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1、 SPNSPN 网络在工业场景网络在工业场景 的需求及应用的需求及应用研究报告研究报告 工业互联网产业联盟(工业互联网产业联盟(AII)2023 年年 6 6 月月 声声 明明 本报告所载的材料和信息,包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议,不构成法律建议,也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有(注明是引自其他方的内容除外),并受法律保护。如需转载,需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可,任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用,不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播,不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表
2、。违反上述声明者,本联盟将追究其相关法律责任。工业互联网产业联盟 联系电话: 邮箱: 前前 言言 面向工业场景的八大典型应用场景,工业内网和工业外网的高质量承载和异构网络互连互通发展需求,如何提供一个安全、可靠、高效、灵活、智能和可演进的行业专用承载网络,已成为业界新技术创新、标准研发和现网应用探索的重点领域。SPN(Slicing Packet Network,切片分组网)是中国移动、中国信通院、华为、中兴和烽火等联合创新开发的 5G承载网络技术,已成为我国主导承载网络技术创新并推动产业化的典范,在 5G 传送网技术标准上处于国际领先地位,不仅在中国移动 5G 承载网
3、络上实现超 30 万端的规模部署应用,并已成为国际电信联盟 ITU-T 认可的新一代传送网国际标准技术体系。SPN 凭借其特有的 TDM 时隙复用与分组统计复用深度融合的技术架构,具备低时延、大带宽、超高精度同步、灵活管控等技术优势,同时兼容以太网生态链,具有低成本和易部署等特点。面向工业互联网应用场景,SPN 不断增强了 N5Gbps 和 M10Mbps 两级硬隔离切片承载、分组层灵活接入调度、确定性低时延和抖动、高精准差异化 SLA 保障、基于 SRv6 的算网融合感知和多域融合组网能力等技术创新和产业化能力。本研究报告分析了工业互联网典型场景的承载需求、SPN 网络能力特性、技术标准和产
4、业化进展,并结合 SPN在 5G+智能电网、智慧交通和智能矿山等典型的工业场景的应用案例,总结提出 SPN 在工业互联网的应用定位是以工业外网的 5G+行业虚拟专网和重点行业自建专网为主,并兼具解决智能电力、智慧交通、智能矿井、智慧港口、智慧医疗和智慧救援、智能工业制造和智慧工厂等需要多业务高安全隔离和高可靠承载的部分工业内网场景。SPN承载网络支持网络切片定制化、电信级高可靠性、确定性承载、灵活接入调度、多维业务感知和智能管控运维等特性,将成为工业场景下新一代综合业务承载网络的标杆。牵头编写单位:中国信息通信研究院 参与编写单位:中兴通讯华为技术中国移动研究院中国信息通信科技集团公司中国移动
5、通信集团江苏有限公司国网江苏省电力有限公司中国南方电网公司国家电网山东省电力公司广州市急救医疗指挥中心中煤科工集团常州研究院有限公司陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿 工业互联网产业联盟公众号 编写组成员(排名不分先后):李芳、赵俊峰、陈捷、刘爱华、周文端、廖国庆、李日欣、韩柳燕、叶雯、柳光全、韩震、胡飞飞、张浩、林建权、刘晓明 王文帝、孟玮,李海川 目目 录录 一、5G+工业互联网对网络的需求和挑战.5 1.1 5G+工业互联网的数智化发展趋势.5 1.2 5G+工业互联网典型场景的业务需求分析.7 1.3 5G+工业互联网对承载网络能力的挑战.13 二、SPN 技术体系架构和网络能力特性.1
