工业互联网行业：工业PON+5G融合的技术应用白皮书 （2022年）

应用白皮书 （2022年） 工业PON+5G融合的技术 工业互联网产业联盟（AII） 2023年6月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有 （注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 前言 工业互联网作为我国新基建方针的核心战略肩负着产业升级和提高高端设备制造生产能力的重大发展使命。从定义上看，工业互联网应提供工业经济全要素的全连接，是新型网络、先进计算、大数据、人工智能等新一代信息通信技术与制造技术融合的新型工业数字化系统，其网络呈现融合、开放、灵活的趋势。我国的工业企业前期发展主要聚焦在生产自动化和管理信息化上，帮助企业实现端到端，全生命周期的生产数字化管理。 与此同时，工业PON和5G等新型网络技术在工业互联网领域已有较为丰富的应用，但越来越多的场景既需要工业PON也需要5G，因此，将工业PON+5G融合的网络，实现固定、移动设备全连接，结合高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰等优势满足企业在智能制造和智能管理过程中的网络连接需求，同时又可以保证网络的安全、便捷和易用。可通过建设工业PON+5G融合网络实现企业园区内的生产控制、厂区监控、办公业务的统一接入，以实现企业人、机、物的全面互联。 本文档由中国电信集团有限公司牵头，工业互联网产业联盟成员单位参加编写完成。参与单位有：华为技术有限公司。目前，已经形成了白皮书的征求意见稿，文中肯定还存在诸多不足之处，欢迎各位专家学者提出意见，共同促进本白皮书的完善，助力工业互联网蓬勃发展。 编写组成员（排名不分先后）： 孙慧、金嘉亮、蒋铭、王孝明、朱红绿、于啸、罗勇、董寅、刘德坤、翟士奇、黄廷飞、杨虎 牵头编写单位： 中国电信集团有限公司 参与编写单位： 华为技术有限公司 工业互联网产业联盟公众号 目录 一、发展背景及需求分析1 （一）工业PON+5G融合发展政策明朗1 （二）工业PON+5G融合应用需求旺盛1 二、工业PON+5G融合网络技术特点及优势2 （一）定义及内涵分析2 （二）组网架构3 （三）关键设备及功能12 （四）网络规划及部署模式14 三、工业PON+5G融合网络的典型应用16 （一）应用情况16 （二）典型案例19 四、工业PON+5G融合发展趋势23 一、发展背景及需求分析 （一）工业PON+5G融合发展政策明朗 2020年3月25日，工业和信息化部印发《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023年）》中明确表示“双千兆”网络协同发展的主要目标是用三年时间，基本建成全面覆盖城市地区和有条件乡镇的“双千兆”网络基础设施，实现固定和移动网络普遍具备“千兆到户”能力。2021年11月16日，在工业和信息化部“十四五通信规划”中明确提出千兆光网发展与行业应用深度融合，将千兆光纤网络覆盖能力推进到房间、桌面和机器，构建面向行业网络的千兆光网基础设施，与5G协同助力行业数字化转型升级发展。 2021年9月18日-2022年9月3日，首届“光华杯”千兆光网应用创新大赛面向行业融合应用特设专题，聚焦行业数字化转型，开展面向不同应用场景和生产流程的千兆光网应用创新，加快形成千兆光网和5G网络“双千兆”优势互补的应用模式，服务行业发展。 （二）工业PON+5G融合应用需求旺盛 行业客户在发展信息化、数字化、智能化的过程中，需要多样化的全覆盖接入能力，满足生产、办公、安防、园区公共管理等场景的设备连接要求，实现数据的互联互通，工业PON+5G融合组网能够实现整网规划、一网部署、多场景覆盖、多业务承载，已在一些行业客户的项目中先行先试，并取得初步认可。 