工業(yè)互聯(lián)網需要5G與光網絡協(xié)同

　　“工業(yè)互聯(lián)網”是網絡強國與制造強國戰(zhàn)略的重要抓手，得到我國政府的高度重視，從2017年以來連續(xù)5年寫入政府工作報告。工業(yè)互聯(lián)網也為光通信創(chuàng)造了新的發(fā)展空間。在唐雄燕看來，工業(yè)級光網絡是光通信融入工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展大潮的重要機遇。

　　目前，工業(yè)互聯(lián)網網絡面臨多方面挑戰(zhàn)：一是工業(yè)園區(qū)、辦公、生產等不同區(qū)域和環(huán)節(jié)的網絡分隔，系統(tǒng)和信息孤立;二是傳統(tǒng)組網方式不夠靈活，網絡調整、升級、擴展受限;三是網絡運維和管控缺乏智能，網絡、計算和應用的管控體系不統(tǒng)一;四是工業(yè)環(huán)境復雜，工業(yè)應用場景多樣，部分場景電磁干擾大，無線接入手段難以適應。

　　“傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網網絡亟需變革，而要構建面向工業(yè)互聯(lián)網應用場景的高品質網絡設施需要具備五大特質?！碧菩垩啾硎荆皇浅筮B接，實現(xiàn)海量工業(yè)設備接入;二是超低時延，確保端到端低時延通信，滿足工業(yè)控制要求;三是算力增強，通過增強網關的算力實現(xiàn)邊緣計算和算網融合;四是邊云協(xié)同，賦能工業(yè)大數據和工業(yè)智能;五是安全可靠，構建高安全和高可靠的工業(yè)網絡與系統(tǒng)。

　　工業(yè)光網是工業(yè)網絡與光網絡的結合，采用光網絡技術互聯(lián)工業(yè)企業(yè)全生產要素，實現(xiàn)生產控制、廠區(qū)監(jiān)控、 辦公業(yè)務的統(tǒng)一接入，實現(xiàn)人、機、物的全方位高質量互聯(lián)。唐雄燕強調，工業(yè)互聯(lián)網既需要5G也需要光網絡，二者相輔相成，各有優(yōu)勢和適用場景。

　　在工業(yè)光網中，工業(yè)PON、工業(yè)OTN和工業(yè)光總線都是比較關鍵的技術。尤其工業(yè)PON能夠廣泛應用于工業(yè)園區(qū)、工廠和現(xiàn)場，具備多方面優(yōu)勢：

　　大連接大帶寬，很好滿足工業(yè)互聯(lián)網中人機物的大數量連接需求以及3D機器視覺等大帶寬業(yè)務需求;低時延低抖動，工業(yè)PON下行的廣播機制可以保證穩(wěn)定的低時延傳輸，下行時延可以低于100微秒，上行時延可以低于200微秒，而且通過技術創(chuàng)新還可以進一步將時延減低至10微秒;高可靠高安全，光接入天然具有抗電磁干擾和高穩(wěn)定等特性，可以滿足工業(yè)互聯(lián)網安全可靠要求;靈活性和擴展性，PON系統(tǒng)接入帶寬和用戶數可以靈活擴展，而且在傳輸能力外，還可以通過算力增強，實現(xiàn)算網協(xié)同，更好承載工業(yè)應用。

　　因為工業(yè)PON具備的獨特多項優(yōu)勢，中國聯(lián)通期望打造超大連接、超低時延、安全可信的工業(yè)PON網絡，通過大連接、低時延的工業(yè)PON基礎技術，聯(lián)接與計算融合的工業(yè)算網體系和增強的安全可靠保障機制來構筑工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的堅實底座。

　　工業(yè)PON技術創(chuàng)新的“七大關鍵”

　　作為2021年國家重點研發(fā)計劃項目的負責人，唐雄燕承擔著“超低時延、超大連接、安全可信的工業(yè)無源光網絡架構與系統(tǒng)研究及應用示范”項目研究。

　　據介紹，該項目聚焦PON在工業(yè)互聯(lián)網場景下的應用，研究提出超大連接、超低時延、安全可信的新一代光接入網架構，研制低成本光接入系統(tǒng)器件、模塊、設備，打造邊云協(xié)同的工業(yè)光網運維管控體系，開展應用示范，推動PON從電信級到工業(yè)級的拓展。該課題將在如下領域開展技術創(chuàng)新。

　　一是通過TDM+WDM+SDM多維復用構建超大連接光接入網絡。工業(yè)PON主流的10G TDM-PON技術，技術成熟度高，產業(yè)鏈完善，1臺OLT設備可實現(xiàn)大于10000臺終端的連接，滿足工業(yè)互聯(lián)網超大連接需求。同時基于工業(yè)互聯(lián)網需求還將向50G PON升級，滿足更高帶寬業(yè)務的需求。WDM是PON進一步升級的重要方向，具有發(fā)展?jié)摿?，產業(yè)鏈也在逐漸成熟，WDM-PON具備更大的連接能力和帶寬能力，未來通過多載波與多芯光纖的結合，實現(xiàn)波分空分多維復用，單PON口可實現(xiàn)上千臺ONU的連接。

　　二是實現(xiàn)超低時延工業(yè)PON系統(tǒng)。通過FBA固定帶寬機制，縮短上行突發(fā)(burst)，帶外開窗等機制降低PON系統(tǒng)時延，實現(xiàn)下行時延75微秒，上行200微秒。同時項目還在研究超低時延的工業(yè)PON系統(tǒng)，通過采用波分和相干技術可以將PON的時延控制到10微秒以內。