6、5 2.1 我国自主创新的 SPN 技术体系架构.15 2.2 切片通道层的硬隔离切片转发能力.18 2.3 切片分组层的软切片分组转发能力.21 2.4 切片传输层的高速大容量传输能力.23 2.5 基于 SDN 架构的智能管控运维能力.25 2.6 SPN2.0 新增功能和性能特性总结.28 2.7 SPN 网络能力满足 5G+工业互联网的需求总结.31 三、SPN 国际国内标准和产业化应用进展.35 3.1 FlexE:兼容以太网的灵活以太网接口标准.35 3.2 SPN:我国自主创新的 5G 传送网技术标准.37 3.3 MTN:ITU-T 的新一代 5G 传送网标准体系.39 3.4
7、 SR-TP:IETF 的分段路由转发技术标准创新.42 3.5 SPN 全产业链的规模化商用和健壮性发展分析.44 3.6 支撑工业场景应用需求的 SPN 产业化进展.47 四、SPN 在工业场景的定位和案例分析.49 4.1 SPN 在工业场景的应用定位分析.49 4.1.1 工业互联网对网络的需求场景分析.49 4.1.2 SPN 在工业互联网的应用定位分析.50 4.2 智能电网场景.52 4.2.1 5G+智能电网场景.52 4.2.2 电力通信专网场景.55 4.3 智慧交通场景.60 4.4 智能矿井场景.63 4.5 智慧港口场景.65 4.6 智慧医疗场景.66 4.6.1
8、智慧医疗专网场景.66 4.6.2 智慧医疗救援场景.69 4.7 智能工业制造场景.72 4.7.1 工程机械制造的智能化转型场景.72 4.7.2 冶金企业的智能工厂升级改造场景.74 4.8 SPN 在工业场景应用方案小结.76 五、SPN 在工业场景的应用展望.77 附录 A SPN 的行业应用案例.79 A.1 电力行业的 SPN 应用案例.79 A.1.1 江苏电力配网业务应用案例.79 A.1.2 浙江杭州 5G 电力虚拟专网应用案例.81 A.1.3 云南曲靖电力的 SPN 工程应用案例.82 A.1.4 山东电力的 SPN 试点应用案例.83 A.2 交通行业的 SPN 应用
9、案例.85 A.2.1 SPN 在地铁传输网中的应用案例.85 A.2.1 SPN 在高速公路中的应用案例.87 A.3 煤矿行业的 SPN 应用案例.88 A.3.1 陕西某煤矿的 SPN 骨干环网应用案例.88 A.3.2 山东某矿井的一张 SPN 环网应用案例.91 A.4 智慧港口的 SPN 应用案例.92 A.4.1 浙江宁波港的 SPN 应用案例.92 A.4.1 厦门远海码头的 SPN 应用案例.94 A.5 智慧医疗救援的 SPN 应用案例.94 A.5.1 郑州 5G 智慧医疗专网的 SPN 应用案例.94 A.5.2 广州 120 的 5G+SPN 专网医学救援应用案例.9
10、6 A.6 制造行业的 SPN 应用案例.98 A.6.1 武汉某企业集团的 5G+SPN 专网的智能制造应用案例.98 A.6.2 内蒙古某铁合金企业的 5G+SPN 智慧工厂应用案例.101 参考文献.105 5 一、一、5G+5G+工业互联网对网络的需求和挑战工业互联网对网络的需求和挑战 1.1 5G+工业互联网的数智化发展趋势工业互联网的数智化发展趋势 2020 年 12 月 22 日,工信部印发 工业互联网创新发展行动计划(2021-2023 年),明确将开展网络体系强基行动明确将开展网络体系强基行动、标识解析增强行动、平台体系壮大行动、数据汇聚赋能行动、新型模式培育行动、融通应用深
11、化行动、关键标准建设行动、技术能力提升行动、产业协同发展行动、安全保障强化行动、开放合作深化行动等 11 项重点任务。名列首位的网络体系强基行动名列首位的网络体系强基行动包括包括加快工业设备网络化改造、推进企业内网升级、开展企业外网建设、深化“5G+工业互联网”和构建工业互联网网络地图等五项重点工作,并重点推动专栏 1 工业互联网网络互联互通工程,要求到 2023 年,打造 50 个企业内网改造建设标杆,高质量外网基本覆盖所有规模以上工业企业,建成 8 个“5G+工业互联网”公共服务平台。发展工业互联网的高质量网络发展工业互联网的高质量网络,需重点推进三方面工作需重点推进三方面工作:一是推进企