工业PON+5G融合网络满足行业应用中海量多类型连接需求，提供上行千兆带宽，满足高可靠、低时延、灵活管控等用网要求。将工业 PON网络的抗干扰、低能耗、低成本、高可靠性的特点，与5G定制网的广覆盖、易连接的特点有效结合起来，成为行业客户普遍易于接受的高性价比的行业专网方案。 二、工业PON+5G融合网络技术特点及优势 “双千兆”是指以千兆光网和5G为代表的“双千兆”网络，能向单个用户提供固定和移动网络千兆接入能力，具有超大带宽、超低时延、先进可靠等特征，二者互补互促，是新型基础设施的重要组成和承载底座1。 千兆光网主要是指在光接入网实现千兆接入能力，骨干光网会随着接入网能力提升而同步提升。聚焦到接入网能力来看，在固定网络接入方面，运营商采用的PON技术目前已经全面升级采用10GEPON、XG(S)-PON，实现下行带宽10Gbps，上行带宽最大10Gbps。在移动网络接入方面，运营商采用5G技术具备大带宽能力，同样可以理解为具备千兆接入能力的网络技术。 （一）定义及内涵分析 从对网络关注的视角上看，行业客户与运营商的还是存在一定差异 的，如图1所示，行业客户更关注自己范围内的网络，一般称为企业 （工厂）内网，从通信的角度看就是客户端和接入网两个部分。运营商关注的行业网络包括接入网和承载网，同时为了在接入网部分更好的满足行业客户的接入需求，运营商也在不断去理解行业及业务。由此可见，接入网是两种视角的交叠，工业PON+5G成为面向行业客户提供的“双 1源自：《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023年）》 千兆”网络的重点，也是新型通信技术赋能行业与行业业务深度融合的关键。 图1面向行业的双千兆网络视角示意图 （二）组网架构 1.组网拓扑 以“工业PON+5G”的双千兆网络来构建行业内网（专网），如图2 所示，工业PON网络承载固定设备的接入，同时提供固定区域内的WiFi 连接能力，5G网络承载移动设备的接入，满足广域、移动、可调整的接 入需求。 面向行业客户应用的工业PON网络与5G网络一般按照专网的方式规划和部署，在企业核心机房构建企业数据中心，将网络数据汇集到业务平台和专网MEC，同时建议部署网络管控平台实现对企业内网运行的可视化、可调整的管控能力。 图2工业PON+5G融合组网 2.组网优势 一网到底，多场景全光覆盖。工业PON组网采用光纤作为承载介质，可以兼容传统以太网承载的业务，还可以同时提供宽带、语音（固话）、WiFi等业务接入。 一网承载，多业务虚拟隔离全承载。采用切片和VLAN技术，实现 不同层级和能力的业务隔离功能。 一网融合，AI、边缘计算等多技术融合。基于云网融合的架构，涵盖实体层、网络层、平台层、应用层，结合行业客户业务需求，打造新型高可靠、高性能的工厂网络融合光底座，有效发挥数据及应用能力。一网管控，整网分级分域智能统一管控。根据企业客户用网习惯和 管网诉求，为行业客户了提供智能、易用、可演进升级的管理运维服务。一网实施，架构扁平施工便捷。工业PON网络与传统交换机以太网 相比，架构上将由三层变为二层，采用无源ODN光纤组网无需维护无需管理，支持20KM光纤传输，减少布线，节约物料成本和人力投入。5G 网络覆盖只需布设5G基站等设备，企业内部接入无需布线，更加便捷，满足柔性制造和灵活动态调整的接入终端需求。 一网演进，支持技术演进持续提升网络性能。5G技术和PON技术具备完整的技术演进体系，设备上支持带宽的平滑演进，部署上支持组网升级改造，业务上满足高质量网络需求的迭代。 绿色节能，传输高可靠、无源抗干扰。工业PON采用ODN无源光纤组网，无需供电且部署位置灵活，在建筑空间中减少了弱电空间，且减少供电设备和空调设备等，实现了节能减排，符合绿色低碳的发展目标。 3.