面向行業(yè)場景的SPN2.0技術特性和應用方案研究

  十四五是我國重點行業(yè)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要階段，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展新應用和新生態(tài)，電力、交通和鐵路等重點行業(yè)也將逐步實現(xiàn)專網(wǎng)升級換代。工信部已發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》中，明確提出支持深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“確定性網(wǎng)絡等新技術部署”的行動策略。發(fā)展高質(zhì)量的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)，需重點推進三方面工作：一是企業(yè)內(nèi)網(wǎng)升級改造，推動信息技術（IT）網(wǎng)絡與生產(chǎn)控制（OT）網(wǎng)絡融合，建設多業(yè)務安全可靠承載的園區(qū)網(wǎng)絡；二是開展企業(yè)外網(wǎng)建設，推動基礎電信企業(yè)提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網(wǎng)絡服務，探索云網(wǎng)/算網(wǎng)融合、確定性網(wǎng)絡、IPv6分段路由（SRv6）等新技術部署；三是在保障數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全的前提下，推動工業(yè)企業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺等接入高質(zhì)量外網(wǎng)，并研究互聯(lián)互通新機制。

  為了不斷滿足典型行業(yè)場景的承載新需求，中國移動聯(lián)合中國信通院和我國主流設備商持續(xù)推動切片分組網(wǎng)絡（SPN）面向行業(yè)的技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應用發(fā)展，正在電力、交通、煤礦、港口、醫(yī)療、工業(yè)園區(qū)等多個典型行業(yè)場景開展應用方案實踐，并在2023年1月的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟全會上通過了《SPN網(wǎng)絡在工業(yè)場景的需求及應用研究報告》。

  典型行業(yè)場景的承載需求分析

  不同行業(yè)場景的網(wǎng)絡承載需求呈現(xiàn)多樣化和差異化的特性。以5G+工業(yè)互聯(lián)和智能電網(wǎng)的典型業(yè)務場景為例，表1匯總了5G+超高清視頻、5G+遠程控制、5G+云化AGV、5G+機器視覺、5G+無人機、5G+云端機器人、5G+AR和5G+VR等八大業(yè)務場景和電力業(yè)務對通信網(wǎng)絡的承載能力特性和指標需求差異。

  總體來看，為了滿足不同行業(yè)差異化業(yè)務需求，承載網(wǎng)需具備以下特性：

  - 硬隔離切片能力：工業(yè)領域業(yè)務和場景復雜多樣，主要包括生產(chǎn)控制類、生產(chǎn)采集/檢測類和信息監(jiān)測管理類等業(yè)務；在多業(yè)務混傳和復雜業(yè)務流量流向場景下，需要提供生產(chǎn)類業(yè)務的端到端硬隔離切片保障。

  - 電信級高可靠性：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等行業(yè)的生產(chǎn)類業(yè)務均提出了99.999%及以上的高可靠性網(wǎng)絡需求，需提供端到端高可靠的網(wǎng)絡保護恢復機制和電信級運維能力。

  - 確定性承載能力：面向工業(yè)控制和工業(yè)監(jiān)測等典型場景的確定性需求，需重點研究如何構(gòu)建端到端確定性網(wǎng)絡，并推動廣域異構(gòu)網(wǎng)絡的確定性承載技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  - 靈活接入調(diào)度能力：工業(yè)領域的業(yè)務終端和業(yè)務類型復雜多樣，大量異構(gòu)終端的網(wǎng)絡接口、網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡通信需求存在差異；保障多樣異構(gòu)終端的大規(guī)模接入、協(xié)同運行和靈活高效的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)成為承載網(wǎng)絡需具備的重要特性之一。

  - 多維業(yè)務感知能力：業(yè)務深度感知和新型ICT技術的應用，將為工業(yè)用戶的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展提供有力的支撐。如何實現(xiàn)與新型ICT技術的深度融合將是通信網(wǎng)絡面臨的重要挑戰(zhàn)。

  - 智能化管控運維能力：網(wǎng)絡運維的智能化、便捷化和開放性將大幅提升各類工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運行的效率和自主性，并縮短新業(yè)務部署的響應時間，使能行業(yè)敏捷創(chuàng)新。

