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 编写组成员（排名不分先后）： 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50G PON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。金嘉亮、孙慧、李玉峰 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 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PON ............................................................ 4 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 — 1 — 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 — 2 — 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。 — 3 — 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， — 4 — 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 — 5 — 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PON 1.0：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PON 2.0：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PON 3.0：在2.0基础上，提出PON OLT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 — 6 — 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PON 1.0、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P