面向多场景应用的光网络通感一体化架构和关键技术方案研究

目录目录 引言光纤通信网络通感一体化的多场景应用分析光纤通信网络通感一体化关键技术研究光纤通信网络通感一体化产业发展及标准化总结及展望主要贡献单位P1P2P6P17P29P31 引言 光纤通信网络可以实现大容量、长距离、高可靠的信息传输，是通信网络的重要基础设施，广泛应用于电信领域、电力和油气等能源行业的信息通信网络，经过多年发展已形成庞杂的体系，承载着丰富多样的业务。光纤传感技术利用光纤对温度、应变、振动、声波等物理场的敏感性，实现对光纤周围环境的感知。光纤通信技术与光纤传感技术皆以光纤为媒介，在信号的调制、发送、放大、探测等方面类似，二者的融合具有先天优势。此外，人工智能（AI）技术的发展，对通信网络优化、智能感知及控制应用产生了深远的影响，极大地推动了通信和感知的深度融合。通感一体化技术一方面提升了光纤光缆的资源利用率，另一方面满足5G-A/6G、智算等新一代信息通信技术对光纤通信网络提出的智能化运维管理需求。 本蓝皮书分析了光纤通信网络通感一体化的应用需求，提出较为成熟的解决方案，探讨技术的产业化和标准化进展，提出未来发展趋势及发展建议，推动光纤通信网络通感一体化技术和产业良性发展。 光纤通信网络通感一体化的多场景应用分析 光纤通信和感知的融合是基于光纤光缆资源共享的基础之上，在一张网络上同时实现数据传输与环境感知功能，对传统光纤通信网络功能进行革新与扩展。目前具备通感一体化功能的光纤通信网络主要有两大应用方向，一是借助感知功能提升通信系统的稳定性，即利用光纤光缆对所处环境的感知、识别与预测，实现光纤光缆的智能化管理和监测应用；二是基于光纤通信资源使能多场景的感知增强，即借助于泛在部署的光纤通信系统资源，实现感知的多维、广域覆盖，降低感知硬件部署成本，提升光纤光缆资源利用率，满足多场景的感知需求。 1.1光缆资源的管理和监测 光纤通信网络经过多年的发展，建设规模和复杂度不断增加，形成庞杂的体系，利用光纤传感技术，实现光缆资源管理、维护及监测的智能化和可视化，保障光纤通信网络的安全和稳定，提升传输质量。 光缆资源管理方面，光缆资源管理方面，传统光缆资源管理(光纤识别、光纤路由还原、光纤寿命预测等)手段大多依赖于静态数据库，更新不及时，且易出错，无法准确反映光纤光缆在实际网络中的变动。利用光纤传感技术，与地理信息系统（GIS）结合，有望实现光缆路由信息的精准管理与可视化展示。此外，传统光纤寿命评估多基于经验，缺乏对光纤状态参量的精准感知和实际运行环境的考虑，预测准确度较低。应力与光纤的寿命密切相关[1]，如图1所示，通过光纤传感技术，实时监测光纤的应力变化，建立科学的寿命预测模型，可实现对光纤性能衰减的预警和维护。 光缆资源监测方面光缆资源监测方面，面对复杂网络环境下光缆资源的隐形损伤，如微裂纹增长、缓慢性能退化等，传统技术手段在实时性、定位精度以及对微小损伤的敏感性上存在局限，难以做到早期预警，尤其是对于埋深较深、环境复杂的光缆段（如图2所示），定位误差较大，甚至无法进行有效测试，亟待解决。基于光纤传感技术，构建实时、准确监测光纤状态、并在故障发生前进行预警的监测系统，实现在复杂环境下非接触式探测光缆位置及埋深，降低误报和漏报，减少业务中断时间。 1.2环境感知和安全监测 光纤通信网络利用光纤传感技术可以实现对光纤周围环境的感知，构建泛在的感知网络。复用已有的光纤资源进行环境感知和目标资源的安全监测，减少单独部署传感网络的巨额开销，提升光纤网络的综合效益，展现出良好的经济可行性。下面针对几种典型应用场景进行分析。 （1）利用电信光缆资源实现环境感知（1）利用电信光缆资源实现环境感知 随着运营商光纤网络的不断扩张与深化覆盖，庞大的光缆资源应用拓展成为热点研究领域，其中城市动态监测与地质水文环境监测具有实际应用潜力。 城市动态监测方面城市动态监测方面，传统的视频监控、感应线圈等城市监测手段的覆盖能力有限，难以实现全城范围内的实时动态监测，维护成本高。