在日前召開的“2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇”上,中國聯(lián)通研究院副院長、首席科學家唐雄燕表示,實現(xiàn)光網(wǎng)與5G協(xié)同,方能更好賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)!應抓住工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機遇,發(fā)揮光通信優(yōu)勢,開展工業(yè)PON等工業(yè)光網(wǎng)技術創(chuàng)新,推進光纖到機器和光網(wǎng)絡技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用,實現(xiàn)工業(yè)光網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)、5G等技術融合組網(wǎng),夯實工業(yè)算網(wǎng)基礎。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要5G與光網(wǎng)絡協(xié)同
“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡是光通信融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大潮的重要機遇。
目前,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡面臨多方面挑戰(zhàn):一是工業(yè)園區(qū)、辦公、生產(chǎn)等不同區(qū)域和環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡分隔,系統(tǒng)和信息孤立;二是傳統(tǒng)組網(wǎng)方式不夠靈活,網(wǎng)絡調(diào)整、升級、擴展受限;三是網(wǎng)絡運維和管控缺乏智能,網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)絡亟需變革,而要構建面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景的高品質(zhì)網(wǎng)絡設施需要具備五大特質(zhì)?!?A href="http://huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%94%90%e9%9b%84%e7%87%95&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">唐雄燕表示,一是超大連接,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(wǎng)關的算力實現(xiàn)邊緣計算和算網(wǎng)融合;四是邊云協(xié)同,賦能工業(yè)大數(shù)據(jù)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(wǎng)絡與系統(tǒng)。
工業(yè)光網(wǎng)是工業(yè)網(wǎng)絡與光網(wǎng)絡的結(jié)合,采用光網(wǎng)絡技術互聯(lián)工業(yè)企業(yè)全生產(chǎn)要素,實現(xiàn)生產(chǎn)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(zhì)量互聯(lián)。唐雄燕強調(diào),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)既需要5G也需要光網(wǎng)絡,二者相輔相成,各有優(yōu)勢和適用場景。
在工業(yè)光網(wǎng)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(wǎng)中人機物的大數(shù)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)體系和增強的安全可靠保障機制來構筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡架構與系統(tǒng)研究及應用示范”項目研究。
據(jù)介紹,該項目聚焦PON在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。工業(yè)PON主流的10G TDM-PON技術,技術成熟度高,產(chǎn)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(wǎng)超大連接需求。同時基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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(jié)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(nèi)。
三是構建高可靠高安全PON網(wǎng)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(shù)據(jù)的高安全。
四是研發(fā)新型算網(wǎng)融合工業(yè)網(wǎng)關。針對工業(yè)通信數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換系統(tǒng),實現(xiàn)跨傳輸層的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(zhuǎn)換。
五是實現(xiàn)工業(yè)PON靈活切片。工業(yè)PON網(wǎng)絡具備網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。云邊端協(xié)同的工業(yè)算網(wǎng)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(wǎng)的基礎技術底座。
七是增強工業(yè)網(wǎng)絡智能管控能力。引入人工智能技術增強工業(yè)網(wǎng)絡的智能管控,實現(xiàn)對網(wǎng)絡故障的快速定位及預測,并將第三方工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用平臺納入管控體系,實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)眾多場景。
從建設場景上看,適用于工廠新建網(wǎng)絡和工廠網(wǎng)絡升級改造;從建設的覆蓋范圍上看,工業(yè)光網(wǎng)的建設范圍可覆蓋企業(yè)/園區(qū)內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡、企業(yè)信息網(wǎng)絡以及企業(yè)/園區(qū)外的骨干傳輸網(wǎng)絡,從而構建端到端的全光網(wǎng)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(wǎng)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(shù)量巨大問題;解決現(xiàn)場級的實時數(shù)據(jù)采集問題;解決不同場景下的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集傳輸?shù)葐栴},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(wǎng)功能,PON設備集成以太網(wǎng)、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(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集,集成各種主流的工業(yè)協(xié)議,具備工業(yè)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡AI、工業(yè)安全等新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)與5G協(xié)同,賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)!”演講的最后,唐雄燕向行業(yè)倡導,抓住工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機遇,發(fā)揮光網(wǎng)絡的大帶寬、低時延、高可靠、高安全等確定性網(wǎng)絡優(yōu)勢,推進光網(wǎng)絡技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用,開展工業(yè)PON、工業(yè)OTN/WDM等工業(yè)光網(wǎng)技術創(chuàng)新,實現(xiàn)工業(yè)光網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)、5G、WiFi、TSN等技術融合組網(wǎng),構筑工業(yè)算網(wǎng),推進光纖到機器(FTTM)。