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

  在日前召開(kāi)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(cháng)、首席科學(xué)家唐雄燕表示，實(shí)現光網(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(kāi)展工業(yè)PON等工業(yè)光網(wǎng)技術(shù)創(chuàng )新，推進(jìn)光纖到機器和光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用，實(shí)現工業(yè)光網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)、5G等技術(shù)融合組網(wǎng)，夯實(shí)工業(yè)算網(wǎng)基礎。

  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 )強國與制造強國戰略的重要抓手，得到我國政府的高度重視，從2017年以來(lái)連續5年寫(xiě)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(lái)，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)展大潮的重要機遇。

  目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )面臨多方面挑戰：一是工業(yè)園區、辦公、生產(chǎn)等不同區域和環(huán)節的網(wǎng)絡(luò )分隔，系統和信息孤立;二是傳統組網(wǎng)方式不夠靈活，網(wǎng)絡(luò )調整、升級、擴展受限;三是網(wǎng)絡(luò )運維和管控缺乏智能，網(wǎng)絡(luò )、計算和應用的管控體系不統一;四是工業(yè)環(huán)境復雜，工業(yè)應用場(chǎng)景多樣，部分場(chǎng)景電磁干擾大，無(wú)線(xiàn)接入手段難以適應。

  “傳統工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )亟需變革，而要構建面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景的高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò )設施需要具備五大特質(zhì)?！?A href="http://joq5k4q.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(shí)現海量工業(yè)設備接入;二是超低時(shí)延，確保端到端低時(shí)延通信，滿(mǎn)足工業(yè)控制要求;三是算力增強，通過(guò)增強網(wǎng)關(guān)的算力實(shí)現邊緣計算和算網(wǎng)融合;四是邊云協(xié)同，賦能工業(yè)大數據和工業(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(luò )與系統。

  工業(yè)光網(wǎng)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與光網(wǎng)絡(luò )的結合，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(shí)現生產(chǎn)控制、廠(chǎng)區監控、 辦公業(yè)務(wù)的統一接入，實(shí)現人、機、物的全方位高質(zhì)量互聯(lián)。唐雄燕強調，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(chǎng)景。

  在工業(yè)光網(wǎng)中，工業(yè)PON、工業(yè)OTN和工業(yè)光總線(xiàn)都是比較關(guān)鍵的技術(shù)。尤其工業(yè)PON能夠廣泛應用于工業(yè)園區、工廠(chǎng)和現場(chǎng)，具備多方面優(yōu)勢：

  大連接大帶寬，很好滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中人機物的大數量連接需求以及3D機器視覺(jué)等大帶寬業(yè)務(wù)需求;低時(shí)延低抖動(dòng)，工業(yè)PON下行的廣播機制可以保證穩定的低時(shí)延傳輸，下行時(shí)延可以低于100微秒，上行時(shí)延可以低于200微秒，而且通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新還可以進(jìn)一步將時(shí)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定等特性，可以滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可靠要求;靈活性和擴展性，PON系統接入帶寬和用戶(hù)數可以靈活擴展，而且在傳輸能力外，還可以通過(guò)算力增強，實(shí)現算網(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(shí)延、安全可信的工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)大連接、低時(shí)延的工業(yè)PON基礎技術(shù)，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(lái)構筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的堅實(shí)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(diǎn)研發(fā)計劃項目的負責人，唐雄燕承擔著(zhù)“超低時(shí)延、超大連接、安全可信的工業(yè)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )架構與系統研究及應用示范”項目研究。

  據介紹，該項目聚焦PON在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的應用，研究提出超大連接、超低時(shí)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(kāi)展應用示范，推動(dòng)PON從電信級到工業(yè)級的拓展。該課題將在如下領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)創(chuàng )新。

  一是通過(guò)TDM+WDM+SDM多維復用構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設備可實(shí)現大于10000臺終端的連接，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)超大連接需求。同時(shí)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求還將向50G PON升級，滿(mǎn)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)展潛力，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(lái)通過(guò)多載波與多芯光纖的結合，實(shí)現波分空分多維復用，單PON口可實(shí)現上千臺ONU的連接。

  二是實(shí)現超低時(shí)延工業(yè)PON系統。通過(guò)FBA固定帶寬機制，縮短上行突發(fā)(burst)，帶外開(kāi)窗等機制降低PON系統時(shí)延，實(shí)現下行時(shí)延75微秒，上行200微秒。同時(shí)項目還在研究超低時(shí)延的工業(yè)PON系統，通過(guò)采用波分和相干技術(shù)可以將PON的時(shí)延控制到10微秒以?xún)取?

