中國聯(lián)通唐雄燕：實現(xiàn)光網(wǎng)與5G協(xié)同，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

  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(xué)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(yīng)抓住工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)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(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)光纖到機(jī)器和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)光網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)、5G等技術(shù)融合組網(wǎng)，夯實工業(yè)算網(wǎng)基礎(chǔ)。

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要5G與光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

  “工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國與制造強(qiáng)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(luò)是光通信融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大潮的重要機(jī)遇。

  目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)調(diào)整、升級、擴(kuò)展受限;三是網(wǎng)絡(luò)運維和管控缺乏智能，網(wǎng)絡(luò)、計算和應(yīng)用的管控體系不統(tǒng)一;四是工業(yè)環(huán)境復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用場景多樣，部分場景電磁干擾大，無線接入手段難以適應(yīng)。

  “傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)亟需變革，而要構(gòu)建面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施需要具備五大特質(zhì)?！碧菩垩啾硎?，一是超大連接，實現(xiàn)海量工業(yè)設(shè)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(qiáng)，通過增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)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(gòu)建高安全和高可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)。

  工業(yè)光網(wǎng)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，采用光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wù)的統(tǒng)一接入，實現(xiàn)人、機(jī)、物的全方位高質(zhì)量互聯(lián)。唐雄燕強(qiáng)調(diào)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)既需要5G也需要光網(wǎng)絡(luò)，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(guān)鍵的技術(shù)。尤其工業(yè)PON能夠廣泛應(yīng)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(jī)物的大數(shù)量連接需求以及3D機(jī)器視覺等大帶寬業(yè)務(wù)需求;低時延低抖動，工業(yè)PON下行的廣播機(jī)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(shù)創(chuàng)新還可以進(jìn)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(kuò)展性，PON系統(tǒng)接入帶寬和用戶數(shù)可以靈活擴(kuò)展，而且在傳輸能力外，還可以通過算力增強(qiáng)，實現(xiàn)算網(wǎng)協(xié)同，更好承載工業(yè)應(yīng)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(luò)，通過大連接、低時延的工業(yè)PON基礎(chǔ)技術(shù)，聯(lián)接與計算融合的工業(yè)算網(wǎng)體系和增強(qiáng)的安全可靠保障機(jī)制來構(gòu)筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的堅實底座。

  工業(yè)PON技術(shù)創(chuàng)新的“七大關(guān)鍵”

  作為2021年國家重點研發(fā)計劃項目的負(fù)責(zé)人，唐雄燕承擔(dān)著“超低時延、超大連接、安全可信的工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與系統(tǒng)研究及應(yīng)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(yīng)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(gòu)，研制低成本光接入系統(tǒng)器件、模塊、設(shè)備，打造邊云協(xié)同的工業(yè)光網(wǎng)運維管控體系，開展應(yīng)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(lǐng)域開展技術(shù)創(chuàng)新。

  一是通過TDM+WDM+SDM多維復(fù)用構(gòu)建超大連接光接入網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PON主流的10G TDM-PON技術(shù)，技術(shù)成熟度高，產(chǎn)業(yè)鏈完善，1臺OLT設(shè)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(wù)的需求。WDM是PON進(jìn)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(fù)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(jī)制，縮短上行突發(fā)(burst)，帶外開窗等機(jī)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(shù)可以將PON的時延控制到10微秒以內(nèi)。

  三是構(gòu)建高可靠高安全PON網(wǎng)絡(luò)。PON具備完善的保護(hù)倒換，如PON 光鏈路保護(hù)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(jī)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(guān)。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(shè)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(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括：單幀多突發(fā)低時延技術(shù)，氣密、防腐蝕及電磁隔離技術(shù)，基于虛擬化/容器化的算力增強(qiáng)ONU硬件架構(gòu)，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(luò)具備網(wǎng)絡(luò)切片能力，一臺物理OLT設(shè)備可以虛擬化為多個邏輯OLT設(shè)備切片，每個切片之間的網(wǎng)絡(luò)資源分配、系統(tǒng)管理權(quán)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(wù)的獨立管控承載。

  六是構(gòu)建云邊端協(xié)同的工業(yè)算力網(wǎng)絡(luò)。云邊端協(xié)同的工業(yè)算網(wǎng)可以承接各類工業(yè)應(yīng)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(chǔ)技術(shù)底座。

  七是增強(qiáng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能管控能力。引入人工智能技術(shù)增強(qiáng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的智能管控，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)故障的快速定位及預(yù)測，并將第三方工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺納入管控體系，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速集成。

  工業(yè)PON應(yīng)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(shè)場景上看，適用于工廠新建網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)升級改造;從建設(shè)的覆蓋范圍上看，工業(yè)光網(wǎng)的建設(shè)范圍可覆蓋企業(yè)/園區(qū)內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)/園區(qū)外的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建端到端的全光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系。

  工業(yè)PON可以應(yīng)用于形形色色的工業(yè)領(lǐng)域。如在礦業(yè)場景中，通過部署OLT主備保護(hù)，可以實現(xiàn)高可靠的工業(yè)ONU連接;工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多業(yè)務(wù)混合承載;通過預(yù)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(fù)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(yīng)用。在河北某企業(yè)集團(tuán)案例中，該集團(tuán)通過部署高速、融合、安全的工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)，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(wù)、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(yuǎn)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(yuǎn)端站點運維難、安全性低、自然環(huán)境復(fù)雜、站點多以及數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)葐栴}，通過應(yīng)用工業(yè)PON技術(shù)，利用光纖的高抗干擾特性和工業(yè)級PON的高可靠性機(jī)制，很好滿足了對環(huán)境適應(yīng)性的要求。

  從工業(yè)PON技術(shù)發(fā)展來看，工業(yè)PON1.0主要是提供基礎(chǔ)組網(wǎng)功能，PON設(shè)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(jī)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(jī)器”的協(xié)議互通。唐雄燕指出，下一步向工業(yè)PON3.0邁進(jìn)，將更加關(guān)注系統(tǒng)及應(yīng)用的互操作，實現(xiàn)PON設(shè)備與工業(yè)云平臺對接，支持MEC、TSN、網(wǎng)絡(luò)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(jī)器”的應(yīng)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(dǎo)，抓住工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇，發(fā)揮光網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延、高可靠、高安全等確定性網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，推進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，開展工業(yè)PON、工業(yè)OTN/WDM等工業(yè)光網(wǎng)技術(shù)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(shù)融合組網(wǎng)，構(gòu)筑工業(yè)算網(wǎng)，推進(jìn)光纖到機(jī)器(FTTM)。