全光网络未来发展（工业互联网之工业光网PON）

1. 技术背景

工业 PON 系统由局端 OLT(光线路终端)、用户端 ONU(光网络单元)、连接局端和用户端设备的 ODN(光分配网络)组成，具体架构可见下图 10，采用单纤双向、点到多点的网络结构。下行方向（OLT 到ONU）为广播选收，上行方向（ONU 到 OLT）采用时分多址接入（TDMA）方式对各 ONU 的数据发送进行调度。ODN 由光纤和一个或者多个无源光分路器等无源光器件组成，在 OLT 和 ONU 之间采用光纤连接。

工业 PON 系统参考架构

相较于传统铜缆以太网技术，PON 技术具有以下优点：通过无源器件组网，受电磁干扰和雷电影响较小；采用自愈形网络支持并联，切换时间短、抵抗失效能力强；点到多点传输架构，终端并行接入，部署灵活；仅需单根光纤传输，最远可覆盖 20 公里范围。在工业 PON 系统中，除具有传统 PON 系统的功能外，接入网关（ONU）还可以作为开放平台，配置多种嵌入式数据采集功能，包括OPC 数据采集、数据处理等，支持网关与 PLC、生产管理系统、生产装备的通信。同时，ONU 支持集成开源或者客户定制化的工业应用，进行个性化工业数据采集和转换处理，并与工业云平台进行交互。在部署工业 PON 系统时，OLT 设备提供集中化的数据处理、交换和控制功能。ONU 设备处于终端侧，可以提供以太网 RJ45、Wi-Fi 等多种常规网络用户侧接口，以及 RS485/RS232、CAN 等多种工业类型的业务接口。ONU 设备采集的工业生产数据经过 ODN 网络汇聚到 OLT设备侧，由 OLT 设备北向接口传输给企业信息网络的上层实体（如云平台服务器、MES 系统等），以实现数据采集、生产指令下达等功能。

2. 在工业互联网网络体系架构中的位置

工业 PON 在工业互联网网络体系架构中的位置

工业 PON 在工业互联网网络体系架构中的位置见上图，参考工业互联网产业联盟发布的《工业互联网体系架构（版本 2.0）》白皮书和《工业 PON2.0》白皮书。工业 PON 技术在工业互联网体系架 构中主要应用在工业生产网络中的车间级网络位置。即通过工业级接入网关（ONU）设备实现光网络到设备层的连接，通过光分配网络实现工业设备数据、生产数据等到汇聚网关（OLT）的集中，最终通过汇聚网关（OLT）与企业 IT 网络的对接，从而实现企业 OT 和 IT融合组网及工业数据的可靠有效传输。此外，工业 PON 也可应用在 工厂级网络的企业办公网中，用于承载企业的管理信息数据，并按需将数据上传至工业网络的骨干节点。

3. 针对工业网络需求的相关技术应用

1）低时延技术

工业PON系统下行采用广播选收机制，可以保证稳定的传输时延，一般可达100μs量级；上行方向的TDMA机制经过优化以后，也可达到200μs量级的时延能力；未来通过进一步的传输机制优化，将具备更低时延的性能。

2） 数据安全机制

工业PON的ONU终端接入需要网管系统进行统一认证注册，避免了仿冒终端接入的安全隐患；数据传输支持多种加密算法（国密、AES等），具备成熟可靠的网络传输安全传输机制。

3） 网络切片

工业PON具备网络切片能力，一台物理OLT设备可以虚拟化为多个逻辑OLT设备切片，每个切片之间的网络资源分配、系统管理权限相互独立，在用户角度来看等同于多立的物理设备，这种网络切片可以用于对工业企业多种业务子网的融合承载。

4） 边缘计算

工业PON设备可支持基于通用硬件架构和软件平台的边缘计算能力，将工业产线的数据计算处理能力转移到边缘侧，并通过结合特有的深度学习算法，在边缘测进行模型推理，可有效降低传输时延。针对一些机器视觉类业务，还可以降低视频类数据传输带宽，提升计算效率。

5 开放平台技术

工业PON提供开放的软硬件平台架构，通过容器和应用分离技术赋能多厂商协同实现工业协议转换，实现工业现场协议转换功能，完成异构通信协议到统一协议的映射。工业PON ONU设备开放平台的架构下图。

ONU 侧开放平台的架构

接入网关(ONU)软件由平台软件和应用软件组成。平台软件支持容器功能和应用软件管理功能。平台容器提供软件支撑环境，应用软件（插件）实现协议转换及其它工业数据处理及分析功能，支持多个厂家协同实现特定协议到统一协议的转换或多种协议互转。开放软件平台基于容器技术为第三方应用提供运行空间和所需的运行资源，并提供统一的 API 接口，屏蔽不同硬件的差异，保证第三方应用的跨硬件可用性。

4. 为用户实现的价值

1)满足车间级应用的带宽承载需求

工业PON网络中的ONU设备支持上下行最大10Gbit/s的传输速率可满足车间级应用的多业务承载；未来还具备向50Gbit/s速率演进的能力。

2)支持复杂的工业场景应用

工业PON网络采用无源器件组网，不会受到电磁干扰和雷电影响；网络部署时支持采用自愈环形网络部署，切换时间短、抵抗失效能力强。

3)网络部署便捷

采用点到多点传输架构，支持终端设备并行接入，最远可覆盖20公里范围，并且工业PON采用的预置连接头、光电混合缆等技术使施工现场无需熔纤，布线和施工简便快捷。此外工业PON具有无源光网络的设备特点，光分配网络无需取电，降低了网络的部署难度和要求。

4)提供网络保障策略

为保障工业生产网络安全可靠，工业PON技术具备多种等级的保护倒换方案，可以在一路ODN网络或者PON设备端口发生故障导致网络中断时，快速进行主备链路切换和业务恢复，保证工业场景对于系统高可靠性的要求。