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2020.08.19

浅析工业PON的业务驱动和技术发展

摘要

工业网络连接是工业互联网的基础,对运营商来说如何应用5G、SDN、TSN、工业PON等新一代通信技术解决工业的外网连接、工厂内网建设迫在眉睫。工业PON技术采用先进的无源光纤通信技术,和工厂自动化融合构建新兴的网络平台,是构建未来工厂智能化的基础,可以有效解决智能工厂和数字车间的通信交流,构造安全可靠的工厂内网络,完成智能制造基础设备、工艺、物流、人员等各方面基础信息采集,解决困扰企业的工业协议繁多和异构网络互联问题,实现工业现场协议的灵活转换和统一格式,同时为企业上云做好基础网络和数据服务。本文对工业PON技术的市场业务驱动和其关键技术发展进行了分析和阐述,可以为工业PON的普及和发展提供参考。


关键词: 无源光网络,工业互联网,时间敏感网络 ,软件定义网络


Analysis of Business Driven and Technical Roadmap for Industrial PON

Jin Jialiang1, Sun Hui1, Liu Danrong2

(1.Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai Optical Access Research Department, Shanghai, 200122;2. China Telecom Group Co., Ltd. Enterprise Department, Beijing, 100033)


Abstract

Industrial network connections are the fundamental elements of industrial internet, it is vital for the operators to utilize the novel technologies as 5G, TSN, SDN, Industrial PON etc. to solve the problems about networking of industrial internet. Industrial PON is based on the passive optical network technologies, it can be merge with factorial automation solutions to build a novel integrated network platform. Problems as connections among fieldbus and server, reliable intranet within factory, protocol convention and cloud services integration etc. can be fully solved by the industrial PON solutions. This article addresses the market driving demands and technical aspects of the industrial PON, it can be reference for widely deployment of the industrial PON.


Key word: PON,Industrial Internet, TSN ,SDN


1. 引言

随着制造业规模的日趋壮大,传统的工厂内网络性能、稳定性、维护成本、业务改造升级等方面已经逐渐无法跟上制造业本身的发展步伐。同时,工业设备种类繁杂、工业通信协议格式各异,协议承载和分析的成本巨大,工业企业急需灵活、智能的协议分析解决方案。随着智能制造云化、边缘计算等新兴技术方案的兴起,如何搭建一张实现从现场总线到云端平台的端到端网络,实现智能制造所涉及的各类生产元素之间的互联互通,是实现智能化的基础条件。

中国电信率先提出工业PON的概念,并从实现工厂需求的角度对工业PON进行规划,积极牵引PON设备厂商参与其中,旨在为工业企业提供一张高质量、高可靠、高安全性的通信网络。

我们规划的工业PON1.0 让PON网络进入工厂,从网络性能、稳定性、演进性等方面使得工厂网络的基础提升了台阶。工业PON2.0 让工厂海量的机器接入网络,并且能相互对话,使得工厂机器接入网络的意义提升了台阶。工业PON3.0 将让工厂海量的数据赋能,实现与工业云平台的功能对接和有效整合,完善和实现ONU侧开放平台方案;实现数采相关功能APP化;解决数据计算的问题,引入边缘计算,通过边云协同,增强计算能力;引入TSN和其他低时延的网络技术,解决低时延、高可靠的工厂需求。

工业PON技术相比传统以太网交换机技术,是一套全新的安全、可靠、融合、先进的工业网络综合解决方案,是工厂内车间数据采集组网的全新方案。


2. 工业PON业务需求

企业内部网络的建设通常可分为四张网络,分别是:企业办公网、企业生产管理网、企业生产控制网以及企业安全生产监控网。其中最核心的是生产控制网(业界又称为工业通信),除生产控制网之外的网络主要解决企业办公、内外部协同、生产管理(ERP、MES、PLM等)以及企业安全生产监控的需求。

中国电信内部针对已经部署了工业PON网络的多个省公司进行调研,调研结果如下:

• 共同需求点:

