工业PON关键技术探析.pdf

第 期(总第 期)年 月山西电子技术研究与探讨收稿日期:作者简介:曹清源()男北京人助理工程师硕士研究方向:宽带接入通信作者:罗远源()男广西人高级工程师本科研究方向:宽带接入李 雯()女北京人高级工程师本科研究方向:宽带接入文章编号:()工业 关键技术探析曹清源 罗远源 李 雯 张 岳 李家京 李文华(北京电信规划设计院有限公司北京)摘 要:为了推动千兆宽带引入工业领域对工业 的基本原理进行了研究对工业 技术与传统以太网、工业以太网进行了对比针对低时延、网络高可靠、高安全等关键技术进行了探析为工业企业制造转型需求提供了技术参考关键词:工业 工业互联网低时延高可靠高安全中图分类号:文献标识码:(.):.:引言随着制造业规模的日趋壮大传统工厂网络性能、稳定性、业务支撑、通信协议等方面已面临掣肘工业互联网作为光通信新的发展空间作为网络强国与制造强国战略的重要抓手 年以来连续 年写入政府工作报告得到我国政府的高度重视工业级光网络是光通信融入工业互联网发展大潮的重要机遇 其中工业 技术采用先进的无源光纤通信技术具备大连接、大带宽低时延、低抖动高可靠、高安全灵活性和扩展性等多方面优势能够广泛应用于工业园区、工厂和现场和工厂自动化融合能搭建一张承载力强、业务部署灵活、成本相对优势的端到端网络在工业领域智能制造高质量发展中扮演着重要角色优质的网络属性是工业企业实现生产自动化和管理信息化的坚实基础对运营商来说如何应用、工业 等新一代通信技术解决工业的外网连接、工厂内网建设迫在眉睫 工业 基本原理.技术原理 即无源光网络是一种点到多点结构的无源光纤接入技术典型的 网络由光线路终端、光配线网 以及光网络单元 三部分构成 其中 主要负责提供外部网络与 之间的光接口利用各种手段来传递多样化的业务提供接口保护功能 负责完成 与 之间的信息传输和分发建立 与 之间的端到端的信息传送通道 是 中用户侧的基本单元其作用是提供用户与 之间的光接口和与用户侧的接口实现各种电信号的处理与维护管理.工业 技术原理工业 将 技术引入工业互联网替代以太网交换机技术通过 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 的集中最终通过 与企业 网络的对接同时在设备端采用工业级设备从而实现 年第 期曹清源等:工业 关键技术探析企业 和 融合组网进而完成工业数据的可靠有效传输为解决工业场景设备种类繁多接口和总线协议不统一设备间无法实现有效互通这一问题工业 在终端侧增加了如 口、等多种物理接口实现各类工业生产业务的接入同时使用工业现场协议转换和兼容技术把不同的网络和通信协议通过协议转换、数据转换、地址空间重映射等技术手段统一映射成为一个统一协议实现各种网络和协议之间的信息交互 为满足高可靠性网络的要求工业 提供了多种光纤保护倒换方式:主干光纤冗余保护、口主干光纤冗余的保护、全保护 目前最为常用的是 全保护倒换模式这种方式可以保证链路在发生任何故障后都能快速恢复为实现数据采集系统和工业协议转换的有效整合实现定制化的工业应用工业 的网关采用开放式的平台架构 业务功能容器化和 化按照业务功能将软件划分为多个业务 实现快速迭代和部署并且通过容器技术将业务软件和操作系统隔离提升系统的安全性 其中平台架构抽象为双系统:网络 系统、数据采集功能的容器系统 网络 系统实现工业 设备管理、维护各种网络服务协议支持实现路由器网关功能容器系统提供轻量级的虚拟化根据客户需求运行第三方工业应用程序一般基于 设备厂商成熟稳定的 系统平台可以实现 层面的所有网络业务功能并可以根据工业场景的应用需求进行网络功能定制和扩展为实现实时的网络性能感知、分析和设备管理工业 还配备了智能管理平台包含工业数据采集网关管理平台和工业 网络管理平台两部分工业数据采集网关管理平台面向工业互联场景开放统一的 接口集成各种行业应用和第三方软件为企业提供了一套围绕工业终端设备统一接入、海量数据采集分析、行业应用快速上线的整体解决方案 工业 网络管理平台支持 网络和 设备端到端数据采集可以对边缘网关网络数据、/网络数据进行采集分析支持故障根因分析和预测预测未来流量变化趋势、网络的故障和趋势等 为企业提供高体验、高质量的网络连接能力 工业 技术对比结合工业场景业务和技术特点的工业 能够为企业提供高速稳定的组网方案 下面将在传输原理、拓展性、可靠性与实时性 个方面对工业 与传统以太网交换机技术和工业以太网交换机技术进行对比.