基于光纤传感技术，将不断扩张的光纤通信网络转变为遍布城市的智能感知网络，实现城市交通车流、路面状况及桥梁健康状况等监测，如图3所示。 地质水文环境监测方面地质水文环境监测方面，光纤通信网络覆盖多样化的地质环境，相较于卫星遥感或地震台等监测手段，光纤传感技术能以相对较低的成本实现地下深层结构的连续、高密度监测，预警地质灾害如地震和滑坡等，如图4所示[2]。分析光信号在光纤中传播时的频率、偏振态等参数变化，不断提高检测微小土壤位移、地下水位变化等方面的灵敏度，进行地质灾害的预警。 （2）利用油气管线伴行光缆实现管道资源安全监测（2）利用油气管线伴行光缆实现管道资源安全监测 管道输送作为石油天然气的运输方式，对国家经济与民众生活有着重要作用。管道输送的介质具有高度易燃易爆性，运行时处于高压状态，一旦发生泄漏，不仅会威胁环境安全，还可能引起爆炸等灾难性后果，对资源的健康监测以及防外破监测至关重要。 管道资源健康监测方面管道资源健康监测方面，传统手段进行管道内检测器和清管器的实时跟踪定位难以满足高精度定位的要求。利用管道伴行光缆和光纤传感技术，有望实现对各种条件下、不同规格的管道检测器实时、高精度的跟踪定位。 防外破监测方面防外破监测方面，油气管道多属于开放系统，安全隐患具有时空随机性、分布广域性、发生隐蔽性、后果灾难性等特点，安全预警与风险防控是系统性技术难题。传统监测设备易受环境干扰，导致误报和漏报频发，且存在识别准确率不高、弱信号检测能力不足、多因素模型预测精度有限以及实时性受限等问题。基于管道伴行光缆，持续收集管道内温度等环境信息，构建可在恶劣环境下进行广域、实时的数据采集与分析的系统，一旦监测到人工挖掘或管道附近施工造成的管道泄露，即可迅速精准定位，为应急响应提供宝贵时间，如图5所示。 （3）利用OPGW实现电力传输线缆安全监测（3）利用OPGW实现电力传输线缆安全监测 输电线路途径环境恶劣，跨越江河、海洋、沙漠、森林及高海拔区域，地理环境及气象复杂，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴、冰雪 灾害等环境因素影响，阻碍电力系统的安全稳定运行。亟需在线监测电力传输线缆运行状态，及时发现故障并预警，降低灾害造成的损失。 对电网中的架空输电线路进行持续、实时的监测和评估，主要包括导线及金具温度监测、导线弧垂监测、线路覆冰监测、微风振动与导线舞动监测、杆塔倾斜监测、雷击监测及火灾监测等，如图6所示。传统的监测方法依赖于周期性的手动检查和局部安装的传感器，具有巡视效率低、难以全面覆盖电网、易留下监测盲点、无法有效采集动态数据、安装和维护工作量巨大及故障率和成本较高等问题。基于伴随高压输电线敷设的光纤复合架空地线（OPGW），采集高压电线的应力变化、振动、温度等关键参数，建立非侵入式监测，实现全生命周期感知。构建预防性维护系统，实现自动识别灾害前兆，触发预警机制，并提供精准定位的监测系统，对电网资源健康状态提供及时准确的评估。 光纤通信网络通感一体化关键技术研究 现有光纤通信网络架构和技术难以满足不断涌现的应用需求，亟待研发资源高效利用、满足差异化应用需求的新型通感一体化网络架构和使能技术。一是实现光纤通信网络的通感一体化，需在既有光纤通信网络中融合感知功能，在既有通信网络架构上构建感知系统。二是产业界正在积极寻求合适 的监测方案，目前广泛应用的技术路线包括分布式光纤传感技术及相干信号DSP解调技术。三是新型光纤光缆不断涌现，为光纤通信网络通感一体化性能提升和应用拓展提供了有力支撑。 3.1通感一体化系统架构 在已有的光纤通信网络基础上构建感知能力，支持多种应用场景，系统架构分为5个部分：物理层、数据层、模型层、应用层以及管控层，如图7所示。通过这5个部分的紧密协作，构建从数据采集到应用服务的系统，为实现智能化感知和决策提供技术支持平台。 物理层：物理层：作为系统的基础，物理层集成多类型分布式传感设备，构建既能承载传统通信业务，又可支持感知功能的网络架构。