淺析工業PON的業務驅動和技術發展
摘要
工業網絡連接是工業互聯網的基礎，對運營商來說如何應用5G、SDN、TSN、工業PON等新一代通信技術解決工業的外網連接、工廠內網建設迫在眉睫。工業PON技術采用先進的無源光纖通信技術，和工廠自動化融合構建新興的網絡平臺，是構建未來工廠智能化的基礎，可以有效解決智能工廠和數字車間的通信交流，構造安全可靠的工廠內網絡，完成智能制造基礎設備、工藝、物流、人員等各方面基礎信息采集，解決困擾企業的工業協議繁多和異構網絡互聯問題，實現工業現場協議的靈活轉換和統一格式，同時為企業上云做好基礎網絡和數據服務。本文對工業PON技術的市場業務驅動和其關鍵技術發展進行了分析和闡述，可以為工業PON的普及和發展提供參考。
關鍵詞： 無源光網絡，工業互聯網,時間敏感網絡 ,軟件定義網絡
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
隨著制造業規模的日趨壯大，傳統的工廠內網絡性能、穩定性、維護成本、業務改造升級等方面已經逐漸無法跟上制造業本身的發展步伐。同時，工業設備種類繁雜、工業通信協議格式各異，協議承載和分析的成本巨大，工業企業急需靈活、智能的協議分析解決方案。隨著智能制造云化、邊緣計算等新興技術方案的興起，如何搭建一張實現從現場總線到云端平臺的端到端網絡，實現智能制造所涉及的各類生產元素之間的互聯互通，是實現智能化的基礎條件。
中國電信率先提出工業PON的概念，并從實現工廠需求的角度對工業PON進行規劃，積極牽引PON設備廠商參與其中，旨在為工業企業提供一張高質量、高可靠、高安全性的通信網絡。
我們規劃的工業PON1.0 讓PON網絡進入工廠，從網絡性能、穩定性、演進性等方面使得工廠網絡的基礎提升了臺階。工業PON2.0 讓工廠海量的機器接入網絡，并且能相互對話，使得工廠機器接入網絡的意義提升了臺階。工業PON3.0 將讓工廠海量的數據賦能，實現與工業云平臺的功能對接和有效整合，完善和實現ONU側開放平臺方案；實現數采相關功能APP化；解決數據計算的問題，引入邊緣計算，通過邊云協同，增強計算能力；引入TSN和其他低時延的網絡技術，解決低時延、高可靠的工廠需求。
工業PON技術相比傳統以太網交換機技術，是一套全新的安全、可靠、融合、先進的工業網絡綜合解決方案，是工廠內車間數據采集組網的全新方案。
2. 工業PON業務需求
企業內部網絡的建設通常可分為四張網絡，分別是：企業辦公網、企業生產管理網、企業生產控制網以及企業安全生產監控網。其中最核心的是生產控制網（業界又稱為工業通信），除生產控制網之外的網絡主要解決企業辦公、內外部協同、生產管理（ERP、MES、PLM等）以及企業安全生產監控的需求。
中國電信內部針對已經部署了工業PON網絡的多個省公司進行調研，調研結果如下：
? 共同需求點：
1. 通過流量特征監測網絡對工廠設備和系統的攻擊
2. 存在需要1-5ms和5-10ms時延的保障的業務
3. 工業PON設備在物理性防護指標上需要加強（如：防爆、防塵、高低溫度、等等）
? 部分強需求點：
1. 對接入PON網絡設備進行網絡訪問權限的認證
2. 工業PON設備在物理性防護指標上需要加強（如：防爆、防塵、高低溫度、等等）
3. 工業PON網絡需保障業務連續性
4. 工業視覺（視頻、圖片）的邊緣計算
5. 工業設備生產狀態的邊緣計算
? 考慮到工業PON同時承載不同的網絡（如生產網、辦公網、視頻監控網等）
1. 工業PON的切片功能為迫切需求
2. 工業PON網絡靈活管理功能為關注點
結合工業PON實際部署需求，我們發現工業PON網絡的切片功能及切片的管理功能是工業PON網絡為工廠內網提供一網接入，多業務隔離承載的亮點。同時，伴隨著工業互聯網的快速發展，大量工業APP能力和工業平臺能力如何通過網絡進行承載，又一個核心點出現了：PON網絡融合邊緣計算能力。然而工業PON的網絡性能需要持續加強，更加滿足工廠對低時延、大帶寬的需求，滿足工廠網絡高穩定性、高安全性的需求。
3. 工業PON技術方案及能力
3.1 工業PON技術簡介
3.1.1 基本原理