  SPN2.0的標準化發(fā)展和技術特性

  與SPN1.0相比，SPN2.0在多業(yè)務綜合承載、云網(wǎng)/算網(wǎng)融合、網(wǎng)絡覆蓋、智能管控運維和低碳節(jié)能等能力方面均有顯著提升。通過引入支持N×10Mbps細粒度單元（FGU，F(xiàn)ine Granularity Unit）的新型幀結(jié)構(gòu)和交叉技術，擴展了面向行業(yè)專線接入和工業(yè)園區(qū)應用的10GE小型化接入SPN設備類型，并重點增強了面向5G+垂直行業(yè)、政企專線和云網(wǎng)/算網(wǎng)融合業(yè)務的綜合承載能力。

  面向行業(yè)應用場景的差異化承載需求，中國移動自2019年中開始協(xié)同探索面向5G+垂直行業(yè)和政企客戶專線/專網(wǎng)需求的SPN小顆粒技術方案，統(tǒng)一確定了基于N×10Mbps帶寬的細粒度單元（FGU）方案，于2021年6月聯(lián)合發(fā)布了《SPN小顆粒技術白皮書》，2021年下半年完成了中國移動相關企標《切片分組網(wǎng)（SPN）細粒度切片技術要求》和《10GE接口細粒度切片技術要求》研制，2022年6月發(fā)布SPN2.0技術白皮書和專線產(chǎn)品，正在開展多廠家SPN2.0設備的全面評測和互通驗證。目前，工信部已正式發(fā)布了三項SPN通信行業(yè)標準：YD/T 3826-2021《切片分組網(wǎng)（SPN）總體技術要求》、YD/T 3974-2021《5G網(wǎng)絡切片基于切片分組網(wǎng)（SPN）承載的端到端切片對接技術要求》和YD/T 4172-2022《切片分組網(wǎng)（SPN）設備技術要求》；完成了《切片分組網(wǎng)絡（SPN）設備測試方法》等三項行標報批，正在研制《切片分組網(wǎng)絡（SPN）細粒度承載技術要求》和《切片分組網(wǎng)絡（SPN）互通技術要求》等六項行標。

  作為SPN切片通道層的關鍵技術，MTN（Metro Transport Network）技術已在ITU-T形成了一套體系化的國際標準系列。截止到2023年1月，已發(fā)布了MTN架構(gòu)G.8310、MTN接口G.8312、MTN設備功能G.8321、MTN線性保護G.8331、MTN網(wǎng)絡管控G.8350五項國際標準建議和網(wǎng)絡演進G.sup.69一項技術報告，MTN同步標準將于2023年完成。在2022年9月的ITU-T SG15全會上，我國成員成功推動立項細粒度MTN（G.fgMTN）標準，標志著MTN擴展細粒度子通道的核心架構(gòu)和關鍵技術獲得國際標準組織認可。

  SPN2.0在行業(yè)場景的應用方案研究

  SPN2.0在行業(yè)場景的應用定位分析

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)兩大類網(wǎng)絡應用場景。工業(yè)內(nèi)網(wǎng)主要是實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部連接生產(chǎn)、控制等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并提供企業(yè)日常運行的信息化通信管理。工業(yè)內(nèi)網(wǎng)分為OT網(wǎng)絡和IT網(wǎng)絡兩部分。工業(yè)外網(wǎng)主要為實現(xiàn)遠程生產(chǎn)控制的通信實體之間提供高可靠和低時延的網(wǎng)絡連接。我國基礎電信運營商的網(wǎng)絡需向滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息通信網(wǎng)絡綜合服務提供商發(fā)展，不僅提供網(wǎng)絡的可信安全、電信級高可靠性和確定性承載能力，還應實現(xiàn)泛在接入、靈活組網(wǎng)、可視化智能管控和SLA服務質(zhì)量嚴格保障。

  SPN2.0在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用以工業(yè)外網(wǎng)為主，根據(jù)不同行業(yè)應用場景的需求差異，兼具解決煤炭、港口和工業(yè)園區(qū)等部分工業(yè)內(nèi)網(wǎng)的應用場景。小型化接入SPN2.0設備可作為工業(yè)內(nèi)網(wǎng)的出口網(wǎng)關設備，實現(xiàn)工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)的有效銜接，包括多業(yè)務安全隔離的綜合承載、端到端網(wǎng)絡切片互通和協(xié)同調(diào)度、不同行業(yè)切片的開放服務能力等。