传输原理对比工业 网络采用时分和波分相结合的方式完成数据传输在下行方向 以时分复用的方式组帧采用点对多点的广播方式将以太网数据包发送给各 在上行方向 采用时分多址方式将信息传递给 同时上下行采用不同的波段实现了在单根光纤中同时传输上下行信息极大提高了系统的确定性和实时性传统以太网交换机技术主要采用.标准下的全双工交换式以太网技术交换机根据数据帧的 地址转发给相应的交换机端口需要两条通信线路才能实现全双工通信 因此部署工业 能够节省大量的光纤资源.拓展性对比工业 支持总线型、树形、星形、链型、环形等组网形式通过分光器形成点到多点的网络模式组网灵活拓展性强 当光缆路径上有新终端设备接入时可同其他终端并联在光纤上 但受光衰限制每根光纤接入终端数量超过 个时需要利用预留光纤构成新的链路传统以太网技术虽然也支持总线型、树形等组网形式但在组网过程中仅支持点到点直连灵活性较差工业以太网光缆路径上新终端设备可直接接入原有的环中每个环中接入终端数量超过 个时利用预留光纤形成新环 光缆路径周围有新的终端设备接入时可将现有环拆分成多个环或新构建一个环网实现新终端的接入因此比工业 拓展性更高.可靠性对比工业 采用三重搅动等加密方式对 和 间传输的信息进行加密同时 申请 授权的信息发送机制在一定程度上提高了网络的安全性 同时在冗余配置方面采用 保护倒换和“手拉手”式并联自愈网络能够通过热备份实现业务无缝衔接的同时有效应对多点失效问题 另一方面工业 的无源传输特性使其不受电磁干扰和雷电影响传统以太网交换机技术没有单独的数据加密方案工厂需要自行配置保护方案且采用串联型自愈网络在终端未进行工业级的优化抗干扰能力较差工业以太网中相邻的交换机通过一根光缆连接起来通过上联节点交换机接入骨干通信网形成环状拓扑为设备间的通信提供多条路径当某条路径故障时设备可切换至其它路径 但环形拓扑结构不能有效应对多点失效问题 工业 关键技术通过上述章节可看出工业 技术在与传统以太网和工业以太网的对比中在大连接带宽、低时延以及安全可靠等多方面具备优势能够广泛应用于工业园区、工厂和现场在企业生产中有更大的发展空间 为实现通过打造超大连接、超低时延、安全可信的工业 网络联接工业算网体系配合增强的安全可靠保障机制构筑工业互联网发展的坚实底座这一目标下面将对超低时延和网络高可靠、高安全关键技术进行探析.超低时延技术超低时延的工业 系统是一直以来的追求目标对于工业设备的接入及网络实时传输的可靠性等指标都有着至关重要的作用 目前工业 系统内使用动态带宽分配机制对网络带宽进行分配有效降低了网络时延 同时业界还在研究超低时延的工业 系统包括对时间敏感网络的研究解决低丢包、低时延等工业网络的需求.动态带宽分配技术 系统上行方向(到)与 相连的多个 共享 到 之间的光传输媒质和 的光电设备 控制每个 的上行接入时隙决定 的上行接入带宽 为保证给用户提供高质量业务的同时提升信道带宽的利用率需要进行上行接入控制包含静态带宽分配和动态带宽分配两种方式 而静态带宽分配的方式将非实时业务映射到固定的带宽信道中使得 无法动态分享 的上行带宽因此使用动态带宽分配技术 是指根据 突发的业务量需求在毫秒级、微秒级的时间内动态地调整上行接入带宽的机制 这种技术将会提升 上行带宽的有效使用率可在 上增加更多的终端用户终端用户也可享受到升级服务如获得超过传统固定带宽分配的最大带宽 此外 也将为 的割接提供更灵活的服务器级别协议.确定性时延网络时间敏感网络()是统一的确定性时延网络技术具备归一化承载目前各类时延敏感的工业总线协议的底层网络承载技术的能力 目前来说 由一系列技术标准构成是基于 .的 和优先级标准主要分为时间同步、数据流量调度策略以及 网络管控 个部分相关标准 在时间同步的基础上采基于.的门控、抢占和循环排队转发机制实现低延迟和高质量的工业数据传输 其中多队列帧抢占高优先级流量独占时间片的方式确保了高优先级业务的实时传输兼顾了低优先级业务的有效传输 此外 采用了基于 .标准的帧复制和消除机制数据包在冗余链路的开始处进行复制后在多条链路中同时传输接收端接收到数据包进行检测并消除冗余这种机制可以有效应对网络中单点失效的问题且故障时不需要进行链路的切换但无法有效应对网络中的多点失效问题 而工业 能有效应对多点失效问题未来通过在 机制等方面进行针对性优化实现 功能的整合能够在保证可靠性的同时进一步实现超低时延的目标.