12、一是推进企业内网升级业内网升级,支持工业企业运用新型网络技术和先进适用技术改造建设企业内网,探索在既有系统上叠加部署新网络和新系统,推动信息技术(IT)网络与生产控制(OT)网络融合,建设工业互联网的园区网络。二是开二是开展展企业外网建设企业外网建设,推动基础电信企业提供高性能推动基础电信企业提供高性能、高可靠高可靠、高灵活高灵活、高安全的高安全的网络服务网络服务。探索云网融合探索云网融合、确定性网络确定性网络、IPv6 分段路由分段路由(SRv6)等新技术等新技术部署部署。三是在保障数据安全和网络安全的前提下三是在保障数据安全和网络安全的前提下,推动工业企业推动工业企业、工业互联工业互联网平
13、台网平台、标识解析节点标识解析节点、安全设施等接入高质量外网安全设施等接入高质量外网,探索建设工业互联网交换中心,研究互联互通新机制研究互联互通新机制。十四五时期是我国重点行业从信息化、自动化阶段向数字化和智能化 6 转型的重要阶段,在国内国际双循环的新发展格局下,工业互联网将持续创新发展新模式和新业态,不断从单一场景向多场景协同赋能发展,加速产业生态培育和规模应用推广。5G 赋能千行百业,推动行业数字化转型,已成为驱动工业互联网企业内网和外网协同发展的重要因素。2021 年 12 月 23日,工信部部长肖亚庆表示,2022 年将着重抓好扩大“5G+工业互联网”应用、激活数据潜能、提升企业数字
14、技术应用能力三项工作。稳妥有序开展 5G和千兆光网建设,加快 5G 行业虚拟专网规模化建设,打牢数字化转型的网络设施基础,聚焦制造、矿山、电力等重点行业,深度挖掘“5G+工业互联网”典型应用场景。为推动“5G+工业互联网”规模应用,高安全高可靠的多业务统一承载、云网边端多维协同、确定性网络技术、IPv6+应用推广和行业虚拟专网开放服务能力已成为亟需开展网络技术创新和产业协同应用发展的焦点问题。(一一)高安全高可靠的多业务统一承载高安全高可靠的多业务统一承载。工业生产制造和电力、天然气等能源供应是国家持续健壮发展的安全命脉,数据安全和网络安全已被公认为工业互联网必须要重点解决的核心能力之一,IT
15、 和 OT 融合以及行业云服务的发展必然带来局域网和广域网的多业务统一承载需求,因此实现高安全、高可靠的电信级多业务承载,已成为工业互联网的工业内网和工业外网实现高质量发展的必然趋势。(二二)云网边端多维协同云网边端多维协同。工业数据作为新的生产要素资源,成为驱动工业互联网创新发展的主引擎。专门面向工业互联网的大数据中心建设步伐将在 2022 年进一步加快,尤其是行业大数据分中心和区域级工业互联网大数据分中心,解决数据“孤岛”问题,汇聚工业数据,支撑产业监测分析,赋能企业创新发展,提升行业安全运行水平。海量工业数据的高效处理和衍生的各类行业应用新都需要超强的算力网络支撑,因此云网边端需要实现资
16、源、数据、算力、应用、服务和运营等多维度协同。7 (二二)确定性网络技术确定性网络技术。确定性网络技术是新一代网络通信体系发展方向,对千行百业朝着数字化、网络化、智能化的高质量发展方向迈进具有重要意义。确定性网络的主要特征是能够提供确定性的业务服务质量,灵活切换确定性服务和非确定性服务,按照 SLA 策略自主控制并提供确定性服务质量的等级,全面赋能产业升级,实现确定性网络服务能力的一体化与多样化的跨域全局协同。(三三)IPv6+应用推广应用推广。企业内网和企业外网都将逐步向 IPv6+网络演进;企业内网的 IP 化改造有利于打破国际巨头对传统工业以太网的垄断地位。企业外网支持 IPv6 和 S
