确定性PON网络，赋能行业数字化转型

        国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确提出要加快数字化发展，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。无处不达的网络连接是数字化转型的基石，而工业PON（Passive Optical Network）全光网成为行业数字化转型网络底座新选择。随着PON无源全光网向千行百业应用延伸，进入企业生产领域。当前PON网络“尽力而为”的传输模式难以支撑企业业务对差异化服务的需求。

        在智能制造、智慧港口、智能电网、智慧矿山等行业应用场景，确定性的时延、抖动、可靠性等网络需求大量出现，如高清实时视频流与工业机器控制。传统采用“尽力而为”的数据转发方式，网络中会存在大量的微突发现象，进而导致不确定的数据分组时延或网络拥塞等问题，无法实现对传送时延和抖动的准确控制。

        确定性PON网络从狭义的角度，重点关注时延、抖动、丢包率三个关键指标，满足更高的时延、抖动、丢包率指标要求；从广义的角度，还关注带宽、切片、管理等增强能力，打造可预期、可规划、可验证、有确定性能力的PON行业专网，提供差异化和确定性的业务体验。

低时延、低抖动、零丢包

        传统的PON网络是一种点到多点结构的无源光网络，上行采用TDMA（时分复用）方式，同一时刻只允许一个ONU（Optical Network Unit）向OLT（Optical Line Terminal）发送数据，避免上行数据冲突，通过DBA（动态带宽分配）技术对PON拥塞进行实时监控，实现动态带宽调整。所以，传统的PON网络的上行时延为毫秒级，上行抖动为百微秒级。

        确定性PON网络采用FBA（固定带宽分配）、上行突发单帧多burst、关闭开窗机制来实现低时延、低抖动、零丢包的网络传输。FBA技术可以消除DBA机制中带宽申请和下发过程时延。上行突发单帧多burst技术可以减少ONU轮询时延，上行突发burst单帧可以配置为2个、4个或8个burst。关闭开窗机制技术可以消除ONU发现、注册、测距过程时延。综合以上技术可以实现PON网络的上行时延低于100µs、上行抖动低于30µs、网络零丢包。

确定性时延、超低抖动、零丢包

        工业生产网络的通信模式主要涉及确定性周期通信、确定性非周期通信、非确定性通信和混合模式四大类。除了非确定性通信以外的其他三类通信模式对指令的时延和抖动均有严格要求，如果无法在确定性时间完成指令的下发和执行，可能造成产品良率及生产效率下降。

        确定性PON网络采用业务流打时间戳和基于固定时延调度机制来实现PON端到端确定性时延、超低抖动、零丢包的网络传输。如图1所示，对于两个ONU之间的东西向网络传输：首先，确定性业务在PON网络设备的入口，即入ONU用户接口处被识别出来并打上时间戳信息；其次，系统根据确定性业务在PON网络两个ONU之间传输的固定时间要求，计算出业务报文在出ONU用户接口发送的时间；最后，系统严格按照计算时间进行报文调度和业务包发送，保证确定性业务报文的入到出时间维持在一个恒定值。对于ONU和OLT上联之间的南北向网络传输：首先，确定性业务在PON网络设备的入口，即入ONU用户接口处或OLT上联口处被识别出来并打上时间戳信息；其次，系统根据确定性业务在PON网络ONU和OLT上联口之间传输的固定时间要求，计算出业务报文在出OLT上联口或ONU用户接口发送的时间；最后，系统严格按照计算时间进行报文调度和业务包发送，保证确定性业务报文的入到出时间维持在一个恒定值。

        基于业务流打时间戳和基于固定时延调度机制的确定性PON网络，可以保障业务在PON网络中传输的确定性时延、零抖动或纳秒级低抖动、零丢包，满足工业生产网络严格的通信质量和通信精度要求。

图1   PON端到端确定性调度机制

PON网络切片、差异化服务

        PON网络在企业园区需要面向企业办公、园区安防、生产制造等多种应用场景的融合。确定性PON网络采用网络切片技术动态实现PON网络业务承载的“微服务”，即细分确定性PON网络的性能，从而按照不同的应用场景，在同一张物理PON全光网络上划分为多个互相独立的逻辑网络。不同应用场景下的业务由不同性能的网络切片传输，既能保证不同业务的差异化网络服务，又能保证在某个切片中的流量发生异常或突发等状况下不影响到其他关键数据流的性能。基于网络切片的确定性PON网络差异化服务方案如图2所示。

图2   PON网络切片机制

        确定性PON网络切片按照不同应用场景需求可以分别选择管理级切片、设备级切片、业务级切片。PON网络管理级切片共享全光网络设备，转发面不进行隔离，通过分配VLAN划分业务，VLAN标识在切片间共享，每个切片有独立的管控平台接口，管理各自终端的业务；管理级切片主要满足不同应用场景网络管理隔离的需求。PON网络设备级切片共享全光网络设备，有独立的逻辑端口、转发表，支持基于切片的业务独立管理和独立运维；设备级切片主要满足不同应用场景业务管理隔离的需求。PON网络业务级切片共享全光网络设备，转发面隔离，业务差异化转发保障，业务流管控闭环独立管理运维；业务级切片主要满足不同应用场景业务转发隔离的需求。

        行业数字化转型不断加速，PON网络作为信息通信领域的基础设施，在复杂场景下对综合承载的各类业务实现差异化质量保证，已经成为其发展的必然方向。未来，确定性PON网络将在先进制造、医疗服务、能源交通等领域展现出生命力，助力和加速行业企业数字化、网络化、智能化升级。