1.    通过流量特征监测网络对工厂设备和系统的攻击

2.    存在需要1-5ms和5-10ms时延的保障的业务

3.    工业PON设备在物理性防护指标上需要加强(如:防爆、防尘、高低温度、等等)


• 部分强需求点:

1.    对接入PON网络设备进行网络访问权限的认证

2.    工业PON设备在物理性防护指标上需要加强(如:防爆、防尘、高低温度、等等)

3.    工业PON网络需保障业务连续性

4.    工业视觉(视频、图片)的边缘计算

5.    工业设备生产状态的边缘计算


• 考虑到工业PON同时承载不同的网络(如生产网、办公网、视频监控网等)

1.    工业PON的切片功能为迫切需求

2.  工业PON网络灵活管理功能为关注点


结合工业PON实际部署需求,我们发现工业PON网络的切片功能及切片的管理功能是工业PON网络为工厂内网提供一网接入,多业务隔离承载的亮点。同时,伴随着工业互联网的快速发展,大量工业APP能力和工业平台能力如何通过网络进行承载,又一个核心点出现了:PON网络融合边缘计算能力。然而工业PON的网络性能需要持续加强,更加满足工厂对低时延、大带宽的需求,满足工厂网络高稳定性、高安全性的需求。


3. 工业PON技术方案及能力

3.1 工业PON技术简介

3.1.1 基本原理

工业PON系统由局端OLT(光线路终端)、用户端ONU(光网络单元)、及连接局端和用户端设备的ODN(光分配网络)组成。整个系统采用单纤双向、点到多点的网络结构。下行方向(OLT到ONU),OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU;上行方向(ONU到OLT),ONU发送的信号会到达OLT,但不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率,上行方向采用时分多址接入(TDMA)方式并对各ONU的数据发送进行调度。ODN由光纤和一个或者多个无源光分路器等无源光器件组成,在OLT和ONU之间提供光通道。

图1 PON上下行传输技术方案示意图


工业PON上述网络架构的优点主要有:

1. 采用点对多点的物理链路结构,节省大量线路铺设费用;通过无源分光设备进行网元接入,具备较强扩展能力。

2. ODN网络整体均为无源网络,传输线路全程不需要进行供电节省投资,同时具备极强的抗干扰能力。


3.2 与现有技术对比分析

相较于现有的在工厂内网部署的以太网交换机技术,在工业应用的场景下,工业PON技术在功能、性能、安全性、可靠性等方面都具备优势。

表1 工业PON技术与以太网交换机方案的对比

对比项目

工业PON技术

以太网交换机技术

原理对比

承载以太网数据包,下行采用点对多点广播方式(TDM),上行采用时分多址接入技术(TDMA );每个ONU需向OLT安全注册;

使用CSMA/CD(带有冲突监测的载波侦听多址访问)技术进行数据转发,并以MAC地址进行寻址;在传统以太网内两端设备是对等的,双方采用相同机制传送数据流;

网络拓扑

1)支持链型、总线型、树形、星形、等形式组网;

2)支持点到多点,灵活网络扩展,最大支持1:64分光比;

1)支持总线型、树形、星形、链型、环形等形式组网;

2)仅支持点到点直连,组网存在局限性,灵活性差;

传输带宽

支持1Gb/s ~ 10Gb/s

1)以太铜缆(5类):1Gb/s;

2)光纤:1Gb/s ~ 10Gb/s

数据安全性

在OLT和ONU之间,可通过三重搅动等加密方式进行下行加密

无单独数据加密方案

传输距离

最远20km的传输距离,仅需要单根光纤既可进行上下行数据传输

1)以太铜缆(5类)最远传输距离为100~200M;

2)需两根光纤传输;

传输可靠性

1)全程传输采用无源光器件,不需电源,不受供电影响;

2)光纤网络:不受电磁干扰和雷电影响;

1)中间传输需多级汇聚交换机,需供电;

2)5类铜缆内弱电信号易电磁干扰和雷电影响;

网络自愈保护机制

1)支持Type D保护;

2)自愈网络为并联型网络

1)支持多种环形自愈网络;

