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光通信
2024/6/21 08:16

北京邮电大学张佳玮:PON在工业互联网的关键技术及应用

C114通信网  邵鹏慧

C114讯 6月21日消息(邵鹏慧)昨天下午,由CIOE中国光博会和C114通信网联合举办的“2024中国光通信高质量发展论坛·工业PON技术研讨会”顺利召开。会上,北京邮电大学教授张佳玮应邀作了题为《工业PON中确定性网络传输技术研究》的主题演讲。

张佳玮表示,常规PON技术发展思路主要关注于如何提升网络带宽,然而面向工业互联场景,工业PON需要具备更低的时延和更高的可靠性,才能为时延敏感业务流提供可预测和可保证的“传输通道”。张佳玮指出,要实现重确定性传输,就必须要解决PON在带宽分配方案、注册和测距机制以及队列调度机制等三大挑战;结合科研实践,张佳玮从MAC层视角,分享了他对于工业PON确定性传输五大关键技术的思考。

IT/OT融合承载:工业PON应用前景广阔

张佳玮表示,工业互联网分为三个发展阶段,第一阶段仅包含工业控制网络(OT)。主要针对工业控制系统内部,也就是工业I/O和控制器PLC之间的通信,需要极低的时延和抖动保障。

第二阶段为工业信息网络(IT),IT和OT两张网络独立发展。随着企业数字化转型,以现代通信技术为基础的工业信息网络飞速发展,传输辅助工业生产的音视频、文本数据,对带宽的要求较高,此时互联工业互联网包含两张网,一是工业控制网,二是工业信息网络,在初始阶段两张网独立演进。

第三阶段,OT和IT两张网呈现融合的发展趋势。这种共网承载对于传统通信网络传输性能提出了更高的要求——在一张网络下传输工业控制信息和工业数据信息,并且满足各自业务的传输需求。

张佳玮介绍,从通信方式讲,工业互联网的业务可以分成三类,一类为控制器到设备(C2D),流量特征为周期流、速率低、时延低抖动低。第二类为控制器到控制器(C2C),以等时流为主,速率低、抖动低。第三类业务为设备到计算机(D2Cmp),通常为传统的通信类业务,主要用于辅助生产。以突发流和异步周期流为主,速率较高、时延较高。

在谈到工业互联网的典型组网技术时,张佳玮表示TSN能够实现较低的时延和抖动,但抗干扰能力、移动性能差,且速率不高;工业5G移动性较好,但抗干扰能力、时延抖动性较差;PON相比于其他组网技术,抗电磁干扰能力较强,为P2MP结构且传输能量大。

降低端到端时延:PON面临三大技术挑战

张佳玮表示,确定性网络传输能力是指通过业务调度和传输行为的控制,为时延敏感业务流提供可预测和可保证的“传输通道”,实现有界时延、抖动和丢包的能力。

张佳玮指出,PON端到端时延分成五个部分,分别为处理时延、PON MAC时延、发送时延、传播时延、以及OLT二层转发时延,由于其他三个时延为系统固有时延,所以引起时延不确定性的为PON MAC时延和OLT二层转发时延。

张佳玮总结,常规PON在确定性网络传输方面遇到一系列挑战:

传统带宽分配方案挑战,传统的带宽分配机制本质上基于统计复用原理,满足较低的平均时延,适合传统通信类业务,但无法满足具有低时延边界需求的工业业务。

注册和测距机制挑战,OLT周期性开启静默窗口,用于新ONU的注册和测距,开启期间,已经存在于网络中的ONU不能发数据,会引入较大时延。

队列调度机制挑战,OLT与ONU需要对进入PON的以太网数据帧进行处理转发,常规PON内部的调度机制,基于优先级的队列映射,虽然一定程度上保证业务的服务质量,但 OLT基于统计复用原理,在转发过程中会导致抖动增大。

从MAC层视角看工业PON确定性传输五大关键技术

张佳玮表示,从MAC层视角,现有工业PON中实现确定性传输有五大关键技术。

第一是协作式DBA技术。OLT通过协作传输接口与外部设备通信,提前进行带宽分配,从而减少“请求-授权”过程中产生的时延。

第二是单帧多突发技术。增加GPON上行帧中光突发的个数,降低时延。但是过多光突发会增加系统保护带宽,从而造成整个PON系统吞吐下降,因此,在实际中需要结合业务场景设计合适带宽分配算法,减少多突发情况下造成的系统开销。

第三是对确定性带宽分配算法的改进,介绍了基于时间感知的确定性带宽分配算法与基于循环传输窗口的确定性带宽分配方案,通过设计周期性传输窗口,保证业务的确定性传输。

第四是网关的抖动补偿,在入口网关实现抖动控制,在出口网关实现抖动补偿。

第五是基于网络演算的建模与性能分析技术。根据业务流量特征,建立业务到达曲线模型α(t),根据MAC调度策略,建立PON服务曲线模型β(t),根据α(t) 和β(t) ,得到业务时延上界和系统缓存上界。“根据上界值,可以设计通信网络系统,这提供了一个比较重要的意义。”张佳玮强调。

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