工业互联网需要5G与光网络协同
“工业互联网”是网络强国与制造强国战略的重要抓手，得到我国政府的高度重视，从2017年以来连续5年写入政府工作报告。工业互联网也为光通信创造了新的发展空间。在唐雄燕看来，工业级光网络是光通信融入工业互联网发展大潮的重要机遇。
目前，工业互联网网络面临多方面挑战：一是工业园区、办公、生产等不同区域和环节的网络分隔，系统和信息孤立;二是传统组网方式不够灵活，网络调整、升级、扩展受限;三是网络运维和管控缺乏智能，网络、计算和应用的管控体系不统一;四是工业环境复杂，工业应用场景多样，部分场景电磁干扰大，无线接入手段难以适应。
“传统工业互联网网络亟需变革，而要构建面向工业互联网应用场景的高品质网络设施需要具备五大特质。”唐雄燕表示，一是超大连接，实现海量工业设备接入;二是超低时延，确保端到端低时延通信，满足工业控制要求;三是算力增强，通过增强网关的算力实现边缘计算和算网融合;四是边云协同，赋能工业大数据和工业智能;五是安全可靠，构建高安全和高可靠的工业网络与系统。
工业光网是工业网络与光网络的结合，采用光网络技术互联工业企业全生产要素，实现生产控制、厂区监控、 办公业务的统一接入，实现人、机、物的全方位高质量互联。唐雄燕强调，工业互联网既需要5G也需要光网络，二者相辅相成，各有优势和适用场景。
在工业光网中，工业PON、工业OTN和工业光总线都是比较关键的技术。尤其工业PON能够广泛应用于工业园区、工厂和现场，具备多方面优势：
大连接大带宽，很好满足工业互联网中人机物的大数量连接需求以及3D机器视觉等大带宽业务需求;低时延低抖动，工业PON下行的广播机制可以保证稳定的低时延传输，下行时延可以低于100微秒，上行时延可以低于200微秒，而且通过技术创新还可以进一步将时延减低至10微秒;高可靠高安全，光接入天然具有抗电磁干扰和高稳定等特性，可以满足工业互联网安全可靠要求;灵活性和扩展性，PON系统接入带宽和用户数可以灵活扩展，而且在传输能力外，还可以通过算力增强，实现算网协同，更好承载工业应用。
因为工业PON具备的独特多项优势，中国联通期望打造超大连接、超低时延、安全可信的工业PON网络，通过大连接、低时延的工业PON基础技术，联接与计算融合的工业算网体系和增强的安全可靠保障机制来构筑工业互联网发展的坚实底座。
工业PON技术创新的“七大关键”
作为2021年国家重点研发计划项目的负责人，唐雄燕承担着“超低时延、超大连接、安全可信的工业无源光网络架构与系统研究及应用示范”项目研究。
据介绍，该项目聚焦PON在工业互联网场景下的应用，研究提出超大连接、超低时延、安全可信的新一代光接入网架构，研制低成本光接入系统器件、模块、设备，打造边云协同的工业光网运维管控体系，开展应用示范，推动PON从电信级到工业级的拓展。该课题将在如下领域开展技术创新。
一是通过TDM+WDM+SDM多维复用构建超大连接光接入网络。工业PON主流的10G TDM-PON技术，技术成熟度高，产业链完善，1台OLT设备可实现大于10000台终端的连接，满足工业互联网超大连接需求。同时基于工业互联网需求还将向50G PON升级，满足更高带宽业务的需求。WDM是PON进一步升级的重要方向，具有发展潜力，产业链也在逐渐成熟，WDM-PON具备更大的连接能力和带宽能力，未来通过多载波与多芯光纤的结合，实现波分空分多维复用，单PON口可实现上千台ONU的连接。
二是实现超低时延工业PON系统。通过FBA固定带宽机制，缩短上行突发(burst)，带外开窗等机制降低PON系统时延，实现下行时延75微秒，上行200微秒。同时项目还在研究超低时延的工业PON系统，通过采用波分和相干技术可以将PON的时延控制到10微秒以内。
三是构建高可靠高安全PON网络。PON具备完善的保护倒换，如PON 光链路保护可以采用 TYPE D 方式(OLT 双 PON 口，ONU 双 PON 口，主干光纤、光分路器和配线光纤均双路冗余)，保证系统的高可靠性;PON系统中OLT发送的信号可以被所有ONU接收到，需要通过完善的ONU接入安全机制和加密算法来保证系统和数据的高安全。