2)自愈网络为串联型网络;


3.3 工业PON业务能力

3.3.1 具备工厂内网综合业务承载能力

工业PON技术基于广泛应用部署的公众网络PON技术,在技术成熟度、产业链可控性、规模成本等方面具备优势。同时,针对工业场景的环境指标、性能功能、物理接口、安全性、网络可用性等方面的个性化需求,工业PON设备均进行了针对性研发和优化,可以全面满足工业场景下的各类能力要求。

工业PON 2.0设备在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置,通过工业级接入网关(ONU)设备实现光网络到设备层的连接,通过光分配网络实现工业设备数据、生产数据等到汇聚网关(OLT)的集中,最终通过汇聚网关(OLT)与企业IT网络的对接,从而实现企业OT和IT融合组网,以及工业数据的可靠有效传输。


图2,工业PON2.0在工业互联网体系中的位置


工业PON技术,适用于承载不同企业规模的离散型、流程型制造业的各类工厂内网络业务。通过工业PON终端设备提供工业场景下的不同类型物理接口,可为工业控制、信号量监控、数据传输、语音通信、视频监控、无线网络承载等各种业务应用提供支持。


图3 工业PON的典型应用场景


3.3.2 网络布线无源抗干扰

工业PON网络采用无源光纤配合无源功率分光器实现网络布线,全程传输采用无源器件,不需电源,不受供电影响,同时光纤材料不受电磁干扰和雷电影响。

    从建设施工角度来看,同等容量和用户规模条件下,相比铜缆线路,光纤对于管弄资源的占用也更加节约,为企业预留良好的管弄扩容能力。

3.3.3 具备终端接入认证和数据加密安全性

工业PON系统支持基于三重搅动方式的数据加密功能,保证数据安全性

工业PON系统支持多种ONU终端的认证功能,例如基于物理标识、逻辑标识等方式,可有效防止非受控终端接入网络。

3.3.4 可靠性,保护倒换

工业PON技术,在技术标准层面支持Type A-D多种保护倒换方案,可以提供不同等级的网络自愈能力,在一路ODN网络或者PON设备端口发生故障导致网络中断时,快速进行主备链路切换和业务恢复,保证工业场景对于系统高可靠性的要求。

例如,对于Type D保护方案,光分路器采用2个1:N光分路器, ONU配备2个独立的PON口(分别包含PON MAC芯片和光模块等)分别注册到OLT的两个PON接口上。可以满足工厂网络热备的要求。

图4 TYPE D保护倒换示意图


3.3.5 利用切片实现工厂多业务承载和隔离

工业场景中,工业PON作为网络承载基础设施,可以实现对工业产线业务、办公网络、视频监控、WiFi接入等企业典型业务应用的综合接入。

面对各类业务对于网络资源能力需求、分权分域管理、安全隔离等必要的要求,工业PON OLT设备具备切片能力,一个物理OLT可以虚拟为多个OLT分片,分别承载各类业务,实现独立运维管理,业务和网络资源互不干扰,可以有效实现可靠性、安全性、网络资源三者之间的平衡。

图5 OLT切片技术方案


3.4 工业PON未来技术能力演进需求

3.4.1 边缘计算及智能运维能力

工业PON目前主要实现网络承载的各类功能,但对于工业企业而言,在厂区生产体系中,除了网络连接以外,目前还需要必要的通用计算能力,实现企业内MES、ERP等必要的生产管理系统的承载,满足工厂内产线业务的管理和业务分发功能。同时,随着传统工厂向智能制造工厂的升级,需要在厂区内开展必要的工业云平台边缘部署工作,网络设备需要提供三层及以上网络业务的支持能力,实现灵活组网和网络业务按需部署分发。

在上述需求的驱动下,工业PON未来需要具备必要的边缘计算能力,具备通用计算资源,例如采用OLT侧配备必要的通用计算业务板卡的方式,实现安装工业生产管理系统、部署工业云平台边缘、提供网络业务层面灵活功能加载部署等能力,满足企业智能柔性制造的网络演进升级需求。

