工业PON建设的探讨.pdf

2023 年 7 月工业建设的探讨蔡勇袁唐五江（湖北邮电规划设计有限公司，湖北 武汉 430023）【摘要】为有效解决传统工业以太网交换机技术组网遇到的问题袁主要从工业无源光纤网络渊passive opticalnetwork,PON冤的技术优势尧组网方式和应用前景等方面进行详细描述袁提出工业 PON 的建设策略袁探讨工业PON 的未来发展趋势袁以期为相关设计或工程人员提供参考遥【关键词】工业 PON曰无源光纤网络曰千兆网络【中图分类号】TN929【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）07-0028-030 引言工业无源光纤网络（passive optical network,PON）采用的是 PON 技术，与传统以太网交换机技术相比，工业 PON 是一个全新、先进、融合、安全、可靠的全光网络。工业 PON 技术主要适用于工业领域中的应用场景，广泛应用于电力行业、工业智能制造、物联网等领域，为企业改造升级迈向智能制造奠定基础，从而助力企业实现智能化、信息化、数字化发展。1 工业 PON 的技术优势（1）工业 PON 的网络架构扁平，高带宽持续平滑演进。工业 PON 可以提供高达 10 Gbit/s 的传输速率，可满足现代工业应用对于大带宽的需求。工业PON 的网络架构是扁平化的，采取的是光线路终端（optical line terminal,OLT）+光 网 络单 元（opticalnetwork unit,ONU）二级设备组网，组网有弹性且易扩展，光分配网络（optical distribution network,ODN）部分是全程无源的，无须电源，可节省机房空间，节能环保。工业 PON 可以平滑升级，可由目前的 10 Gbit/sPON 向 50 Gbit/s PON 进行演进升级。（2）工业 PON 构建的全光网络可多维度打造安全可靠的网络连接。工业 PON 采用的传输介质主要是光纤，光纤不受电磁干扰，无辐射，环保节能，使用年限大于 25 年，可以实现长距离传输，从而提高了网络的可靠性和稳定性。工业 PON 中部署的 OLT 设备和 ONU 设备都是企业级或工业级的产品设计，防水、防尘、防雷性能好。工业 PON 的组网方式采用了3 种保护方式，即跨 OLT 的 Type B 保护，跨 OLT 的Type D 保护、跨 OLT 的手拉手保护和可实现 OLT 双上联组网保护，网络安全可靠1。（3）工业 PON 构建的全光网络不需要电源，降低了设备成本和运行成本，一张光网即可实现全业务场景覆盖，可覆盖企业厂房、办公楼、室外区域等区域，可承载宽带、语音、视频、安防监控、数据采集等业务需求。基于 PON 技术的工业 PON 解决方案，是支撑智能制造网络互联建设的最佳选择2。（4）工业 PON 可助力国家“双碳”战略。PON 技术的核心优势来自“全光”和“无源”两个基本技术底座，节能环保，可以助力国家“双碳”战略。（5）工业 PON 是构建企业全联接网络的基石。网络架构采用的是二级扁平架构，架构极简，全程ODN 无源，可支持全场景覆盖，全业务综合接入承载。工业 PON 的网络架构可视，能实现智能诊断，即插即用，自动配置，可实现智能运维。2 工业 PON 的组网方式工业 PON 构建的全光网络是一种采用一点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型。工业 PON 的网络架构主要是由OLT、ODN、ONU 3 个部分组成。工业 PON 采用双路光纤保护，工业级 ONU 设备可满足工业现场需求，一根光纤即可实现全业务承载，安装走线方便，抗干扰能力强，扩容方便。采用PON 技术打造的工业 PON，是智慧工厂的建设目标，光纤网络没有电磁干扰问题，实现了数据高可靠传输，满足了工业制造高质量传输数据的要求。工业 PON 构建的全光网络，相对于传统以太网交换机技术构建的网络，最大的区别体现在扁平化、高安全、全业务等 3 个方面。工业 PON 全光网络采用的是二级扁平化架构设计，可满足弹性的扩容需求。工业 PON 稳定性强，采用的是无源设备，组网简通信设计与应用282023 年 7 月单，通过光纤双路保护，双机备份，抗电磁干扰能力强，安全性高。