　　三是構建高可靠高安全PON網絡。PON具備完善的保護倒換，如PON 光鏈路保護可以采用 TYPE D 方式(OLT 雙 PON 口，ONU 雙 PON 口，主干光纖、光分路器和配線光纖均雙路冗余)，保證系統(tǒng)的高可靠性;PON系統(tǒng)中OLT發(fā)送的信號可以被所有ONU接收到，需要通過完善的ONU接入安全機制和加密算法來保證系統(tǒng)和數據的高安全。

　　四是研發(fā)新型算網融合工業(yè)網關。針對工業(yè)通信數據接口多樣、協(xié)議繁雜、互不兼容等特點，設計基于ONU邊緣計算能力的多協(xié)議轉換系統(tǒng)，實現(xiàn)跨傳輸層的數據透明傳輸。針對確定性低時延和低抖動承載需求，將邊緣計算能力下沉到現(xiàn)場ONU。工業(yè)PON融合網關的關鍵技術包括：單幀多突發(fā)低時延技術，氣密、防腐蝕及電磁隔離技術，基于虛擬化/容器化的算力增強ONU硬件架構，基于ONU邊緣計算能力的多協(xié)議轉換。

　　五是實現(xiàn)工業(yè)PON靈活切片。工業(yè)PON網絡具備網絡切片能力，一臺物理OLT設備可以虛擬化為多個邏輯OLT設備切片，每個切片之間的網絡資源分配、系統(tǒng)管理權限相互獨立。在實現(xiàn)物理資源共享的前提下，實現(xiàn)業(yè)務的獨立管控承載。

　　六是構建云邊端協(xié)同的工業(yè)算力網絡。云邊端協(xié)同的工業(yè)算網可以承接各類工業(yè)應用，滿足工業(yè)場景多樣化的需求，成為工業(yè)互聯(lián)網的基礎技術底座。

　　七是增強工業(yè)網絡智能管控能力。引入人工智能技術增強工業(yè)網絡的智能管控，實現(xiàn)對網絡故障的快速定位及預測，并將第三方工業(yè)互聯(lián)網應用平臺納入管控體系，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網應用的快速集成。

　　工業(yè)PON應用場景

　　唐雄燕指出，工業(yè)PON可以適用于工業(yè)互聯(lián)網眾多場景。

　　從建設場景上看，適用于工廠新建網絡和工廠網絡升級改造;從建設的覆蓋范圍上看，工業(yè)光網的建設范圍可覆蓋企業(yè)/園區(qū)內的工業(yè)生產網絡、企業(yè)信息網絡以及企業(yè)/園區(qū)外的骨干傳輸網絡，從而構建端到端的全光網絡互聯(lián)體系。

　　工業(yè)PON可以應用于形形色色的工業(yè)領域。如在礦業(yè)場景中，通過部署OLT主備保護，可以實現(xiàn)高可靠的工業(yè)ONU連接;工業(yè)PON網絡可以實現(xiàn)多業(yè)務混合承載;通過預連接ODN可以實現(xiàn)快速施工，降低操作難度和危險性。

　　在制造車間場景中，工業(yè)PON可以有效解決離散制造業(yè)的接入終端種類繁多、數量巨大問題;解決現(xiàn)場級的實時數據采集問題;解決不同場景下的數據傳遞、交互問題;解決復雜環(huán)境下的電磁干擾問題。

　　工業(yè)PON已開始得到規(guī)模應用。在河北某企業(yè)集團案例中，該集團通過部署高速、融合、安全的工業(yè)PON網絡，實現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控、工業(yè)信息采集、智能制造、云服務、海量數據(603138)交換的統(tǒng)一承載;在山東某住建局智慧工地，面對實現(xiàn)包括揚塵自動治理、視頻監(jiān)控+智能AI、遠程塔吊、員工個人智能監(jiān)管、工地智能安全系統(tǒng)、企業(yè)云平臺等多場景需求，通過PON+5G的智慧工地解決方案，大大提升了工地運營及管理的場景化、定制化能力;在浙江某環(huán)保智能監(jiān)測站項目中，需要解決遠端站點運維難、安全性低、自然環(huán)境復雜、站點多以及數據采集傳輸等問題，通過應用工業(yè)PON技術，利用光纖的高抗干擾特性和工業(yè)級PON的高可靠性機制，很好滿足了對環(huán)境適應性的要求。

　　從工業(yè)PON技術發(fā)展來看，工業(yè)PON1.0主要是提供基礎組網功能，PON設備集成以太網、RS232/485、CAN等多種工業(yè)接口，實現(xiàn)“光纖到機器”的接口互聯(lián);工業(yè)PON2.0實現(xiàn)協(xié)議轉換、數據采集，集成各種主流的工業(yè)協(xié)議，具備工業(yè)數據采集/上傳能力，實現(xiàn)“光纖到機器”的協(xié)議互通。唐雄燕指出，下一步向工業(yè)PON3.0邁進，將更加關注系統(tǒng)及應用的互操作，實現(xiàn)PON設備與工業(yè)云平臺對接，支持MEC、TSN、網絡AI、工業(yè)安全等新一代工業(yè)互聯(lián)網功能，并適配工業(yè)APP，實現(xiàn)“光纖到機器”的應用互操作。

　　“實現(xiàn)光網與5G協(xié)同，賦能工業(yè)互聯(lián)網!”演講的最后，唐雄燕向行業(yè)倡導，抓住工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展機遇，發(fā)揮光網絡的大帶寬、低時延、高可靠、高安全等確定性網絡優(yōu)勢，推進光網絡技術在工業(yè)互聯(lián)網中的應用，開展工業(yè)PON、工業(yè)OTN/WDM等工業(yè)光網技術創(chuàng)新，實現(xiàn)工業(yè)光網與工業(yè)以太網、5G、WiFi、TSN等技術融合組網，構筑工業(yè)算網，推進光纖到機器(FTTM)。