同时,工业互联网场景中,相比公众接入网,面临更多个性化的业务定制、调整和快速部署开通的需求,因此,在工业互联网场景中引入针对性的SDN智能化运维技术,可以满足多行业、各类场景下工业企业工业PON网络的高效率灵活运维需求。


3.4.2 TSN、低时延

TSN(时间敏感网络)是新兴的统一的确定性时延网络技术,在工业场景下有着重要的应用场景,具备归一化承载目前各类时延敏感的工业总线协议的底层网络承载技术的能力。

现有PON技术体系中,OLT和ONU之间由于是点到多点的架构,上行数据方向采用时分复用技术,导致上行方向存在不同ONU之间业务队列和等待的问题,上行数据存在一定的固有时延,尚无法完全支持TSN技术,需要在PON DBA机制等方面进行针对性优化,实现PON+TSN功能的整合。


3.4.3 基于容器技术的工业开放能力平台

工业PON目前通过定制化的工业数采网关功能和硬件集成,已经具备一定的工业数据采集和协议转换能力,但是目前技术方案缺乏工业数采功能灵活扩展和个性化开发的能力。

同时由于工业PON的物理设备存在多个设备厂商,每个设备厂商在ONU侧所采用的物理层芯片、底层硬件架构、网络OS系统等方面,目前均自成体系的系统。从工业数据采集的需求来看,需要一个统一的工业数据采集软件平台和相应的标准化软硬件接口,实现第三方工业APP厂商的软件“一处开发,到处运行”的需求,屏蔽底层设备差异,提升工业软件的开发和迭代效率,满足工业企业需求多样化和柔性化制造等快读迭代相应的需求。

因此,需要探索研究实现工业数据采集等功能的统一平台,以及工业数采软件的APP化部署。具体实现方式上,可以采用软件层面开放式平台架构,业务功能容器化和APP化的方案。按照业务功能将软件划分为多个业务APP,实现快速迭代和部署,并通过容器技术,将业务软件与操作系统隔离,提升系统的安全性。

图6 基于容器技术的开放平台的架构


上图所示为一种开放平台的架构方案,该开放平台软件架构抽象为双系统,包括PON网络OS系统、数据采集功能的容器系统。双系统运行在同一个Linux内核上。

PON网络OS系统实现工业PON设备管理、维护,各种网络服务协议支持,实现路由器网关功能;容器系统提供轻量级的虚拟化,根据客户需求运行第三方工业应用程序。

PON网络OS系统一般基于PON设备厂商成熟稳定的PON OS系统平台,可以实现PON层面的所有网络业务功能,并可以根据工业场景的应用需求,进行网络功能定制和扩展。


3.4.4 工业PON+5G融合组网承载

工厂内网络可以细分为企业内网和运营商网络。企业内网可以部署下沉UPF+MEC,起到业务分流、降低时延、数据不出厂的作用。办公类数据可以经城域网进入运营商外网。企业内的5G无线部署可以多种方式相结合,包括宏站、皮站、室分、一体化小基站等。对于运营商外网,需要考虑如何把小基站的数据经由PON回传后分流至5GC。对于宏站,也可以考虑采用工业PON作为回传,只用于BBU下沉工厂内的情况,BBU如果放在电信机房,则无需通过工业PON回传。对于企业内网,根据企业业务的不同,可能需要部署MEC,将部分WiFi、5G小基站、宏站的流量分流到工厂内部。

图7工业PON承载5G组网架构



4. 工业PON产链的情况

4.1 工业PON技术成熟度

工业PON源于公众客户接入场景下的PON技术,公众场景下的PON技术作为目前光纤到户宽带接入的主导解决方案,经过十多年的研究和全国现网大规模部署,在标准、产业链、施工建设等方面,均已经非常成熟。工业PON作为工厂内网的网络承载方案,目前技术成熟度已经具备规模商用推广的能力,后续针对各类工厂业务的计算能力,需要研究和实现边缘计算、智能运维、通用工业应用平台等能力,使工业PON具备更加完善的功能和更强的竞争力。


