的關鍵。目前，確保可靠定位的射頻（RF）頻譜資源較為稀缺，定位系統通常依賴于無線電技術，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實時3D模型，建設新一代自動化工廠關鍵。這些模型可規(guī)劃小車的軌跡，從而預防事故的發(fā)生。
圖5：精準的光學定位是打造新一代智能工廠的關鍵
E．光纖傳感的工業(yè)應用
光纖傳感對許多工業(yè)應用非常重要，包括電力線、天然氣和石油管道、石油鉆井、飲用水基礎設施、化工廠、采礦、交通基礎設施（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)坍塌的應變、過熱及其他溫度變化因素
F．智能制造工業(yè)光網絡
智能制造將基于新一代光網絡向工業(yè)云演進，這是實現工業(yè)數字孿生技術的關鍵，進而推動工藝發(fā)展和生產監(jiān)控與優(yōu)化。圖7中顯示的這類技術與工廠、發(fā)電廠、化工廠、船舶、火車、機器人等許多工業(yè)應用息息相關。
圖7：智能制造高度依賴通信基礎設施。通過工業(yè)光網絡，傳感器的讀取和施動者控制可以集中在（本地）云中，完成流程控制相關操作。這是一個很好的機會，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絡可靠性、增強產品質量并開展預測性維護。
3、光通信的代際演進
本節(jié)將重點介紹ISG F5G的光網絡代際演進路線。基于對光網絡前幾個代際的分析，將朝著F5G Advanced和F6G的愿景邁進。
ISG F5G對光技術演進的代際演示方法易于理解，且協調了全球光基礎設施這一復雜系統的方方面面。這對需要部署通信解決方案的普通商業(yè)或家庭用戶應用來說尤其重要。
A．F1G到F5G的演進
F1G到F5G的定義詳見《F5G代際定義》和《ETSI ISG F5G白皮書》。與前幾代技術相比，F5G實現了三個維度的演進：(1)增強固定寬帶（eFBB），提高網絡速度;(2)全光纖連接（FCC），通過光聯萬物增加接入點數量；(3)極致體驗（GRE），提高服務質量并大幅降低應用時延。
圖8：F5G的三大特性
B．F5G Advanced和F6G的演進愿景
我們相信，遵循固定網絡的演進路線，光網絡技術將不斷改善，網絡訪問將進一步簡化，并深化行業(yè)內合作。為此，我們需要討論F5G Advanced和F6G的預期場景、用例和技術，以便用例可以實施和商業(yè)化。
這就需要繪制技術路線圖，為整個行業(yè)提供引導。根據本路線圖中的用例，如上文案例，F5G Advanced和F6G系統需要在其他維度上進行拓展，具體維度方向仍有待進一步研究。
速度、連接性能和體驗需要進一步增強，因此F5G在上述三個維度的演進需要繼續(xù)保持，以提高相應的關鍵性能指標（KPI）。其他KPI取決于市場需求和特定時間的技術水平，有待進一步研究。
需要進一步研究基礎光子技術、光網絡組件、整體架構以及新的應用和解決方案，以實現新一代光網絡的承諾，并為相關新用例提供必要的性能。
根據當前用例，已經可以確定幾個方向：
提高關鍵應用的光網絡質量、可靠性和帶寬，并改善用戶體驗。
大量光纖端點接入智能應用中的傳感器和通信接入點。
提高光通信技術的適用性，實現超遠距離覆蓋、高可靠性、高質量、低成本的通信和傳感應用連接。
將大算力和人工智能嵌入光網絡，開發(fā)新型應用。
適應云應用，提高系統的靈活性。
優(yōu)化網絡，實現最佳能效。
優(yōu)化融合通信和計算基礎架構，將各類業(yè)務的整體功耗降到最低。
提高自動化水平，快速適應并降低基礎架構的運營成本。
4、總結
ETSI ISG F5G遵循用例驅動和基于演進路線的標準化方法，通過預測不同場景下光基礎設施的需求用例，確定當前技術與標準的差距。這些差距隨后將通過研究、開發(fā)和推動標準化來消除。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設施的創(chuàng)新過程。
論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9907924 