四是研发新型算网融合工业网关。针对工业通信数据接口多样、协议繁杂、互不兼容等特点，设计基于ONU边缘计算能力的多协议转换系统，实现跨传输层的数据透明传输。针对确定性低时延和低抖动承载需求，将边缘计算能力下沉到现场ONU。工业PON融合网关的关键技术包括：单帧多突发低时延技术，气密、防腐蚀及电磁隔离技术，基于虚拟化/容器化的算力增强ONU硬件架构，基于ONU边缘计算能力的多协议转换。
五是实现工业PON灵活切片。工业PON网络具备网络切片能力，一台物理OLT设备可以虚拟化为多个逻辑OLT设备切片，每个切片之间的网络资源分配、系统管理权限相互独立。在实现物理资源共享的前提下，实现业务的独立管控承载。
六是构建云边端协同的工业算力网络。云边端协同的工业算网可以承接各类工业应用，满足工业场景多样化的需求，成为工业互联网的基础技术底座。
七是增强工业网络智能管控能力。引入人工智能技术增强工业网络的智能管控，实现对网络故障的快速定位及预测，并将第三方工业互联网应用平台纳入管控体系，实现工业互联网应用的快速集成。
工业PON应用场景
唐雄燕指出，工业PON可以适用于工业互联网众多场景。
从建设场景上看，适用于工厂新建网络和工厂网络升级改造;从建设的覆盖范围上看，工业光网的建设范围可覆盖企业/园区内的工业生产网络、企业信息网络以及企业/园区外的骨干传输网络，从而构建端到端的全光网络互联体系。
工业PON可以应用于形形色色的工业领域。如在矿业场景中，通过部署OLT主备保护，可以实现高可靠的工业ONU连接;工业PON网络可以实现多业务混合承载;通过预连接ODN可以实现快速施工，降低操作难度和危险性。
在制造车间场景中，工业PON可以有效解决离散制造业的接入终端种类繁多、数量巨大问题;解决现场级的实时数据采集问题;解决不同场景下的数据传递、交互问题;解决复杂环境下的电磁干扰问题。
工业PON已开始得到规模应用。在河北某企业集团案例中，该集团通过部署高速、融合、安全的工业PON网络，实现了高清视频监控、工业信息采集、智能制造、云服务、海量数据(603138)交换的统一承载;在山东某住建局智慧工地，面对实现包括扬尘自动治理、视频监控+智能AI、远程塔吊、员工个人智能监管、工地智能安全系统、企业云平台等多场景需求，通过PON+5G的智慧工地解决方案，大大提升了工地运营及管理的场景化、定制化能力;在浙江某环保智能监测站项目中，需要解决远端站点运维难、安全性低、自然环境复杂、站点多以及数据采集传输等问题，通过应用工业PON技术，利用光纤的高抗干扰特性和工业级PON的高可靠性机制，很好满足了对环境适应性的要求。
从工业PON技术发展来看，工业PON1.0主要是提供基础组网功能，PON设备集成以太网、RS232/485、CAN等多种工业接口，实现“光纤到机器”的接口互联;工业PON2.0实现协议转换、数据采集，集成各种主流的工业协议，具备工业数据采集/上传能力，实现“光纤到机器”的协议互通。唐雄燕指出，下一步向工业PON3.0迈进，将更加关注系统及应用的互操作，实现PON设备与工业云平台对接，支持MEC、TSN、网络AI、工业安全等新一代工业互联网功能，并适配工业APP，实现“光纤到机器”的应用互操作。
“实现光网与5G协同，赋能工业互联网!”演讲的最后，唐雄燕向行业倡导，抓住工业互联网发展机遇，发挥光网络的大带宽、低时延、高可靠、高安全等确定性网络优势，推进光网络技术在工业互联网中的应用，开展工业PON、工业OTN/WDM等工业光网技术创新，实现工业光网与工业以太网、5G、WiFi、TSN等技术融合组网，构筑工业算网，推进光纤到机器(FTTM)。
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