数字社会的“神经脉络”：通感一体化的光网络

中国联通研究院下一代互联网宽带业务应用国家工程研究中心唐雄燕教授团队在《激光与光电子学进展》发表题为“光网络的通感一体化技术研究前沿”的封面文章。充分阐述了可用于实现光网络通感一体化的多种使能技术，并结合国内外相关前沿热点研究，讨论了光网络通感一体化技术的应用场景。

封面解读

       封面生动展示了通信和感知功能一体化集成的新型光网络，光纤中不仅传输高速的通信信号，还能高效复用感知功能，用于感知环境中温度、震动、声波等多种物理参量的动态变化，有望使广域覆盖的光纤资源成为未来数字社会的“神经脉络”。

文章链接：张传彪, 唐雄燕, 王光全, 张民, 沈世奎. 光网络的通感一体化技术研究前沿[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(1): 0100001

寻踪溯源

       随着我国加快经济社会的数字化转型，光网络已成为重要的数字信息基础设施，而光网络的通信与感知功能的一体化设计，将是构建智能化、多场景应用的新型融合通信系统的必然趋势。

       在无线通信领域，未来的6G网络有望基于太赫兹（THz）这一新频谱来实现无线网络的通感一体化，让通信与感知的传统分立系统在资源层面实现共享。而相比无线通信，基于光纤的信息传输网络，更是天然具有通信与感知功能一体化的潜力。

       光纤传感技术几乎与光纤的发明同时出现，而光纤传感系统和光通信系统的基本组件类似，两者的有效融合能够实现资源的有效复用，开辟新型应用场景的同时，还辅助光纤资源的主动感知，实现光缆资源可视化、光纤故障监测等应用，进一步提升光网络的运维效率，降低业务故障率。

光网络通感一体化如何实现？

       利用光纤散射效应构建分布式的传感系统，可以让通信光纤本身作为传感单元。分布式光纤传感技术作为光网络的通感一体化的关键技术之一，从实现原理上来看，主要包括：以瑞利散射为主的弹性散射；以拉曼散射和布里渊散射为主的非弹性散射，如图1所示。其中光纤散射以瑞利散射为主，这是一种弹性散射，即只改变散射的方向，而光子能量不变。另外是频移量约为10 GHz的布里渊散射和频移量约为13 THz的拉曼散射，在这两种典型的非弹性散射过程中，光子的能量发生了改变。

图1 石英光纤中典型的光散射

       典型的分布式传感系统，如表1所示，所探测的参量各有侧重，传感系统的应用范围也有所区别，结合传感系统的特征可在现网中实现不同的新型应用。值得说明的是，典型传感系统除了在时域分析回波散射信号，还可以在频域进行分析，如OFDR、BOFDA等传感技术也在不断发展。

表1 光纤中典型的光学散射及分布式传感技术

       随着光纤通信技术的不断演进，如新型光纤技术、波分复用技术和可调激光器技术等不断成熟，都将有助于构建更加灵活、融合的通感一体化系统，并在有效解决通信信号和传感信号的串扰问题之后，实现多传感单元的协同感知。

在何处发光发热？

       复用通信现网中的光纤资源实现光网络通感一体化技术，应用场景也主要在光网络的覆盖区域，这样能充分发挥光纤的通信和感知融合的优势，这种技术的融合不仅能有效利用运营商已有的光纤资源，还会对光缆的新建有指导意义。通过对相关前沿研究的检索分析，光网络通感一体化技术的潜在应用主要涵盖光纤资源运维、智慧城市、管网和结构监测以及地质环境监测等场景，如图2所示。

图2光网络通感一体化技术的典型应用场景

光缆资源的运维管理

       随着通信光缆铺设里程的增加，光网络构成越来越复杂，光纤资源有效的运维和管理变得迫切，亟需一种可满足光缆资源数字化、智能监测的新型技术手段。目前已广泛使用的OTDR技术利用回波瑞利散射，实现光纤链路特征的分析，用于光网络分析、故障排查和网络维护，可视为光网络通感一体化技术的应用之一。2020年，通信运营商Version和日本NEC曾合作研究[1]，实现光纤路由信息的精确还原，如图3所示。

图3 光纤路由检测实验。(a)实验选择的光纤路径；(b)带GPS的机械振动装置；(c)分布式光纤传感系统[1]