  SPN2.0具備軟硬兼具和層次化的網(wǎng)絡切片能力。一是通過N×5Gbps和M×10Mbps兩層MTN通道提供類似SDH的VC-4和VC-12的TDM硬隔離通道的確定性承載能力；二是在N×5Gbps的MTN接口或通道內(nèi)通過分組統(tǒng)計復用、QoS隊列優(yōu)先級調(diào)度和SRv6、SR-TP、MPLS-TP等分組隧道實現(xiàn)軟隔離的高帶寬利用率、差異化承載和靈活調(diào)度，具體如圖1所示，實現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)控制、信息管理和互聯(lián)網(wǎng)接入等多業(yè)務類型的高安全隔離、高可靠統(tǒng)一承載和差異化SLA保障，是目前承載網(wǎng)絡技術中最具綜合競爭力、關鍵技術和產(chǎn)業(yè)鏈基本自主可控并具有長期發(fā)展前景的新一代承載網(wǎng)絡技術解決方案。

SPN2.0在5G+智能電網(wǎng)和電力通信專網(wǎng)的應用方案

  基于5G的電力行業(yè)虛擬專網(wǎng)具有“超低時延”“海量連接”和“超高帶寬”等特性，并且支持采用端到端的硬切片和軟切片，分別為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務提供物理資源、虛擬邏輯資源等不同層次的安全隔離能力，實現(xiàn)5G+MEC+切片的配網(wǎng)“三遙”、配網(wǎng)差動保護、配網(wǎng)DTU、分布式能源、輸變電側(cè)智能巡檢等應用落地，解決智能電網(wǎng)末梢的通信痛點。

  電力5G配網(wǎng)業(yè)務主要分為控制和采集兩大業(yè)務類型。電力網(wǎng)絡承載的業(yè)務差異性大，安全等級要求各不相同，既有時延抖動、高可靠性的差動保護業(yè)務，也有同步精度的配電自動化業(yè)務和大帶寬的視頻會議業(yè)務。SPN電力行業(yè)切片無線通過PRB資源預留，傳輸SPN通過MTN大顆粒 5Gbps或10Mbps小顆粒切片部署，UPF采用ToB UPF；電力主站和ToB UPF采用SPN的集客切片100Mbps帶寬分組VPN隔離專線來提供保證帶寬（見表2）。

  結(jié)合業(yè)務需求及網(wǎng)絡現(xiàn)狀，南方電網(wǎng)某公司自2021年開始規(guī)劃部署基于SPN的新型電力通信網(wǎng)，滿足語音視頻局域網(wǎng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)、2M專線業(yè)務等綜合承載，具體組網(wǎng)方案如圖2所示，支持大帶寬組網(wǎng)、硬切片隔離、智能運維以及10Mbps FGU技術。

應用展望

  SPN作為我國運營商、科研機構(gòu)和網(wǎng)絡設備商協(xié)同創(chuàng)新的新一代承載網(wǎng)絡技術，已成為我國主導承載網(wǎng)絡技術標準創(chuàng)新并成功推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展的典范，不僅成為國際電信聯(lián)盟標準化部門（ITU-T）認可的新一代傳送網(wǎng)國際標準技術標準體系，而且已在中國移動5G承載網(wǎng)絡上實現(xiàn)超34萬端的規(guī)模部署。

  SPN2.0憑借其特有的TDM時分復用與分組統(tǒng)計復用深度融合創(chuàng)新技術優(yōu)勢，兼具確定性低時延、多粒度交叉、層次化切片和靈活智能感知等網(wǎng)絡能力優(yōu)勢，正在智能電網(wǎng)、智慧交通、智能礦山、智慧港口、智慧醫(yī)療和智能制造等典型行業(yè)場景規(guī)模應用推廣，逐步成為新一代綜合業(yè)務承載網(wǎng)絡的標桿。

  作者：中國信息通信研究院技術與標準研究所 李芳，趙俊峰