工业 PON 能提供大带宽，支持全光纤组网、全业务承载，支持多业务接入，能满足工业制造企业的厂区生产控制、数据收集采取、行政办公等各类应用场景的需求，可以实现客户价值。工业 PON 技术构建的全光网络，可为工业制造企业提供千兆光网，帮助更多的制造企业实现数字化、智能化转型升级，推动数字强国建设，促进经济高质量发展。工业 PON 建设组网方式的特点主要体现在以下 4 个方面。（1）工业 PON 技术构建的全光网络，可支持多种设备并行接入，覆盖距离最远可达 20 km，网络结构是扁平化的，可集中配置和管理，网络部署简单、便捷、高效，能有效满足厂区车间生产所需承载的带宽需求。工业 PON 同时具备多种等级的保护倒换机制，可以在 PON 设备端口发生障碍和 ODN 网络发生故障导致网络中断时，快速进行主备链路倒换和业务恢复，保证工业制造场景下对于系统高稳定性和高可靠性的要求。ONU 设备能有效支持上下行最大 10 Gbit/s 的传输速率，未来还可以实现平滑升级，也具备向 50 Gbit/s 速率演进的能力，满足后期业务的带宽升级需求。（2）工业 PON 构建的全光网络组网方式主要采用二级分光的模式，其 OLT 可部署在企业/园区中心控制机房，弱电间只需部署无源分光器，从核心机房到楼宇楼层弱电间采用光纤进行连接。ONU 设备部署于生产工作区域，从弱电间到工作区域之间的水平布线采用单模光纤进行布线。同时，在网络部署时还支持自愈环形网络，采用光环路双保护的方式，切换时间短，可以保证稳定的传输时延，网络稳定性和安全性高。（3）工业 PON 构建的全光网络组网采用二级扁平化架构，主要包括核心层和接入层，减少了汇聚层。采用 OLT 和 ONU 设备，设备之间采用单模光纤进行无源连接，能满足边缘计算和网络切片的需求。通过 OLT 设备硬件架构和软件平台的边缘计算能力，工业生产线的数据计算处理能力可延伸到边缘侧，提升网络运行效率，有效降低传输时延。OLT 设备可以虚拟化为多个逻辑关系的 OLT 设备切片，切片之间在系统管理权限方面、网络资源分配方面都是相互独立的，相当于多台独立的物理设备，可以用于对工业企业中多种业务子网的融合承载，从而提升效能，创造更多价值。（4）工业 PON 构建的全光网络成本更低，从长远来看，对于接入点位大于 1 500 个的企业，采用工业 PON 组网的建设成本更低。工业 PON 设备的成本特点是随着接入设备数量增加，单点接入成本会逐渐减少。工业互联发展趋势是行业客户发展智慧化、信息化、数字化的过程中设备接入量不断增加。因此，采用工业 PON 构建的全光网络来整体统筹规划工厂的内网，不但可以提升网络性能和用网体验，而且从长期用网的角度来看，网络升级改造和设备扩容的成本会逐渐下降，边际效益提升更明显。3 工业 PON 的应用场景在工业自动化中，工业 PON 可以对各种传感器和执行器的高速数据进行采集和控制，从而实现智能化控制和提高生产效率。工业 PON 是一种基于光纤通信的高速数据传输网络，可以实现高稳定、高速度、高安全性的数据传输，适用于工业领域中的各种应用场景。因此，工业 PON 广泛应用于电力行业、工业智能制造、工业园区、矿山、物联网、智能交通等领域。工业 PON 的应用场景如下。（1）电力行业。工业 PON 可以用于配电自动化、电力监控、能源管理等领域，实现电网的全过程管控、实时监控和数据采集，促进电网智慧化、智能化发展。（2）工业智能制造。工业 PON 构建的全光网络采用光纤传输技术接入网。一般将 OLT 部署在中心控制机房，ONU 部署在工业车间现场。工业 PON 可以用于监控和管理生产过程，实现生产流程的自动化，也可用于监控和维护生产设备，实现设备的远程故障诊断。采用工业 PON 为工业制造企业独立组网，可承载企业生产、办公、安防等业务的数据传输，满足企业的新建网络和改造网络的需求。（3）工业园区。工业园区是一个集中了大量企业和工厂的区域，对于网络的建设要求非常高。工业PON 可以通过一条主干光缆连接多个光分配器，在光分配器处将光信号分配到多个用户终端上，从而实现高密度的网络覆盖。（4）矿山。矿山是一个特殊的工业环境，由于其地理位置的限制，传统的有线网络建设难以实现。而工业 PON 可以通过一条主干光缆连接多个光分配器，在光分配器处将光信号分配到多个工作面和办公区域，从而实现高效的网络覆盖。（5）智能交通。