从物理层面来看，光网络通感一体化指通信与感知在光纤资源层面实现复用，如采用波分复用、空分复用等方式实现传感数据和通信数据的多路复用与传输。以光纤作为传感元件，实时捕捉环境变化，如温度、振动、声波等物理参量，并通过光纤网络传输传感数据。 数据层：数据层：负责接收来自物理层的原始数据，执行数据清洗、格式化、压缩等工作，提升数据的质量和可用性。通过大数据分析和数据挖掘技术，对海量数据进行整理和分析，提取有价值的信息特征，为模型层提供数据输入。 模型层：模型层：构建分析模型，对数据层输出的数据进行模式识别、异常检测、预测分析等处理，识别特定事件或模式，针对不同的监测目标（如光缆损伤预测、管网泄漏检测、输电线路故障预警）进行 定制化训练，实现异常检测、趋势预测与健康评估。这些模型不断进行学习和优化，以提高事件识别的准确性和响应速度。 应用层：应用层：基于模型层的分析结果，应用层设计并实现针对不同应用场景的服务和解决方案，确保感知数据能够转化为实际应用价值，满足用户特定需求。多系统联动监测，如不同跨段的光缆监测单元协同工作，互相补充验证，实现光纤光缆资源全面、大范围感知，提高监测的准确性和可靠性。 管控层：管控层：作为系统的指挥中心，管控层负责整个系统的资源配置、任务调度和安全监控。通过南北向接口与协议，实现对上层应用服务和底层数据传输的高效管理，确保数据流转的稳定性和安全性。同时，管控层根据不同的应用场景，动态调整模型和算法的配置，以适应业务需求的变化，确保系统的灵活性和可扩展性。 目前提出的系统架构中通信与感知作为两种业务形态相对独立存在，未达到深度融合。如何进行资源统一调配、信息统一整合，实现动态调控和协同机制，需要产业界进行更多探索和研究。 3.2通感一体化技术应用方案 3.2.1分布式光纤传感技术应用方案3.2.1分布式光纤传感技术应用方案 分布式光纤传感技术沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化的信息进行监测，具有高灵敏度、抗电磁干扰、分布式等优势，目前业界已提出几种较成熟分布式光纤传感技术应用方案。 (1)基于-OTDR技术的光缆防外破预警(1)基于-OTDR技术的光缆防外破预警 光缆线路常遭受到外力破坏，如施工挖掘、自然灾害等，导致通信中断。基于-OTDR技术和机器学习的光缆防外破预警系统通过实时监测光缆状态，预警外部破坏，实现快速响应和维护，保障通信网络的稳定与安全，如图8所示。 -OTDR采用窄线宽光源，将一个高相干的泵浦脉冲注入到待测光纤中，接收端探测到的信号是脉宽内瑞利散射光的干涉叠加，当光纤周围无扰动时，相干叠加光处于稳定状态。光纤某处受到外界扰动时，光纤的径向长度和折射率均会受到明显的影响，产生信号的相位和强度变化。通过信号差分、IQ解调等手段解调信号相位或强度的变化，进行振动监测。通过分析多种振动类型产生的探测样本数据，建立不同外破场景的识别算法，实现分级预警机制。 基于-OTDR技术的光缆防外破预警系统包含硬件部署、信号处理、预警与定位和运维响应，如图9所示。 硬件部署硬件部署：规划整个光纤通信网络，在易遭受外力破坏的关键节点和易损区域安装具备高灵敏度和低噪声特性的-OTDR设备，如穿越道路、河流、建筑工地附近等。-OTDR设备通过光分路器或耦合器与主光缆连接，在不影响主通信业务的前提下，实现非侵入式的实时监测。此外，需确保所有硬件设备符合室外环境的耐用性和可靠性要求，如防尘防水、耐高低温等。 信号处理信号处理：负责存储和处理从各监测点回传的原始数据，滤除背景噪声，提取出外力作用导致的相位变化信号。数据处理算法包括先进的数字信号处理技术、模式识别以及机器学习等。同时，系统具备良好的可扩展性，以适应未来网络扩张和满足数据量增加的需求。 预警与定位预警与定位：实时判断检测到异常相位变化是否达到预警阈值，提供异常发生的地点、程度以及可能的影响范围等预警信息，结合GIS系统