网络高可靠、高安全技术工业生产对网络的安全性和可靠性都有着严格的要求工业 网络通过完善的倒换保护机制保证了网络的高可靠性同时采用流氓 检测隔离机制保证了网络的正常运行防止恶意干扰的发生 未来通过更加完善的 接入安全机制和安全加密算法的运用 网络的安全将会得到更稳固的保障.保护倒换机制 具有节省光缆资源、带宽资源共享、无电磁干扰等优点但主干光纤一旦出现故障将导致连接在其上的 同时出现业务中断除此之外也存在连接主干光纤的光模块以及端口等出故障的可能性因此需要一种高效可靠的保护倒换方案 保护倒换由工作端口和保护端口组成正常工作状态下前者承载业务正常工作后者静默当工作端口所在的链路发生故障时例如检测到 口光信号异常、单板离线等告警后系统会触发保护倒换自动将业务切换到保护端口快速恢复业务保证正常运行工业 使用的保护类型是对应于骨干链路保护的 型全链路保护保护范围是从 的 端口到 的 端口之间的全部保护其每个 上配置两个 口和 地址主用链路中 的 等任何一个部位发生故障都会自动切换到备用链路中且主用 的业务信(下转第 页)山 西 电 子 技 术 年第 期度低、通用互换性差等缺点 软件补偿方法是利用微处理器采集压力信号、温度信号采用数字信号处理技术对温度漂移产生的误差进行补偿得到高精度的压力信号本设计采用软件算法温度补偿 支持对传感器的零点灵敏度的最高二阶温度漂移校准以及最高三阶的非线性校准校准精度理论上可以达到.以内 校准算法为拟合校准取 个温度点 、和 在每个温度点采集 个压力值 计算出校准系数并存储在 中 压力变送器的测试本压力变送器工作温度范围为 分别在 温度点测试在每个温度点上分别给定 个压力点(.)每个压力点上分别记录输出的电流值这是正行程接着进行反行程测试 正行程、反行程循环测试 次 用端距法计算出压力变送器准确度为.优于准确度.结束语本文设计了石化厂水网管线过程参数在线监测系统中的压力变送器压力变送器所有元器件都采用了国产化元器件自主可控真正意义上实现了高精度压力变送器国产化替代 压力变送器输出的 电流信号经过 汇聚后通过工业以太网上传到控制室进行压力参数的集中显示实现参数超越报警 整个系统实现石化厂水网管线过程参数的实时在线监测具有一定的实用和推广价值参考文献 李小龙孙飞.兼容性 在水利信息化中的应用.水利水电快报():.苏州纳 芯微电子股份有限公司:.庄奕琪.电子设计可靠性工程.西安:西安电子科技大学出版社.孙克吕艳张东旭.压力传感器及其应用.仪表技术与传感器():.张倩.压阻式压力传感器测量系统的研究.上海:东华大学.(上接第 页)息会实时备份到备用 中实现无缝衔接.流氓 检测隔离机制由于某个 工作异常、攻击者通过 进行更换或重新编程不依据 下发的授权时隙进行数据上传或不依据 分配的逻辑通道 发送上行数据 这种影响其他 正常工作导致上行时隙的重叠或者逻辑通道冲突引起 产生误码甚至业务中断的现象称为流氓 可通过流氓 检测隔离机制进行预防和处理该机制可分为检测、定位和隔离 个步骤检测即通过技术手段对异常工作的 进行识别 对于连续长发光型流氓 和瞬间长发光型 口会出现误码、上行突发丢失、掉线等告警可通过 口告警或定期在非授权时隙检测等方式进行异常识别 对于逻辑通道非法抢占情况一般为逻辑通道业务异常或告警辨识上会困难一些定位即检测出异常后对故障 进行定位对于连续长发光型的流氓 可通过 对 顺序下发关光指令或顺序物理断开 后根据系统异常状态变化的方式进行定位 对于瞬间长发光型的流氓 可以从 列表中出现告警的 位置统计信息得到流氓 及受影响 清单再通过和连续长发光型的流氓 类似的方式进行定位 对于逻辑通道非法抢占的情况可通过检测 上线时间结合逻辑通道相关业务异常时间得到清单通过类似方式进行最终定位最后针对定位出的流氓 可远程发送下线指令或采用人工关电来进行隔离 对于非法抢占逻辑通道的流氓 也可以采用逻辑通道编号和 认证信息绑定的方式进行防护 上行的非法逻辑通道的业务无法匹配绑定清单中的条目会对该业务进行忽略 结束语本文针对工业 的基本原理、优劣势以及未来发展方向进行了浅析针对工业制造转型升级需求助力打造工业 新版本为工业企业提供更高质量、更加可靠的通信网络实现改进行业生产质量、提升行业全流程生产效率、提高全产业链协作效能的战略目标山 西 电 子 技 术 年第 期