  三是構建高可靠高安全PON網(wǎng)絡(luò )。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(xiàn)光纖均雙路冗余)，保證系統的高可靠性;PON系統中OLT發(fā)送的信號可以被所有ONU接收到，需要通過(guò)完善的ONU接入安全機制和加密算法來(lái)保證系統和數據的高安全。

  四是研發(fā)新型算網(wǎng)融合工業(yè)網(wǎng)關(guān)。針對工業(yè)通信數據接口多樣、協(xié)議繁雜、互不兼容等特點(diǎn)，設計基于ONU邊緣計算能力的多協(xié)議轉換系統，實(shí)現跨傳輸層的數據透明傳輸。針對確定性低時(shí)延和低抖動(dòng)承載需求，將邊緣計算能力下沉到現場(chǎng)ONU。工業(yè)PON融合網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括：?jiǎn)螏嗤话l(fā)低時(shí)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ONU硬件架構，基于ONU邊緣計算能力的多協(xié)議轉換。

  五是實(shí)現工業(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設備可以虛擬化為多個(gè)邏輯OLT設備切片，每個(gè)切片之間的網(wǎng)絡(luò )資源分配、系統管理權限相互獨立。在實(shí)現物理資源共享的前提下，實(shí)現業(yè)務(wù)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(luò )。云邊端協(xié)同的工業(yè)算網(wǎng)可以承接各類(lèi)工業(yè)應用，滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景多樣化的需求，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎技術(shù)底座。

  七是增強工業(yè)網(wǎng)絡(luò )智能管控能力。引入人工智能技術(shù)增強工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的智能管控，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )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(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的快速集成。

  工業(yè)PON應用場(chǎng)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(chǎng)景。

  從建設場(chǎng)景上看，適用于工廠(chǎng)新建網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )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)/園區內的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )以及企業(yè)/園區外的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò )，從而構建端到端的全光網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)體系。

  工業(yè)PON可以應用于形形色色的工業(yè)領(lǐng)域。如在礦業(yè)場(chǎng)景中，通過(guò)部署OLT主備保護，可以實(shí)現高可靠的工業(yè)ONU連接;工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現多業(yè)務(wù)混合承載;通過(guò)預連接ODN可以實(shí)現快速施工，降低操作難度和危險性。

  在制造車(chē)間場(chǎng)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(lèi)繁多、數量巨大問(wèn)題;解決現場(chǎng)級的實(shí)時(shí)數據采集問(wèn)題;解決不同場(chǎng)景下的數據傳遞、交互問(wèn)題;解決復雜環(huán)境下的電磁干擾問(wèn)題。

  工業(yè)PON已開(kāi)始得到規模應用。在河北某企業(yè)集團案例中，該集團通過(guò)部署高速、融合、安全的工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了高清視頻監控、工業(yè)信息采集、智能制造、云服務(wù)、海量數據交換的統一承載;在山東某住建局智慧工地，面對實(shí)現包括揚塵自動(dòng)治理、視頻監控+智能AI、遠程塔吊、員工個(gè)人智能監管、工地智能安全系統、企業(yè)云平臺等多場(chǎng)景需求，通過(guò)PON+5G的智慧工地解決方案，大大提升了工地運營(yíng)及管理的場(chǎng)景化、定制化能力;在浙江某環(huán)保智能監測站項目中，需要解決遠端站點(diǎn)運維難、安全性低、自然環(huán)境復雜、站點(diǎn)多以及數據采集傳輸等問(wèn)題，通過(guò)應用工業(yè)PON技術(shù)，利用光纖的高抗干擾特性和工業(yè)級PON的高可靠性機制，很好滿(mǎn)足了對環(huán)境適應性的要求。

  從工業(yè)PON技術(shù)發(fā)展來(lái)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(shí)現“光纖到機器”的接口互聯(lián);工業(yè)PON2.0實(shí)現協(xié)議轉換、數據采集，集成各種主流的工業(yè)協(xié)議，具備工業(yè)數據采集/上傳能力，實(shí)現“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(jìn)，將更加關(guān)注系統及應用的互操作，實(shí)現PON設備與工業(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(shí)現“光纖到機器”的應用互操作。

  “實(shí)現光網(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(luò )的大帶寬、低時(shí)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)中的應用，開(kāi)展工業(yè)PON、工業(yè)OTN/WDM等工業(yè)光網(wǎng)技術(shù)創(chuàng )新，實(shí)現工業(yè)光網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)、5G、WiFi、TSN等技術(shù)融合組網(wǎng)，構筑工業(yè)算網(wǎng)，推進(jìn)光纖到機器(FTTM)。