特点与场景 （1）应用特点 1)固移融合可以满足用户的无缝通信需求 固移融合可以满足用户的无缝通信需求，为用户提供灵活的、与网络技术类型无关的业务承载能力，便于用户根据实际需求进行便捷、快速、合适的网络接入选择。工业PON、5G、WiFi6关键能力对比如表1所示： 表1工业PON、5G关键能力 关键能力/技术 工业PON 5G 有线接入能力 局域无线接入能力（WIFI6） 广域无线接入能力 上行大带宽 10Gbps+ 500Mbps+ 500Mbps+ 稳定性和时延 <1ms@99.999% 稳定性差（开放频谱，干扰大） 20ms@99.99% 准定位 无 弱（10米级） 较好（3-5米级） 业务移动性 移动性差（转场需要重新对纤，容易缠绕损伤） 移动性较好(无损漫游、切换时间->10ms) 移动性好，无缝切换（支持切片&QoS，有SLA保障） 网络安全 高 高(空口加密，256位加密) 工业PON（含WiFi6）、5G选用建议如下： a)业务有移动性需求，且有较大上行大带宽、较低时延和可靠性要求，有定位需求，优选5G； b)业务无移动性需求，且对上行大带宽需求高及时延可靠要求高，无定位需求，优选工业PON； c)业务有移动性需求，且有一定的上行大带宽需求但对时延可靠性要求低，优选WIFI6。 2)固移融合可以降低客户建网及运营成本 当移动和固定网络相互独立时，两张网络独立运维，上线新业务和网络管理需分别在两张网络上完成，且需要分别配合两套独立的网络运维系统，使得业务上线效率较低但成本较高。 当固定和移动网络融合之后，统一规划按需建设，统一管控灵活可控自主运维，网络建设及运维的综合成本将显著下降，业务上线效率也将显著提升。 （2）应用场景 通过工业PON+5G实现工厂有线无线全连接，构建双千兆光网基础设施，典型应用场景如表2所示。5G适合于辅助生产环节的移动化及生产环节的柔性化场景，工业PON适合于固定位置大带宽尤其是大上行的场景、扁平化多网融合场景、无源化抗电磁干扰场景，确定性低时延及零丢包特性使得以工业PON切入工控域具备技术可行性，可以进一步结合场景需求开展创新应用实践。 表2工业PON+5G典型应用场景 原子能力/场景 位置定位米级/亚米级 上行大带宽 20~150Mbps 移动性无线化 低时延 ~50ms 超低时延 <10ms 上行超大带宽 150~Mbps 人员管理(识别、定位、告警) 5G(移动) 数采/加载(数据采集、软件加载) 5G(移动)工业PON(固定) 设备车辆调度(园区、仓储和车间物流，列控列调) 5G(移动)工业PON(WIFI) AR/VR(远程维护、协作、培训) 5G(移动)工业PON(固定) 设备控制(危险及恶劣区域设备远控) 5G(移动)工业PON(固定) 高清视频(视频监控、视频会议和直播) 工业PON(固定) 移动巡检(机器人或无人机巡控) 5G(移动)工业PON(WIFI) C2C控制(多台机器间协作) 工业PON(固定) 机器视觉(表面检测，缺陷检测) 工业PON(固定) 4.技术与实践 工业PON+5G融合是将以前分离的固定和移动通信业务、网络和商业模式进行有机结合。从融合技术的角度包括：网络融合、业务融合、终端融合，但在实践中还需考虑融合商业模式及优势。 在不同的网络平台间传输多种应用。然后，端到端的网络切片技术，可 以确保在同一张网针对不同的业务提供不同的传输质量。最后，融合终端技术，终端具有多种网络接入的能力和模块，使得统一终端可以动态选择不同的传输路径。 （1）网络融合 实践一：异构网络互为备份，提升网络可靠性 能够实现融合建立在融合技术发展的基础上。首先，云计算、网络功能虚拟化、软件定义网络等技术为“固移融合”提供了坚实的基础。其次，异构网络保护倒换技术，在设备和网络层面实现无缝连接，能够 图3工业PON与5G互备份组网示意图 1)根据不同业务的诉求，支持可选