工業PON系統由局端OLT(光線路終端)、用戶端ONU(光網絡單元)、及連接局端和用戶端設備的ODN(光分配網絡)組成。整個系統采用單纖雙向、點到多點的網絡結構。下行方向（OLT到ONU），OLT發送的信號通過ODN到達各個ONU；上行方向（ONU到OLT），ONU發送的信號會到達OLT，但不會到達其他ONU。為了避免數據沖突并提高網絡利用效率，上行方向采用時分多址接入（TDMA）方式并對各ONU的數據發送進行調度。ODN由光纖和一個或者多個無源光分路器等無源光器件組成，在OLT和ONU之間提供光通道。
圖1 PON上下行傳輸技術方案示意圖
工業PON上述網絡架構的優點主要有：
1. 采用點對多點的物理鏈路結構，節省大量線路鋪設費用；通過無源分光設備進行網元接入，具備較強擴展能力。
2. ODN網絡整體均為無源網絡，傳輸線路全程不需要進行供電節省投資，同時具備極強的抗干擾能力。
3.2 與現有技術對比分析
相較于現有的在工廠內網部署的以太網交換機技術，在工業應用的場景下，工業PON技術在功能、性能、安全性、可靠性等方面都具備優勢。
表1 工業PON技術與以太網交換機方案的對比
對比項目 | 工業PON技術 | 以太網交換機技術 |
原理對比 | 承載以太網數據包，下行采用點對多點廣播方式（TDM），上行采用時分多址接入技術（TDMA ）；每個ONU需向OLT安全注冊； | 使用CSMA/CD（帶有沖突監測的載波偵聽多址訪問）技術進行數據轉發，并以MAC地址進行尋址；在傳統以太網內兩端設備是對等的，雙方采用相同機制傳送數據流； |
網絡拓撲 | 1）支持鏈型、總線型、樹形、星形、等形式組網； 2）支持點到多點，靈活網絡擴展，最大支持1：64分光比； | 1）支持總線型、樹形、星形、鏈型、環形等形式組網； 2）僅支持點到點直連，組網存在局限性，靈活性差； |
傳輸帶寬 | 支持1Gb/s ~ 10Gb/s | 1）以太銅纜（5類）：1Gb/s； 2）光纖：1Gb/s ~ 10Gb/s |
數據安全性 | 在OLT和ONU之間，可通過三重攪動等加密方式進行下行加密 | 無單獨數據加密方案 |
傳輸距離 | 最遠20km的傳輸距離，僅需要單根光纖既可進行上下行數據傳輸 | 1）以太銅纜（5類）最遠傳輸距離為100~200M； 2）需兩根光纖傳輸； |
傳輸可靠性 | 1）全程傳輸采用無源光器件，不需電源，不受供電影響； 2）光纖網絡：不受電磁干擾和雷電影響； | 1）中間傳輸需多級匯聚交換機，需供電； 2）5類銅纜內弱電信號易電磁干擾和雷電影響； |
網絡自愈保護機制 | 1）支持Type D保護； 2）自愈網絡為并聯型網絡 | 1）支持多種環形自愈網絡； 2）自愈網絡為串聯型網絡； |
3.3 工業PON業務能力
3.3.1 具備工廠內網綜合業務承載能力
工業PON技術基于廣泛應用部署的公眾網絡PON技術，在技術成熟度、產業鏈可控性、規模成本等方面具備優勢。同時，針對工業場景的環境指標、性能功能、物理接口、安全性、網絡可用性等方面的個性化需求，工業PON設備均進行了針對性研發和優化，可以全面滿足工業場景下的各類能力要求。
工業PON 2.0設備在工業互聯網體系架構中處于車間級網絡位置，通過工業級接入網關（ONU）設備實現光網絡到設備層的連接，通過光分配網絡實現工業設備數據、生產數據等到匯聚網關（OLT）的集中，最終通過匯聚網關（OLT）與企業IT網絡的對接，從而實現企業OT和IT融合組網，以及工業數據的可靠有效傳輸。
圖2，工業PON2.0在工業互聯網體系中的位置
工業PON技術，適用于承載不同企業規模的離散型、流程型制造業的各類工廠內網絡業務。通過工業PON終端設備提供工業場景下的不同類型物理接口，可為工業控制、信號量監控、數據傳輸、語音通信、視頻監控、無線網絡承載等各種業務應用提供支持。
圖3 工業PON的典型應用場景
3.3.2 網絡布線無源抗干擾
工業PON網絡采用無源光纖配合無源功率分光器實現網絡布線，全程傳輸采用無源器件，不需電源，不受供電影響，同時光纖材料不受電磁干擾和雷電影響。
從建設施工角度來看，同等容量和用戶規模條件下，相比銅纜線路，光纖對于管弄資源的占用也更加節約，為企業預留良好的管弄擴容能力。
3.3.3 具備終端接入認證和數據加密安全性
工業PON系統支持基于三重攪動方式的數據加密功能，保證數據安全性
