面向行業(yè)場(chǎng)景的SPN2.0技術(shù)特性和應(yīng)用方案研究

  十四五是我國(guó)重點(diǎn)行業(yè)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要階段，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展新應(yīng)用和新生態(tài)，電力、交通和鐵路等重點(diǎn)行業(yè)也將逐步實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)升級(jí)換代。工信部已發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》中，明確提出支持深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“確定性網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)部署”的行動(dòng)策略。發(fā)展高質(zhì)量的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)，需重點(diǎn)推進(jìn)三方面工作：一是企業(yè)內(nèi)網(wǎng)升級(jí)改造，推動(dòng)信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)控制（OT）網(wǎng)絡(luò)融合，建設(shè)多業(yè)務(wù)安全可靠承載的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)；二是開展企業(yè)外網(wǎng)建設(shè)，推動(dòng)基礎(chǔ)電信企業(yè)提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，探索云網(wǎng)/算網(wǎng)融合、確定性網(wǎng)絡(luò)、IPv6分段路由（SRv6）等新技術(shù)部署；三是在保障數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，推動(dòng)工業(yè)企業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等接入高質(zhì)量外網(wǎng)，并研究互聯(lián)互通新機(jī)制。

  為了不斷滿足典型行業(yè)場(chǎng)景的承載新需求，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合中國(guó)信通院和我國(guó)主流設(shè)備商持續(xù)推動(dòng)切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）面向行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展，正在電力、交通、煤礦、港口、醫(yī)療、工業(yè)園區(qū)等多個(gè)典型行業(yè)場(chǎng)景開展應(yīng)用方案實(shí)踐，并在2023年1月的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟全會(huì)上通過(guò)了《SPN網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)場(chǎng)景的需求及應(yīng)用研究報(bào)告》。

  典型行業(yè)場(chǎng)景的承載需求分析

  不同行業(yè)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)承載需求呈現(xiàn)多樣化和差異化的特性。以5G+工業(yè)互聯(lián)和智能電網(wǎng)的典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景為例，表1匯總了5G+超高清視頻、5G+遠(yuǎn)程控制、5G+云化AGV、5G+機(jī)器視覺、5G+無(wú)人機(jī)、5G+云端機(jī)器人、5G+AR和5G+VR等八大業(yè)務(wù)場(chǎng)景和電力業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力特性和指標(biāo)需求差異。

  總體來(lái)看，為了滿足不同行業(yè)差異化業(yè)務(wù)需求，承載網(wǎng)需具備以下特性：

  - 硬隔離切片能力：工業(yè)領(lǐng)域業(yè)務(wù)和場(chǎng)景復(fù)雜多樣，主要包括生產(chǎn)控制類、生產(chǎn)采集/檢測(cè)類和信息監(jiān)測(cè)管理類等業(yè)務(wù)；在多業(yè)務(wù)混傳和復(fù)雜業(yè)務(wù)流量流向場(chǎng)景下，需要提供生產(chǎn)類業(yè)務(wù)的端到端硬隔離切片保障。

  - 電信級(jí)高可靠性：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等行業(yè)的生產(chǎn)類業(yè)務(wù)均提出了99.999%及以上的高可靠性網(wǎng)絡(luò)需求，需提供端到端高可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)機(jī)制和電信級(jí)運(yùn)維能力。

  - 確定性承載能力：面向工業(yè)控制和工業(yè)監(jiān)測(cè)等典型場(chǎng)景的確定性需求，需重點(diǎn)研究如何構(gòu)建端到端確定性網(wǎng)絡(luò)，并推動(dòng)廣域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的確定性承載技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  - 靈活接入調(diào)度能力：工業(yè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)終端和業(yè)務(wù)類型復(fù)雜多樣，大量異構(gòu)終端的網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)通信需求存在差異；保障多樣異構(gòu)終端的大規(guī)模接入、協(xié)同運(yùn)行和靈活高效的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)成為承載網(wǎng)絡(luò)需具備的重要特性之一。

  - 多維業(yè)務(wù)感知能力：業(yè)務(wù)深度感知和新型ICT技術(shù)的應(yīng)用，將為工業(yè)用戶的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展提供有力的支撐。如何實(shí)現(xiàn)與新型ICT技術(shù)的深度融合將是通信網(wǎng)絡(luò)面臨的重要挑戰(zhàn)。

