高性能工业PON白皮书

高性能工业PON白皮书 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（注明是引自其他文献的内容除外），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 工业应用场景，相比传统公众接入场景，对于有线接入网络的性能提出了更高的要求，主要包括更好的确定性（确定性时延和抖动）以及更高的传输带宽需求。 为满足工业应用需求，现有工业PON技术需要突破传统时分复用上行机制的固有时延抖动限制，实现确定性网络传输能力；同时需要提供更高带宽的传输能力，为工业客户提供一整套普适化、高性能、自主可控、智能化的新型高性能工业PON光网络基础设施。 本白皮书介绍了工业场景对于接入网络能力的需求，对工业PON技术支持确定性和高带宽能力的业务场景需求进行了介绍，并针对具体PON确定性技术优化方案，以及下一代高带宽50GPON研究进展进行了梳理，旨在为高性能的工业PON提供全景视图，供产业界参考。 牵头编写单位： 中国电信集团有限公司 参与编写单位： 中兴通讯股份有限公司 编写组成员（排名不分先后）： 金嘉亮、孙慧、李玉峰 工业互联网产业联盟公众号 目录 第一章需求分析1 1.1工业场景对于网络的需求1 1.2什么是工业PON技术2 1.3什么是高性能工业PON4 1.4高性能工业PON与工业PON演进路线的关系5 1.5网络能力需求调研及分析6 第二章确定性工业PON技术11 2.1工业PON系统确定性能力11 2.2工业PON确定性优化技术12 2.4确定性工业PON全景视图18 第三章高带宽工业PON能力分析和演进19 3.1现有技术介绍19 3.2高带宽PON演进技术20 3.3高带宽PON标准化情况22 3.4高带宽PON关键技术和能力25 第四章总结和展望26 参考文献27 第一章需求分析 1.1工业场景对于网络的需求 工业互联网网络是构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施，可实现研发、设计、生产、销售、管理、服务等产业全要素的泛在互联，促进各种类型工业数据的开放流动和深度融合，推动工业资源的优化集成和高效配置，加速制造业数字化、网络化、智能化发展，有力推动工业转型升级和提质增效。 工厂内网指在工厂或园区内部，满足工厂内部生产、办公、管理、安防等连接需求，用于生产要素互联以及企业IT管理系统之间连接的网络。例如工业现场用于连接生产设备的生产控制网络，用于连接企业工业制造管理系统等的企业信息网络，以及用于能源、安防等监控的物联网都属于工厂内网范畴。 网络作为工业互联网的基础，为工业互联网的发展提供了重要的网络连接基座。工业互联网网络与边/云能力共同构筑了基础设施层，提供大带宽、低时延、高可靠的网络入口和高速管道，满足各新基建领域的网络连接需要，支持丰富的行业数字化应用。 为了满足工业企业数字化、网络化、智能化的业务转型升级需求，工厂内网承载方案的确定性网络能力，包括确定性时延和抖动能力，是工业客户对于工业内网网络系统能力的一个重点需求。确定性网络能力可以提供稳定确定的网络传输保证，是承载各类现场总线业务、生产执行系统的必要业务保证。 同时，为了解决工业场景中数据源爆发式增长，数据流转不畅、数据处理不及时制约工业大数据、工业智能等创新应用的发展问题，需要 进一步提升现有工业内网网络的带宽，保证端到端网络带宽，满足产线机器视觉、跨域工业远程控制、AR/VR实时辅助、产线协同等新业务的高精准、高可靠、高可控，满足行业应用对于网络带宽的爆炸性增长需求趋势。 工业PON技术采用先进的无源光纤通信技术，可实现与工厂自动化生产系统融合，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和互通，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，与现有工业企业的基础网络有机结合。工业PON解决方案已在国务院及工信部的工业互联网发展相关文件和要求中作为高质量工厂网络的重要方式予以采纳。 1.2什么是工业PON技术 工业PON源于ITU-T/IEEE/ETSI的PON标准体系，是一种全新的工业互联网用全光网络连接技术，采用开放软硬件平台架构、SDN管控模型和能力开放接口，提供工业数据采集解析、确定性传输、边云协同、网络切片、智能化运维等关键能力，实现“人、机、物”全面互联。 该技术可构建抗干扰能力强、传输带宽高、异构协议互转、连接自愈能力强、网络安全性高、部署经济性好的工厂网络，可应用于企业信息网、车间级生产网以及现场级工业闭环控制网络，促进DICT融合，实现工业企业“两升三降”，助力产业数字化转型升级。 图1工业PON网络在工厂内网中的位置及其特点 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，具体架构可见图1，采用单纤双向、点到多点的网络结构。下行方向（OLT到ONU）为广播选收，上行方向（ONU到OLT）采用时分多址接入（TDMA）方式对各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2工业PON系统技术架构 工业PON网络适用的典型场景有：一是固定生产设备高可靠连接， 二是办公设备有线无线统一承载，三是设备协同高效工作，四是机器视觉监测、环境和设备检测。