工業PON系統支持多種ONU終端的認證功能，例如基于物理標識、邏輯標識等方式，可有效防止非受控終端接入網絡。
3.3.4 可靠性，保護倒換
工業PON技術，在技術標準層面支持Type A-D多種保護倒換方案，可以提供不同等級的網絡自愈能力，在一路ODN網絡或者PON設備端口發生故障導致網絡中斷時，快速進行主備鏈路切換和業務恢復，保證工業場景對于系統高可靠性的要求。
例如，對于Type D保護方案，光分路器采用2個1:N光分路器， ONU配備2個獨立的PON口（分別包含PON MAC芯片和光模塊等）分別注冊到OLT的兩個PON接口上。可以滿足工廠網絡熱備的要求。
圖4 TYPE D保護倒換示意圖
3.3.5 利用切片實現工廠多業務承載和隔離
工業場景中，工業PON作為網絡承載基礎設施，可以實現對工業產線業務、辦公網絡、視頻監控、WiFi接入等企業典型業務應用的綜合接入。
面對各類業務對于網絡資源能力需求、分權分域管理、安全隔離等必要的要求，工業PON OLT設備具備切片能力，一個物理OLT可以虛擬為多個OLT分片，分別承載各類業務，實現獨立運維管理，業務和網絡資源互不干擾，可以有效實現可靠性、安全性、網絡資源三者之間的平衡。
圖5 OLT切片技術方案
3.4 工業PON未來技術能力演進需求
3.4.1 邊緣計算及智能運維能力
工業PON目前主要實現網絡承載的各類功能，但對于工業企業而言，在廠區生產體系中，除了網絡連接以外，目前還需要必要的通用計算能力，實現企業內MES、ERP等必要的生產管理系統的承載，滿足工廠內產線業務的管理和業務分發功能。同時，隨著傳統工廠向智能制造工廠的升級，需要在廠區內開展必要的工業云平臺邊緣部署工作，網絡設備需要提供三層及以上網絡業務的支持能力，實現靈活組網和網絡業務按需部署分發。
在上述需求的驅動下，工業PON未來需要具備必要的邊緣計算能力，具備通用計算資源，例如采用OLT側配備必要的通用計算業務板卡的方式，實現安裝工業生產管理系統、部署工業云平臺邊緣、提供網絡業務層面靈活功能加載部署等能力，滿足企業智能柔性制造的網絡演進升級需求。
同時，工業互聯網場景中，相比公眾接入網，面臨更多個性化的業務定制、調整和快速部署開通的需求，因此，在工業互聯網場景中引入針對性的SDN智能化運維技術，可以滿足多行業、各類場景下工業企業工業PON網絡的高效率靈活運維需求。
3.4.2 TSN、低時延
TSN（時間敏感網絡）是新興的統一的確定性時延網絡技術，在工業場景下有著重要的應用場景，具備歸一化承載目前各類時延敏感的工業總線協議的底層網絡承載技術的能力。
現有PON技術體系中，OLT和ONU之間由于是點到多點的架構，上行數據方向采用時分復用技術，導致上行方向存在不同ONU之間業務隊列和等待的問題，上行數據存在一定的固有時延，尚無法完全支持TSN技術，需要在PON DBA機制等方面進行針對性優化，實現PON+TSN功能的整合。
3.4.3 基于容器技術的工業開放能力平臺
工業PON目前通過定制化的工業數采網關功能和硬件集成，已經具備一定的工業數據采集和協議轉換能力，但是目前技術方案缺乏工業數采功能靈活擴展和個性化開發的能力。
同時由于工業PON的物理設備存在多個設備廠商，每個設備廠商在ONU側所采用的物理層芯片、底層硬件架構、網絡OS系統等方面，目前均自成體系的系統。從工業數據采集的需求來看，需要一個統一的工業數據采集軟件平臺和相應的標準化軟硬件接口，實現第三方工業APP廠商的軟件“一處開發，到處運行”的需求，屏蔽底層設備差異，提升工業軟件的開發和迭代效率，滿足工業企業需求多樣化和柔性化制造等快讀迭代相應的需求。
因此，需要探索研究實現工業數據采集等功能的統一平臺，以及工業數采軟件的APP化部署。具體實現方式上，可以采用軟件層面開放式平臺架構，業務功能容器化和APP化的方案。按照業務功能將軟件劃分為多個業務APP，實現快速迭代和部署，并通過容器技術，將業務軟件與操作系統隔離，提升系統的安全性。
圖6 基于容器技術的開放平臺的架構
上圖所示為一種開放平臺的架構方案，該開放平臺軟件架構抽象為雙系統，包括PON網絡OS系統、數據采集功能的容器系統。雙系統運行在同一個Linux內核上。
