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光通信
2024/6/21 08:16

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)及應用

C114通信網(wǎng)  邵鵬慧

C114訊 6月21日消息(邵鵬慧)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(kāi)。會(huì )上,北京郵電大學(xué)教授張佳瑋應邀作了題為《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(chǎng)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)流提供可預測和可保證的“傳輸通道”。張佳瑋指出,要實(shí)現重確定性傳輸,就必須要解決PON在帶寬分配方案、注冊和測距機制以及隊列調度機制等三大挑戰;結合科研實(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)控制系統內部,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 )獨立發(fā)展。隨著(zhù)企業(yè)數字化轉型,以現代通信技術(shù)為基礎的工業(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、文本數據,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)獨立演進(jìn)。

第三階段,OT和IT兩張網(wǎng)呈現融合的發(fā)展趨勢。這種共網(wǎng)承載對于傳統通信網(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)數據信息,并且滿(mǎn)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(lèi),一類(lèi)為控制器到設備(C2D),流量特征為周期流、速率低、時(shí)延低抖動(dòng)低。第二類(lèi)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(lèi)業(yè)務(wù)為設備到計算機(D2Cmp),通常為傳統的通信類(lèi)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能夠實(shí)現較低的時(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,為P2MP結構且傳輸能量大。

降低端到端時(shí)延:PON面臨三大技術(shù)挑戰

張佳瑋表示,確定性網(wǎng)絡(luò )傳輸能力是指通過(guò)業(yè)務(wù)調度和傳輸行為的控制,為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)流提供可預測和可保證的“傳輸通道”,實(shí)現有界時(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二層轉發(fā)時(shí)延,由于其他三個(gè)時(shí)延為系統固有時(shí)延,所以引起時(shí)延不確定性的為PON MAC時(shí)延和OLT二層轉發(fā)時(shí)延。

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

傳統帶寬分配方案挑戰,傳統的帶寬分配機制本質(zhì)上基于統計復用原理,滿(mǎn)足較低的平均時(shí)延,適合傳統通信類(lèi)業(yè)務(wù),但無(wú)法滿(mǎn)足具有低時(shí)延邊界需求的工業(yè)業(yè)務(wù)。

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

隊列調度機制挑戰,OLT與ONU需要對進(jìn)入PON的以太網(wǎng)數據幀進(jìn)行處理轉發(fā),常規PON內部的調度機制,基于優(yōu)先級的隊列映射,雖然一定程度上保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,但 OLT基于統計復用原理,在轉發(fā)過(guò)程中會(huì )導致抖動(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,現有工業(yè)PON中實(shí)現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(guò)協(xié)作傳輸接口與外部設備通信,提前進(jìn)行帶寬分配,從而減少“請求-授權”過(guò)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,降低時(shí)延。但是過(guò)多光突發(fā)會(huì )增加系統保護帶寬,從而造成整個(gè)PON系統吞吐下降,因此,在實(shí)際中需要結合業(yè)務(wù)場(chǎng)景設計合適帶寬分配算法,減少多突發(fā)情況下造成的系統開(kāi)銷(xiāo)。

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(guò)設計周期性傳輸窗口,保證業(yè)務(wù)的確定性傳輸。

第四是網(wǎng)關(guān)的抖動(dòng)補償,在入口網(wǎng)關(guān)實(shí)現抖動(dòng)控制,在出口網(wǎng)關(guān)實(shí)現抖動(dòng)補償。

第五是基于網(wǎng)絡(luò )演算的建模與性能分析技術(shù)。根據業(yè)務(wù)流量特征,建立業(yè)務(wù)到達曲線(xiàn)模型α(t),根據MAC調度策略,建立PON服務(wù)曲線(xiàn)模型β(t),根據α(t) 和β(t) ,得到業(yè)務(wù)時(shí)延上界和系統緩存上界!案鶕辖缰,可以設計通信網(wǎng)絡(luò )系統,這提供了一個(gè)比較重要的意義!睆埣熏|強調。

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