智慧城市

       光纤网络也是城市基础设施的重要组成部分，触及城市的各个角落，光网络通感一体化技术的推广，将让基础光纤资源和多种传感设备形成功能互补，在构建智能城市中发挥巨大优势，实现城市的智能感知和高效治理[2]，并为电信运营商创造了新的收入来源。目前研究较多的领域包括智能安防、智慧交通等领域。2021年，意大利的研究人员当地数据中心的一段光缆资源，进行了交通车辆监测现场实验[3]，并获得了较好的准确率，如图4所示。

图4 交通监测实验。（a）所用运营商光缆的路由标识；（b）基于霍夫变换算法的数据处理；（c）基于判决阈值的车辆特征提取[3]

管网和结构监测

       在电力网线和油气管线等领域，由于需要实时传输调度控制、告警等信息，往往会在建设输电线或石油管线的同时，建设专有的光纤网络以满足上述通信需求。同时，为了保证管网的正常运行和及时维护，其工作状态的监测十分关键。最新国务院还出台推进地下综合管廊建设的相关文件，利用光网络通感一体化技术，可以实现现有光纤资源的融合复用，同时满足通信和传感功能，将有很广阔的应用前景。

地质环境监测

       相比传统的卫星遥感、地震台等地质环境监测方案，光纤方案能够实现更为密集数据点采集，除了用于监测海床地质环境变化和海底地震事件之外，还可以实现海底核武器爆炸实验监测、海洋预警、海洋地震评估等特殊活动的感知。2019年，美国伯克利国家实验室的研究人员利用一段用于科学研究的海底通信光缆，进行了基于DAS技术的海床地质结构的监测研究[4]，这段光缆连接着第一个太平洋海底地震观测台MARS（Monterey Accelerated Research System），该光缆系统建于2003年，如图5所示。

图5 地震监测实验。（a）所用海缆系统的示意图；（b）地震观测台示意图；（c）光纤传感器获取的地震断裂带数据[4]

未来已来

       目前光网络的通感一体化技术研究处于初始阶段，仍存在许多的问题和挑战。

       1）通信和传感信号串扰问题。

       在光缆资源的运维管理应用中，如PON的集中式监测应用中，随着客户端数量的增加，势必要求更加精细的频带控制，对光源和滤光片等提出更高的要求，这会让监测系统的部署成本显著增加。

       2）通信和传感系统组件的集成化问题。

       为了实现通感一体深层次的融合，需要在系统组件层面进一步的集成设计，而对于传感信号常用的U波段（1625~1675 nm），部分光器件在该波段的特性仍缺乏充分的研究。

        3）实时数据处理问题。

        从现场实验情况来看，尤其是长距离监测应用，解调器获取的原始数据量常常日均在Tb量级，因此需要高效的传感数据处理和参量特征提取技术，才能保证传感监测的实时性。

       而随着应用需求的不断显现，上述问题会寻求到合适的解决方案，光网络通感一体化有望变得更加成熟，在现有应用基础之上，还将反哺新的光网络建设，合理布局光缆资源，进而满足全场景感知的需求。并且，结合人工智能算法、机器学习以及边缘计算等新型技术，最终形成通感算一体的系统架构，为数字孪生等更高阶的应用提供强大的物理世界感知能力，相信未来已来。

作者简介

       唐雄燕，中国联通研究院副院长、首席科学家，下一代互联网宽带业务应用国家工程研究中心主任，兼任北京邮电大学兼职教授、博士生导师，工业和信息化部通信科技委委员，中国通信学会理事，中国光学工程学会常务理事，北京通信学会副理事长。长期从事信息通信新技术研发与管理，主持了企业许多重大技术工作，担任过多项国家科研课题负责人，主要专业领域为宽带通信、光纤传输、新一代网络等。

参考文献：

[1] Xia T J, Wellbrock G A, Huang M F, et al. First proof that geographic location on deployed fiber cable can be determined by using OTDR distance based on distributed fiber optical sensing technology[C]//Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2020: Th3A. 5.

[2] Luch I D, Boffi P, Ferrario M, et al. Vibration sensing for deployed metropolitan fiber infrastructure[J]. Journal of Lightwave Technology, 2021, 39(4): 1204-1211.

[3] Catalano E, Coscetta A, Cerri E, et al. Automatic traffic monitoring by ?-OTDR data and Hough transform in a real-field environment[J]. Applied Optics, 2021, 60(13): 3579-3584.

[4] Lindsey NJ, Dawe TC, Ajo-Franklin JB. Illuminating seafloor faults and ocean dynamics with dark fiber distributed acoustic sensing. Science. 2019, 366(6469): 1103-1107.

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/D-C9xymLl6g9PBPyb1udKw