我国的运营商和PON设备厂商，率先在行业推广工业PON解决方案，已达到全国规模推广的程度，被广泛应用在工厂网络改造和网络建设，其中包括汽车零配件制造业、家电制造业、装备制造业、3C制造业等行业的知名企业。 图3工业PON系统在工业互联网整体网络架构中的位置 工业PON系统，可以为工业内网提供确定性传输和高带宽的网络能力，满足工业场景各类业务的典型需求。同时具备高可靠、低成本、广适用、易推广等特点，有效解决企业数字化改造中对多协议数据采集、安全稳定传输、工业应用端边云协同和低成本网络改造等问题，实现企业生产效率和设备使用率的提升，同时降低生产成本、生产设备故障率和资源消耗。 1.3什么是高性能工业PON 确定性网络能力，目前不同的行业协会以及标准化组织，对于确定 性网络的定义和侧重点有所不同，其中确定性（有界）的时延和抖动是大家所共同关心的。同时，对于确定性带宽、确定性安全隔离能力、网络可靠性等方面，也会有相应的需求。 高性能工业PON主要在数据传输的确定性（确定性时延和抖动），以及网络传输带宽方面，相比现有工业PON有了针对性提升，可以进一步满足工业领域大部分应用场景对于网络确定性和高带宽的需求（具体见 1.4章节），同时结合工业PON本身网络保护倒换能力，可以提供差异化的网络可靠性能力。 1.4高性能工业PON与工业PON演进路线的关系 工业PON是面向工业领域IT与OT融合、通信网络云端协同、及云网融合的底层网络基座。按照不同的业务承载需求和场景，以及能力演进方向，可以归纳为以下三个阶段。 工业PON1.0：目标为满足中小企业一般性网络承载需求，包含了公众PON网络的基础功能和性能，OLT为常规OLT设备，ONU终端为政企网关，可满足企业办公网络、室内WiFi覆盖承载、室内视频监控、无特殊时延需求的车间级网络承载需求。 工业PON2.0：包含1.0版本特性，提供基于网络切片的多业务差异化承载和安全隔离、工业数据采集接口、ODN网络高可靠、网关工业环境适应性等能力和特性，支持在室外/严酷工业环境工作，提出基于容器技术的ONU，集成数采功能，可灵活加载第三方插件，可自适应工业协议。 工业PON3.0：在2.0基础上，提出PONOLT设备新型架构，融合通用计算基础设施，支持分布式计算存储等云边协同能力，提供确定性PON特性（包含PON低时延优化、TSN技术融合，超高带宽能力，网络 安全特性、智简运维能力等特性，提升工业PON方案对前瞻工业升级技术的支持及其适用范围，拓展工业PON从中小企业向大型企业、传统制造业向先进制造业的全范围覆盖。 工业PON1.0、2.0和3.0是项目组针对成本敏感型、业务稳定性、先进技术能力型等不同类型企业的差异化需求所提出的解决方案，三个阶段非升级替代关系，而是按照不同工业行业客户的场景和需求按需部署。 图4工业PON演进路线示意图 高性能工业PON，实现了工业PON3.0在确定性、高带宽方面的能力，是工业PON3.0体系的关键组成部分。同时，高性能工业PON系统，可以同时集成工业PON1.0和2.0的能力，为用户提供类似工业PON2.5阶段的技术能力。 1.5网络能力需求调研及分析 1.5.1低时延低抖动能力需求 实际工业应用中，工业闭环控制场景对时延/抖动的要求较高，否则 会导致整个生产工序无法按计划执行，对产品合格率带来不利影响。离散制造业场景中，产品制造往往由多个零件经过一系列并不连续 的工序加工装配而成，涉及生产终端类型多，数据通常包括物料、加工设备、工装、加工过程、质量等，网络传输如果出现过大的时延或抖动，将导致制品情况，生产设备关键数据未能按需送达到上层管理平台，影响整体生产流程的进行。 智慧矿山行业场景中，较大的传输时延将提高作业操作难度和施工危险性；同时厂景涉及地面和井下各区域生产数据采集上传到地面调度机房，网络高抖动可能对生产安全带来无法弥补的损失。 工业场景中，生产网络主要包括控制类业务、采集类业务、连接类业务等多种类型。其中控制类业务包括远程控制和现场产线控制两种应用场景。远程控制对于网络时延、网络带宽存在一定的要求，例如视频远程控制类业务要求时延一般不大于20ms，同时应能根据具体远程控制视频清晰度，提供相应的网络带宽保障。现场产线控制，主要包括对产线PLC、产线I/O、设备运动控制，其网络流量一般具备周期性特征，根据不同的控制对象，其网络时延和丢包等关键指标参数存在差异化的需求。 典型的网络能力需求如表1所示。 表1现场产线控制类业务典型网络能力需求 业务 业务需求 工业RT业务 产线级I/O控制（阀岛/变频器/机器人控制器等） 数据报文周期：包括2ms，4ms，8ms，16ms等周期丢包要求：不能连续3次业务丢包数据包大小：64Byte至1500Byte 机器内部I/O控制（焊枪抓手等）产线PLC之间控制 业务 业务需求 工业IRT类业务 运动控制 数据报文周期：包括0.5ms，1ms，2ms，等周期丢包要求：不能连续2次业务丢包数据包大小：一般不大于50Byte RT(RealTimeCommunication)：实时通信，适合周期性数据交换的场合IRT(IsochronousRealTimeCommunication)：等时同步通信，对于时间要求严格同步的通信 采集类业务包括传感器信息采集、视频检测与采集等，其典型的网络能力需求如表2所示。 表2采集类业务场景及典型网络能力需求 业务 场景 业务需求 工业RT/NRT类业务 环境传感、数据采集 发包周期：100ms-10s上行速率：<100kbps数据包大小<1500B 视频检测与采集 上行速率：1080P：>10Mbps4K：>40Mbps NRT(Non-RealTimeCommunication)：非实时性通信，可以用于组态、参数设置、诊断