  - 智能化管控運(yùn)維能力：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的智能化、便捷化和開放性將大幅提升各類工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)行的效率和自主性，并縮短新業(yè)務(wù)部署的響應(yīng)時(shí)間，使能行業(yè)敏捷創(chuàng)新。

  SPN2.0的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展和技術(shù)特性

  與SPN1.0相比，SPN2.0在多業(yè)務(wù)綜合承載、云網(wǎng)/算網(wǎng)融合、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、智能管控運(yùn)維和低碳節(jié)能等能力方面均有顯著提升。通過(guò)引入支持N×10Mbps細(xì)粒度單元（FGU，F(xiàn)ine Granularity Unit）的新型幀結(jié)構(gòu)和交叉技術(shù)，擴(kuò)展了面向行業(yè)專線接入和工業(yè)園區(qū)應(yīng)用的10GE小型化接入SPN設(shè)備類型，并重點(diǎn)增強(qiáng)了面向5G+垂直行業(yè)、政企專線和云網(wǎng)/算網(wǎng)融合業(yè)務(wù)的綜合承載能力。

  面向行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的差異化承載需求，中國(guó)移動(dòng)自2019年中開始協(xié)同探索面向5G+垂直行業(yè)和政企客戶專線/專網(wǎng)需求的SPN小顆粒技術(shù)方案，統(tǒng)一確定了基于N×10Mbps帶寬的細(xì)粒度單元（FGU）方案，于2021年6月聯(lián)合發(fā)布了《SPN小顆粒技術(shù)白皮書》，2021年下半年完成了中國(guó)移動(dòng)相關(guān)企標(biāo)《切片分組網(wǎng)（SPN）細(xì)粒度切片技術(shù)要求》和《10GE接口細(xì)粒度切片技術(shù)要求》研制，2022年6月發(fā)布SPN2.0技術(shù)白皮書和專線產(chǎn)品，正在開展多廠家SPN2.0設(shè)備的全面評(píng)測(cè)和互通驗(yàn)證。目前，工信部已正式發(fā)布了三項(xiàng)SPN通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：YD/T 3826-2021《切片分組網(wǎng)（SPN）總體技術(shù)要求》、YD/T 3974-2021《5G網(wǎng)絡(luò)切片基于切片分組網(wǎng)（SPN）承載的端到端切片對(duì)接技術(shù)要求》和YD/T 4172-2022《切片分組網(wǎng)（SPN）設(shè)備技術(shù)要求》；完成了《切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）設(shè)備測(cè)試方法》等三項(xiàng)行標(biāo)報(bào)批，正在研制《切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）細(xì)粒度承載技術(shù)要求》和《切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）互通技術(shù)要求》等六項(xiàng)行標(biāo)。

  作為SPN切片通道層的關(guān)鍵技術(shù)，MTN（Metro Transport Network）技術(shù)已在ITU-T形成了一套體系化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)系列。截止到2023年1月，已發(fā)布了MTN架構(gòu)G.8310、MTN接口G.8312、MTN設(shè)備功能G.8321、MTN線性保護(hù)G.8331、MTN網(wǎng)絡(luò)管控G.8350五項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)G.sup.69一項(xiàng)技術(shù)報(bào)告，MTN同步標(biāo)準(zhǔn)將于2023年完成。在2022年9月的ITU-T SG15全會(huì)上，我國(guó)成員成功推動(dòng)立項(xiàng)細(xì)粒度MTN（G.fgMTN）標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著MTN擴(kuò)展細(xì)粒度子通道的核心架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)獲得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)可。

  SPN2.0在行業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用方案研究

  SPN2.0在行業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用定位分析

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)兩大類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。工業(yè)內(nèi)網(wǎng)主要是實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部連接生產(chǎn)、控制等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并提供企業(yè)日常運(yùn)行的信息化通信管理。工業(yè)內(nèi)網(wǎng)分為OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)兩部分。工業(yè)外網(wǎng)主要為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)控制的通信實(shí)體之間提供高可靠和低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)連接。我國(guó)基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)需向滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息通信網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)提供商發(fā)展，不僅提供網(wǎng)絡(luò)的可信安全、電信級(jí)高可靠性和確定性承載能力，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)泛在接入、靈活組網(wǎng)、可視化智能管控和SLA服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)格保障。

