北京郵電大學(xué)張佳瑋：PON在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

　　昨天下午，由CIOE中國光博會(huì)和C114通信網(wǎng)聯(lián)合舉辦的“2024中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇·工業(yè)PON技術(shù)研討會(huì)”順利召開。會(huì)上，北京郵電大學(xué)教授張佳瑋應(yīng)邀作了題為《工業(yè)PON中確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究》的主題演講。

　　張佳瑋表示，常規(guī)PON技術(shù)發(fā)展思路主要關(guān)注于如何提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，然而面向工業(yè)互聯(lián)場景，工業(yè)PON需要具備更低的時(shí)延和更高的可靠性，才能為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)流提供可預(yù)測和可保證的“傳輸通道”。張佳瑋指出，要實(shí)現(xiàn)重確定性傳輸，就必須要解決PON在帶寬分配方案、注冊和測距機(jī)制以及隊(duì)列調(diào)度機(jī)制等三大挑戰(zhàn);結(jié)合科研實(shí)踐，張佳瑋從MAC層視角，分享了他對于工業(yè)PON確定性傳輸五大關(guān)鍵技術(shù)的思考。

　　IT/OT融合承載：工業(yè)PON應(yīng)用前景廣闊

　　張佳瑋表示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分為三個(gè)發(fā)展階段，第一階段僅包含工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(OT)。主要針對工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)部，也就是工業(yè)I/O和控制器PLC之間的通信，需要極低的時(shí)延和抖動(dòng)保障。

　　第二階段為工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)(IT)，IT和OT兩張網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立發(fā)展。隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，傳輸輔助工業(yè)生產(chǎn)的音視頻、文本數(shù)據(jù)，對帶寬的要求較高，此時(shí)互聯(lián)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包含兩張網(wǎng)，一是工業(yè)控制網(wǎng)，二是工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，在初始階段兩張網(wǎng)獨(dú)立演進(jìn)。

　　第三階段，OT和IT兩張網(wǎng)呈現(xiàn)融合的發(fā)展趨勢。這種共網(wǎng)承載對于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能提出了更高的要求——在一張網(wǎng)絡(luò)下傳輸工業(yè)控制信息和工業(yè)數(shù)據(jù)信息，并且滿足各自業(yè)務(wù)的傳輸需求。

　　張佳瑋介紹，從通信方式講，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)可以分成三類，一類為控制器到設(shè)備(C2D)，流量特征為周期流、速率低、時(shí)延低抖動(dòng)低。第二類為控制器到控制器(C2C)，以等時(shí)流為主，速率低、抖動(dòng)低。第三類業(yè)務(wù)為設(shè)備到計(jì)算機(jī)(D2Cmp)，通常為傳統(tǒng)的通信類業(yè)務(wù)，主要用于輔助生產(chǎn)。以突發(fā)流和異步周期流為主，速率較高、時(shí)延較高。

　　在談到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型組網(wǎng)技術(shù)時(shí)，張佳瑋表示TSN能夠?qū)崿F(xiàn)較低的時(shí)延和抖動(dòng)，但抗干擾能力、移動(dòng)性能差，且速率不高;工業(yè)5G移動(dòng)性較好，但抗干擾能力、時(shí)延抖動(dòng)性較差;PON相比于其他組網(wǎng)技術(shù)，抗電磁干擾能力較強(qiáng)，為P2MP結(jié)構(gòu)且傳輸能量大。

　　降低端到端時(shí)延：PON面臨三大技術(shù)挑戰(zhàn)

　　張佳瑋表示，確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸能力是指通過業(yè)務(wù)調(diào)度和傳輸行為的控制，為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)流提供可預(yù)測和可保證的“傳輸通道”，實(shí)現(xiàn)有界時(shí)延、抖動(dòng)和丟包的能力。

　　張佳瑋指出，PON端到端時(shí)延分成五個(gè)部分，分別為處理時(shí)延、PON MAC時(shí)延、發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、以及OLT二層轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，由于其他三個(gè)時(shí)延為系統(tǒng)固有時(shí)延，所以引起時(shí)延不確定性的為PON MAC時(shí)延和OLT二層轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

　　張佳瑋總結(jié)，常規(guī)PON在確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸方面遇到一系列挑戰(zhàn)：

　　傳統(tǒng)帶寬分配方案挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的帶寬分配機(jī)制本質(zhì)上基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用原理，滿足較低的平均時(shí)延，適合傳統(tǒng)通信類業(yè)務(wù)，但無法滿足具有低時(shí)延邊界需求的工業(yè)業(yè)務(wù)。

　　注冊和測距機(jī)制挑戰(zhàn)，OLT周期性開啟靜默窗口，用于新ONU的注冊和測距，開啟期間，已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中的ONU不能發(fā)數(shù)據(jù)，會(huì)引入較大時(shí)延。

　　隊(duì)列調(diào)度機(jī)制挑戰(zhàn)，OLT與ONU需要對進(jìn)入PON的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)，常規(guī)PON內(nèi)部的調(diào)度機(jī)制，基于優(yōu)先級的隊(duì)列映射，雖然一定程度上保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，但 OLT基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用原理，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)增大。

　　從MAC層視角看工業(yè)PON確定性傳輸五大關(guān)鍵技術(shù)

　　張佳瑋表示，從MAC層視角，現(xiàn)有工業(yè)PON中實(shí)現(xiàn)確定性傳輸有五大關(guān)鍵技術(shù)。

　　第一是協(xié)作式DBA技術(shù)。OLT通過協(xié)作傳輸接口與外部設(shè)備通信，提前進(jìn)行帶寬分配，從而減少“請求-授權(quán)”過程中產(chǎn)生的時(shí)延。

　　第二是單幀多突發(fā)技術(shù)。增加GPON上行幀中光突發(fā)的個(gè)數(shù)，降低時(shí)延。但是過多光突發(fā)會(huì)增加系統(tǒng)保護(hù)帶寬，從而造成整個(gè)PON系統(tǒng)吞吐下降，因此，在實(shí)際中需要結(jié)合業(yè)務(wù)場景設(shè)計(jì)合適帶寬分配算法，減少多突發(fā)情況下造成的系統(tǒng)開銷。

　　第三是對確定性帶寬分配算法的改進(jìn)，介紹了基于時(shí)間感知的確定性帶寬分配算法與基于循環(huán)傳輸窗口的確定性帶寬分配方案，通過設(shè)計(jì)周期性傳輸窗口，保證業(yè)務(wù)的確定性傳輸。

　　第四是網(wǎng)關(guān)的抖動(dòng)補(bǔ)償，在入口網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)控制，在出口網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)補(bǔ)償。

　　第五是基于網(wǎng)絡(luò)演算的建模與性能分析技術(shù)。根據(jù)業(yè)務(wù)流量特征，建立業(yè)務(wù)到達(dá)曲線模型α(t)，根據(jù)MAC調(diào)度策略，建立PON服務(wù)曲線模型β(t)，根據(jù)α(t) 和β(t) ，得到業(yè)務(wù)時(shí)延上界和系統(tǒng)緩存上界。“根據(jù)上界值，可以設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這提供了一個(gè)比較重要的意義。”張佳瑋強(qiáng)調(diào)。(邵鵬慧)