17、Rv6 转换,成为云网边端协同的统一承载协议,推进多云协力、云边协同和算网融合。IPv6 扩展报头能提供很大的网络地址编程空间,用于定义该 IP 报文所承载的用户类型、业务类型、位置信息、通信能力要求(分级分类 SLA 指标,包括隔离性、带宽、丢包率、时延和抖动等)和算力资源标识等信息,即通过 IPv6 报头实现用户面的多维感知能力和异构网络跨域标识信息传递,显著降低了通过应用层和控制面实现感知的网络复杂性,并提升了广域网络服务的精准性和实时性。(四四)行业虚拟专网定制化开放服务能力行业虚拟专网定制化开放服务能力。5G 行业虚拟专网应具备为行业客户提供定制化的开放网络服务能力,并具有成本优势、
18、安全优势和网络性能优势。随着网络管控和业务运营系统的自动化和智能化能力不断提升,行业虚拟专网需要向行业客户开放一定程度的虚拟网络资源和服务质量的可视、可靠、可管、可控和可信的服务能力,根据客户应用需求实现业务按需快速开通、流量监测和性能维护等,并希望 5G 网络的运维管理模式能与企业现有 IT、OT 网络及业务管理体系无缝融合,获得网络运维权,并降低运维成本,真正实现降本增效。1.2 5G+工业互联网典型场景的业务需求分析工业互联网典型场景的业务需求分析 整个工业流程大体可以分为研发设计、生产制造、运维服务等环节,5G 8 +工业互联网在这些场景下都有典型应用。5G 与工业互联网融合应用具体可
19、体现在八大类场景,分别为 5G+超高清视频、5G+远程控制、5G+云化AGV、5G+机器视觉、5G+无人机、5G+云端机器人、5G+AR 和 5G+VR,不同应用场景对承载网络的需求特性存在差异。(1)5G+超高清视频超高清视频 在工业场景下,高清视频的主要应用在于智慧园区的安防、人员管理等场景,通过 5G 高速率的特性,将采集的监测视频/图像实时回传,实现视频、图片、语音、数据的双向实时传输,同时结合 5G MEC 统一监控平台,实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警,大大提高作业安全规范性。5G+超高清视频场景的承载需求如下表 1 所示。表 1 5G+超高清视频承载需求表 典型典
20、型应用应用 分辨分辨率率 编码编码格式格式 帧率帧率(fps)带宽带宽 时延时延 可靠可靠性性 典型应用典型应用 高清视频实时上传 1080P H.264 H.265 30、60 210Mbps 30ms 99.9%(1)图片视频信息、采集信息;(2)局域、城域、广域 4K H.264 H.265 30、60 1240Mbps 30ms 99.9%(1)人脸识别、高清视频采集;(2)局域、城域、广域 8K H.264 H.265 H.265 30、120 48160Mbps 50Mbps;PLC 控制指令下达,下行 50kbps;车 间 级设 备内1ms 车 间 级设 备间10ms 园区/城域
21、/广域远程操作:图 像 上 行20ms;指令下达10ms;100us 99.999%电力差动保护:10us 相 量 测 量(PMU):10Mbps;10100ms 99.9999%(1)下行为数据的实时交互,上行为视觉类应用;(2)局域、城域 来源:5G 确定性网络产业联盟【7】(6)5G+机器视觉机器视觉 机器视觉系统需要实现实时远程监测功能,需要高速率、大连接特性,不用进车间即可通过移动终端和便携终端监视制造企业生产过程执行管理系统(MES),获取视觉检测系统的运行状态,如正常运行时间,有效运行时间,故障原因等(见错误错误!未找到引用源未找到引用源。)。图 1 5G+机器视觉网络组成 机器
22、视觉业务的流量特征呈现了大包、连续流量的特征,其中 I 帧(关键帧)突发对网络承诺带宽提出了更高的承载要求。5G+机器视觉的承载网络需求见下错误错误!未找到引用源未找到引用源。表 6 5G+机器视觉承载需求表 典型典型 应用应用 带宽带宽 时延时延 可靠性可靠性 应用范围应用范围 5G+机器视觉 图像信息实时上传:50Mbps;10ms 99.999%(1)带宽敏感型;(2)云化部署存城域、广域承载 12 需求 来源:工业互联网联盟【1】(7)5G+AR 工业生产环境中各类需要人力的作业专业性较高,但专业操作人员有限,因此对于辅助作业的需求明显,近年来,AR 成为辅助作业的核心手段之一。目前