随着城市化进程的加快，交通系通信设计与应用292023 年 7 月统的智能化已经成为一个热门话题。工业 PON 可以通过一条主干光缆连接多个光分配器，在光分配器处将光信号分配到多个交通设备上，从而实现交通系统的智能化管理。4 工业 PON 全光网的建设策略工业 PON 采用的是 PON 技术，由此技术构建的网络是全光网络，主要用于工业制造场景。工业 PON的建设策略主要从以下 4 个方面进行考虑。（1）规划设计方面。在工业 PON 的建设过程中，规划设计是非常重要的一步3。首先需要确定工业区域的范围和用户数量；其次根据实际情况进行光缆敷设和光分配器的设置规模；最后根据实际应用场景选择合适的设备型号和配置。在规划设计阶段，工业 PON 的网络拓扑需要根据实际应用场景选择合适的架构，其网络拓扑架构主要有星型、树型、环型等，需要考虑到未来的扩展和升级，以便在后期进行网络扩容。（2）设备采购方面。工业 PON 的设备采购需要根据实际需求进行选择，考虑设备的性能、价格和维护成本等因素。在设备采购方面，可以选择国内或者国外厂商的产品，但需要考虑设备的兼容性和稳定性。（3）施工建设方面。工业 PON 的施工建设需要遵循相关的规范和标准，以确保网络建设的质量和安全。在施工建设过程中，需要注意光缆敷设的路径和标准，避免光缆的损坏。（4）运营维护方面。工业 PON 的运营维护需要定期进行检查和维护，以确保网络的稳定性和安全性。在运营维护方面，需要注意网络的监控和管理，及时处理故障和问题，保证网络的正常运行。5 工业 PON 全光网的未来发展趋势5.1 更高传输速率和更大带宽随着工业自动化和数字化转型的不断推进，工业应用对于高速率和大带宽的需求将会越来越大。因此，工业 PON 将会继续发展，以提供更高的传输速率和更大的带宽。随着云计算技术的发展，工业PON 将逐渐实现平台化，可以构建工业互联网平台，实现数据的集中管理和分析。5.2 实现智能化控制随着人工智能技术的不断发展，工业 PON 将会实现更加智能化的控制和优化，可以实现高速度、远距离的网络传输、多网融合，逐渐实现网络化、智能化控制。通过对于数据的采集和处理，工业 PON 可以实现自动化控制、自动优化网络配置、自动进行网络故障诊断和优化生产效率，从而促进工业领域的信息化、智能化、数字化发展。5.3 更高安全性随着工业网络的不断发展，安全性问题也越来越受到重视。因此，工业 PON 将会继续发展，提高其安全性和稳定性，从而保障工业网络的安全运行。工业 PON 已经得到了广泛应用。在全光网络的建设中，工业 PON 具有高速率和大带宽、节省成本、高可靠性等优势4。随着工业自动化和数字化转型的不断推进，工业 PON 将会继续发展，提供更高的传输速率和更大的带宽，实现更加智能化的控制和优化，并提高其安全性和稳定性，从而为工业互联网和数字化转型提供支持5。工业 PON 还可以与 5G 网络相结合，实现更快速度和更低延迟的数据传输。同时，工业 PON 技术也可以与物联网相结合，实现智能化的生产和管理。6 结语工业 PON 作为一种新型的全光纤接入网络，在工业领域中具有广泛的应用前景。工业 PON 将在未来的工业互联网发展中发挥越来越重要的作用，为工业自动化、数字化、智能化提供强有力的支撑。工业 PON 建设也将成为未来网络建设的重要组成部分，是未来工业全光网络建设的发展趋势。参考文献1 张宝富.全光网络M.北京：人民邮电出版社，2002：32-45援2 孙维平.FTTx 与 PON 系统工程设计与实例M.北京：人民邮电出版社，2013：48-64援3 万芬，余蕾，况璟.5G 时代的承载网M.北京：人民邮电出版社，2019：209-220援4 王岩，张猛，孙海欣，等.光传输与光接入技术M.北京：清华大学出版社，2018：72-90援5 王庆，胡卫，程博雅，等.光纤接入网规划设计手册M.2 版.北京：人民邮电出版社，2017：96-120援作者简介院蔡勇（1980），男，汉族，湖北钟祥人，硕士研究生，高级工程师，主要从事通信网络传输承载网、光接入网、传输线路、综合业务接入区的规划设计、工程项目管理及工程数字化等技术研究和创新工作。唐五江（1987），男，汉族，湖北襄阳人，本科，工程师，主要从事光接入网、传输线路、综合业务接入区的规划设计、工程项目管理及数字化等工作。通信设计与应用30