C114訊 6月21日消息（邵鵬慧）昨天下午，由CIOE中國光博會和C114通信網聯合舉辦的“2024中國光通信高質量發展論壇·工業PON技術研討會”順利召開。會上，北京郵電大學教授張佳瑋應邀作了題為《工業PON中確定性網絡傳輸技術研究》的主題演講。
張佳瑋表示，常規PON技術發展思路主要關注于如何提升網絡帶寬，然而面向工業互聯場景，工業PON需要具備更低的時延和更高的可靠性，才能為時延敏感業務流提供可預測和可保證的“傳輸通道”。張佳瑋指出，要實現重確定性傳輸，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；結合科研實踐，張佳瑋從MAC層視角，分享了他對于工業PON確定性傳輸五大關鍵技術的思考。
IT/OT融合承載：工業PON應用前景廣闊
張佳瑋表示，工業互聯網分為三個發展階段，第一階段僅包含工業控制網絡（OT）。主要針對工業控制系統內部，也就是工業I/O和控制器PLC之間的通信，需要極低的時延和抖動保障。
第二階段為工業信息網絡（IT），IT和OT兩張網絡獨立發展。隨著企業數字化轉型，以現代通信技術為基礎的工業信息網絡飛速發展，傳輸輔助工業生產的音視頻、文本數據，對帶寬的要求較高，此時互聯工業互聯網包含兩張網，一是工業控制網，二是工業信息網絡，在初始階段兩張網獨立演進。
第三階段，OT和IT兩張網呈現融合的發展趨勢。這種共網承載對于傳統通信網絡傳輸性能提出了更高的要求——在一張網絡下傳輸工業控制信息和工業數據信息，并且滿足各自業務的傳輸需求。
張佳瑋介紹，從通信方式講，工業互聯網的業務可以分成三類，一類為控制器到設備（C2D），流量特征為周期流、速率低、時延低抖動低。第二類為控制器到控制器（C2C），以等時流為主，速率低、抖動低。第三類業務為設備到計算機（D2Cmp），通常為傳統的通信類業務，主要用于輔助生產。以突發流和異步周期流為主，速率較高、時延較高。
在談到工業互聯網的典型組網技術時，張佳瑋表示TSN能夠實現較低的時延和抖動，但抗干擾能力、移動性能差，且速率不高；工業5G移動性較好，但抗干擾能力、時延抖動性較差；PON相比于其他組網技術，抗電磁干擾能力較強，為P2MP結構且傳輸能量大。
降低端到端時延：PON面臨三大技術挑戰
張佳瑋表示，確定性網絡傳輸能力是指通過業務調度和傳輸行為的控制，為時延敏感業務流提供可預測和可保證的“傳輸通道”，實現有界時延、抖動和丟包的能力。
張佳瑋指出，PON端到端時延分成五個部分，分別為處理時延、PON MAC時延、發送時延、傳播時延、以及OLT二層轉發時延，由于其他三個時延為系統固有時延，所以引起時延不確定性的為PON MAC時延和OLT二層轉發時延。
張佳瑋總結，常規PON在確定性網絡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上基于統計復用原理，滿足較低的平均時延，適合傳統通信類業務，但無法滿足具有低時延邊界需求的工業業務。
注冊和測距機制挑戰，OLT周期性開啟靜默窗口，用于新ONU的注冊和測距，開啟期間，已經存在于網絡中的ONU不能發數據，會引入較大時延。
隊列調度機制挑戰，OLT與ONU需要對進入PON的以太網數據幀進行處理轉發，常規PON內部的調度機制，基于優先級的隊列映射，雖然一定程度上保證業務的服務質量，但 OLT基于統計復用原理，在轉發過程中會導致抖動增大。
從MAC層視角看工業PON確定性傳輸五大關鍵技術
張佳瑋表示，從MAC層視角，現有工業PON中實現確定性傳輸有五大關鍵技術。
第一是協作式DBA技術。OLT通過協作傳輸接口與外部設備通信，提前進行帶寬分配，從而減少“請求-授權”過程中產生的時延。
第二是單幀多突發技術。增加GPON上行幀中光突發的個數，降低時延。但是過多光突發會增加系統保護帶寬，從而造成整個PON系統吞吐下降，因此，在實際中需要結合業務場景設計合適帶寬分配算法，減少多突發情況下造成的系統開銷。
第三是對確定性帶寬分配算法的改進，介紹了基于時間感知的確定性帶寬分配算法與基于循環傳輸窗口的確定性帶寬分配方案，通過設計周期性傳輸窗口，保證業務的確定性傳輸。
第四是網關的抖動補償，在入口網關實現抖動控制，在出口網關實現抖動補償。
第五是基于網絡演算的建模與性能分析技術。根據業務流量特征，建立業務到達曲線模型α(t)，根據MAC調度策略，建立PON服務曲線模型β(t)，根據α(t) 和β(t) ，得到業務時延上界和系統緩存上界。“根據上界值，可以設計通信網絡系統，這提供了一個比較重要的意義。”張佳瑋強調。