PON網絡OS系統實現工業PON設備管理、維護，各種網絡服務協議支持，實現路由器網關功能；容器系統提供輕量級的虛擬化，根據客戶需求運行第三方工業應用程序。
PON網絡OS系統一般基于PON設備廠商成熟穩定的PON OS系統平臺，可以實現PON層面的所有網絡業務功能，并可以根據工業場景的應用需求，進行網絡功能定制和擴展。
3.4.4 工業PON+5G融合組網承載
工廠內網絡可以細分為企業內網和運營商網絡。企業內網可以部署下沉UPF+MEC，起到業務分流、降低時延、數據不出廠的作用。辦公類數據可以經城域網進入運營商外網。企業內的5G無線部署可以多種方式相結合，包括宏站、皮站、室分、一體化小基站等。對于運營商外網，需要考慮如何把小基站的數據經由PON回傳后分流至5GC。對于宏站，也可以考慮采用工業PON作為回傳，只用于BBU下沉工廠內的情況，BBU如果放在電信機房，則無需通過工業PON回傳。對于企業內網，根據企業業務的不同，可能需要部署MEC，將部分WiFi、5G小基站、宏站的流量分流到工廠內部。
圖7工業PON承載5G組網架構
4. 工業PON產鏈的情況
4.1 工業PON技術成熟度
工業PON源于公眾客戶接入場景下的PON技術，公眾場景下的PON技術作為目前光纖到戶寬帶接入的主導解決方案，經過十多年的研究和全國現網大規模部署，在標準、產業鏈、施工建設等方面，均已經非常成熟。工業PON作為工廠內網的網絡承載方案，目前技術成熟度已經具備規模商用推廣的能力，后續針對各類工廠業務的計算能力，需要研究和實現邊緣計算、智能運維、通用工業應用平臺等能力，使工業PON具備更加完善的功能和更強的競爭力。
4.2 工業PON業務成熟度
我們在工業PON網絡實施部署過程中，發現當前業務成熟度尚不足，體現在幾個方面：
1. 設備價格普遍偏高，原因是市場競爭不夠充分，設備成本還未真正達到成熟商用的水平，因此實際部署中明顯存在企業用戶對價格不能夠接受。
2. 設備種類不夠豐富，一方面工業企業的需求多樣且分散，很難在短時期內提供各類設備滿足企業需求，符合研發設備的客觀過程；另一方面，只有幾家主流設備廠商可以提供工業PON設備，存在價格壁壘和保護。
3. 工業PON網絡及設備的管理、維護等不夠通用化，懂的人也少，企業擔心自己維護不了而導致后期的維護成本偏高，因此不敢采用工業PON網絡。
總體來說，工業PON網絡確實出現的比較晚，需要經過市場上逐步認識和接受的過程，在這個過程中不同角色的伙伴不斷夯實能力，彼此協同，更好的解決企業用戶的網絡連接需求。因此從推動工業PON網絡業務成熟的角度，確實需要構建良好的生態，繁榮產業，豐富產品，做強網絡，做好協同和服務。
5. 總結及未來展望
工業PON技術是采用先進的無源光纖通信技術和工廠自動化融合而構建的一個新興的網絡平臺，是構建未來工廠智能化的基礎。工業互聯網PON技術可以有效解決智能工廠和數字車間的通信交流，構造安全可靠的工廠內網絡，完成智能制造基礎設備、工藝、物流、人員等各方面基礎信息采集，解決困擾企業的工業協議繁多和異構網絡互聯問題，實現工業現場協議的靈活轉換和統一格式，同時為企業上云做好基礎網絡和數據服務。未來，工業PON將針對工業制造轉型升級的需求，提供完善的邊緣計算、低時延業務承載、開放的工業APP平臺和生態、智能化的運維管控能力。同時，與5G技術進行有效結合，提供對公網/專網5G業務的回傳承載能力，為企業提供一整套的工業互聯網工廠內網絡承載和智能化業務平臺。
工業PON網絡不可能一蹴而就，工業PON網絡也不能舉一家之力，這都不符合工業PON網絡健康、快速、可持續發展的客觀規律。結合工業互聯網的發展，我們從工業網絡連接的角度，做好基礎連接的服務，滿足海量連接的要求，就需要從云網、設備、管理和運維等集成產鏈伙伴的集體智慧和技術突破，共同發展和繁榮光網產鏈，推動設備商、運營商、集成商和企業用戶等多個角色的商業成功，為工業互聯網在網絡發展上貢獻力量。
作者：金嘉亮1，孫慧1，劉丹蓉2
（1.中國電信股份有限公司研究院 上海光接入研究部 上海 200122；
2.中國電信集團有限公司 政企部 北京 100033）
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