  SPN2.0在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用以工業(yè)外網(wǎng)為主，根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的需求差異，兼具解決煤炭、港口和工業(yè)園區(qū)等部分工業(yè)內(nèi)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。小型化接入SPN2.0設(shè)備可作為工業(yè)內(nèi)網(wǎng)的出口網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)的有效銜接，包括多業(yè)務(wù)安全隔離的綜合承載、端到端網(wǎng)絡(luò)切片互通和協(xié)同調(diào)度、不同行業(yè)切片的開放服務(wù)能力等。

  SPN2.0具備軟硬兼具和層次化的網(wǎng)絡(luò)切片能力。一是通過(guò)N×5Gbps和M×10Mbps兩層MTN通道提供類似SDH的VC-4和VC-12的TDM硬隔離通道的確定性承載能力；二是在N×5Gbps的MTN接口或通道內(nèi)通過(guò)分組統(tǒng)計(jì)復(fù)用、QoS隊(duì)列優(yōu)先級(jí)調(diào)度和SRv6、SR-TP、MPLS-TP等分組隧道實(shí)現(xiàn)軟隔離的高帶寬利用率、差異化承載和靈活調(diào)度，具體如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)控制、信息管理和互聯(lián)網(wǎng)接入等多業(yè)務(wù)類型的高安全隔離、高可靠統(tǒng)一承載和差異化SLA保障，是目前承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中最具綜合競(jìng)爭(zhēng)力、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈基本自主可控并具有長(zhǎng)期發(fā)展前景的新一代承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決方案。

SPN2.0在5G+智能電網(wǎng)和電力通信專網(wǎng)的應(yīng)用方案

  基于5G的電力行業(yè)虛擬專網(wǎng)具有“超低時(shí)延”“海量連接”和“超高帶寬”等特性，并且支持采用端到端的硬切片和軟切片，分別為電網(wǎng)不同分區(qū)業(yè)務(wù)提供物理資源、虛擬邏輯資源等不同層次的安全隔離能力，實(shí)現(xiàn)5G+MEC+切片的配網(wǎng)“三遙”、配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)、配網(wǎng)DTU、分布式能源、輸變電側(cè)智能巡檢等應(yīng)用落地，解決智能電網(wǎng)末梢的通信痛點(diǎn)。

  電力5G配網(wǎng)業(yè)務(wù)主要分為控制和采集兩大業(yè)務(wù)類型。電力網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)差異性大，安全等級(jí)要求各不相同，既有時(shí)延抖動(dòng)、高可靠性的差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，也有同步精度的配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)和大帶寬的視頻會(huì)議業(yè)務(wù)。SPN電力行業(yè)切片無(wú)線通過(guò)PRB資源預(yù)留，傳輸SPN通過(guò)MTN大顆粒 5Gbps或10Mbps小顆粒切片部署，UPF采用ToB UPF；電力主站和ToB UPF采用SPN的集客切片100Mbps帶寬分組VPN隔離專線來(lái)提供保證帶寬（見表2）。

  結(jié)合業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，南方電網(wǎng)某公司自2021年開始規(guī)劃部署基于SPN的新型電力通信網(wǎng)，滿足語(yǔ)音視頻局域網(wǎng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)、2M專線業(yè)務(wù)等綜合承載，具體組網(wǎng)方案如圖2所示，支持大帶寬組網(wǎng)、硬切片隔離、智能運(yùn)維以及10Mbps FGU技術(shù)。

應(yīng)用展望

  SPN作為我國(guó)運(yùn)營(yíng)商、科研機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商協(xié)同創(chuàng)新的新一代承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已成為我國(guó)主導(dǎo)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新并成功推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展的典范，不僅成為國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）認(rèn)可的新一代傳送網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，而且已在中國(guó)移動(dòng)5G承載網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)超34萬(wàn)端的規(guī)模部署。

  SPN2.0憑借其特有的TDM時(shí)分復(fù)用與分組統(tǒng)計(jì)復(fù)用深度融合創(chuàng)新技術(shù)優(yōu)勢(shì)，兼具確定性低時(shí)延、多粒度交叉、層次化切片和靈活智能感知等網(wǎng)絡(luò)能力優(yōu)勢(shì)，正在智能電網(wǎng)、智慧交通、智能礦山、智慧港口、智慧醫(yī)療和智能制造等典型行業(yè)場(chǎng)景規(guī)模應(yīng)用推廣，逐步成為新一代綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)桿。

  作者：中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所 李芳，趙俊峰