4.2 工业PON业务成熟度

我们在工业PON网络实施部署过程中,发现当前业务成熟度尚不足,体现在几个方面:

1. 设备价格普遍偏高,原因是市场竞争不够充分,设备成本还未真正达到成熟商用的水平,因此实际部署中明显存在企业用户对价格不能够接受。

2. 设备种类不够丰富,一方面工业企业的需求多样且分散,很难在短时期内提供各类设备满足企业需求,符合研发设备的客观过程;另一方面,只有几家主流设备厂商可以提供工业PON设备,存在价格壁垒和保护。

3. 工业PON网络及设备的管理、维护等不够通用化,懂的人也少,企业担心自己维护不了而导致后期的维护成本偏高,因此不敢采用工业PON网络。

总体来说,工业PON网络确实出现的比较晚,需要经过市场上逐步认识和接受的过程,在这个过程中不同角色的伙伴不断夯实能力,彼此协同,更好的解决企业用户的网络连接需求。因此从推动工业PON网络业务成熟的角度,确实需要构建良好的生态,繁荣产业,丰富产品,做强网络,做好协同和服务。


5. 总结及未来展望

工业PON技术是采用先进的无源光纤通信技术和工厂自动化融合而构建的一个新兴的网络平台,是构建未来工厂智能化的基础。工业互联网PON技术可以有效解决智能工厂和数字车间的通信交流,构造安全可靠的工厂内网络,完成智能制造基础设备、工艺、物流、人员等各方面基础信息采集,解决困扰企业的工业协议繁多和异构网络互联问题,实现工业现场协议的灵活转换和统一格式,同时为企业上云做好基础网络和数据服务。未来,工业PON将针对工业制造转型升级的需求,提供完善的边缘计算、低时延业务承载、开放的工业APP平台和生态、智能化的运维管控能力。同时,与5G技术进行有效结合,提供对公网/专网5G业务的回传承载能力,为企业提供一整套的工业互联网工厂内网络承载和智能化业务平台。

工业PON网络不可能一蹴而就,工业PON网络也不能举一家之力,这都不符合工业PON网络健康、快速、可持续发展的客观规律。结合工业互联网的发展,我们从工业网络连接的角度,做好基础连接的服务,满足海量连接的要求,就需要从云网、设备、管理和运维等集成产链伙伴的集体智慧和技术突破,共同发展和繁荣光网产链,推动设备商、运营商、集成商和企业用户等多个角色的商业成功,为工业互联网在网络发展上贡献力量。


作者:金嘉亮1,孙慧1,刘丹蓉2

 

(1.中国电信股份有限公司研究院 上海光接入研究部 上海 200122;

2.中国电信集团有限公司 政企部  北京 100033)




参考文献

[1] Telecommunication Standardization Sector of ITU, "G.984.1 Gigabit-capable passive optical networks(G-PON): General characteristics," ITU, 2009

[2] Telecommunication Standardization Sector of ITU, "G.987.1 10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General requirements," ITU, 2010

[3] IEEE 802.3 working group, “IEEE 802.3ah 1Gb/s Ethernet Passive Optical Network,” IEEE, 2004

[4] IEEE 802.3 working group, “10Gb/s Ethernet Passive Optical Network,” IEEE, 2009

[5] CCSA TC6WG2, “YD/T 1475-2006接入网技术要求——基于以太网方式的无源光网络(EPON),”,CCSA,2006

[6] CCSA TC6WG2, “YD/T 2274-2011接入网技术要求10Gbit/s以太网无源光网络(10G-EPON),”,CCSA,2011

[7] CCSA TC6WG2, “YD/T 1949.1-2009 接入网技术要求——吉比特的无源光网络(GPON)第1部分:总体要求,”,CCSA,2009

[8] CCSA TC6WG2, “YD/T 2402.1-2012 接入网技术要求 10Gbit/s无源光网络(XG-PON) 第1部分:总体要求,”,CCSA,2012

[9] 中国电信集团公司等,“工厂内网络 工业EPON系统技术要求,”,工业互联网产业联盟(AII),2017


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