23、AR 应用已融入到了工业制造的交互、营销、设计、采购、生产、物流和服务等各个环节,典型的应用包括 AR 远程协助、AR 在线检测、AR样品展示等。5G+AR 场景的承载需求如下表 7 所示。表 7 5G+AR 承载需求表 典型应用典型应用 带宽带宽 时延时延 可靠性可靠性 应用范围应用范围 AR维修指导 50Mbps(下行)20Mbps(上行)20ms 99.999%(1)工厂设备维保;(2)局域、城域和广域 AR辅助装配 50Mbps(上行)10ms 99.999%(1)设备辅助装配与远程协助;(2)局域、城域 来源:工业互联网联盟【1】(8)5G+VR 目前 VR 的在工业互联网中主要应用
24、在虚拟装配、虚拟培训、虚拟展厅等场景.基于 5G 的 Cloud VR,结合眼球跟踪渲染技术、GPU 定点渲染、LED 高 PPD 屏幕技术,VR 终端可以完全实现无线化和轻量化;用户互动数据传输到云端并进行计算,再反馈回本地终端,大大降低 VR 的成本。5G+VR 场景的承载需求如下表 8 所示。表 8 5G+VR 承载需求表 典型应用典型应用 带宽带宽(bps)时延时延(ms)可靠性可靠性(%)应用范围应用范围 初级沉浸 25Mbps 40ms 99.999%(1)虚拟展示等静态展示;(2)局域、城域等 部分沉浸 100Mbps 30ms 99.999%(1)虚拟培训等交互场景;(2)局域
25、、城域等 深度沉浸 400Mbps 20ms 99.999%(1)虚拟装配等强交互场景;13 (2)局域、城域等 完全沉浸 1000Mbps 20ms 99.999%(1)强交互,全沉浸场景;(2)局域、城域等 来源:工业互联网联盟【1】(9)5G+工业互联网典型场景的业务需求总结工业互联网典型场景的业务需求总结 从带宽、时延、抖动、可靠性、时间同步等 5 个网络关键特性分析,5G+工业互联网各应用场景的承载需求特性总结如下表 9 所示。表 9 5G+工业互联网承载需求汇总 应应用场景用场景 带宽带宽 时延时延 抖动抖动 可靠性可靠性 时间同时间同步步 5G+超高清视频 _ _ 5G+远程控制
26、 5G+云化AGV _ 5G+机器视觉 _ _ 5G+无人机 _ _ 5G+云端机器人 _ _ 5G+AR _ _ 5G+VR _ _ 1.3 5G+工工业互联网对承载网络能力的挑战业互联网对承载网络能力的挑战 面向工业内网和工业外网的高质量承载和异构网络互连互通应用场景,如何提供一个安全、可靠、高效、灵活、智能和可演进的行业专用承载网络,已成为业界新技术创新、标准研发和现网试验探索的重点领域,我国工业互联网产业联盟和相关行业标准化组织正在开展面向工业互联网不同应用场景的行业专网技术解决方案和标准体系研发。综合来说,5G+工业互联网对承载网络提出了网络切片定制化、电信级高可靠性、确定性承载、灵
27、活接入调度、多维业务感知和智能管控运维等特 14 性需求。(一一)硬隔离切片能力硬隔离切片能力:工业领域业务和场景复杂且多样,对于通信网络的需求也存在差异。基于工业互联网研发设计、生产制造、运维服务等需求,业务可大致包括生产控制类、生产采集类、生产检测类和信息管理类。不同类型的业务体现不同的流量特征和网络需求特征。在多业务混传和复杂业务流量流向场景下,需实现高安全、高优先等级业务的端到端质量保证。如何通过硬隔离切片提供适配业务特性的定制化网络解决方案成为技术发展的挑战。(二二)电信级高可靠性电信级高可靠性:对于工业互联网、智能电网等行业,其生产类业务均提出了电信级高可靠性网络需求。对于这类要求
28、网络高可靠、资源强隔离、数据及信令严格保护的行业应用场景,如何提供端到端的网络保护机制和电信级运维能力已成为行业应用需面临的挑战。(三三)确定性承载能力确定性承载能力:工信部已发布的 工业互联网创新发展行动计划(20212023 年)中,明确提出了支持深化“5G+工业互联网”、“确定性网络等新技术部署”的发展策略。带宽、时延、抖动、丢包等确定性承载特性已成为工业互联网行业应用的共性需求。面向工业控制和工业监测等典型场景的确定性承载需求,如何构建端到端确定性网络,实现确定性承载特性的保障需进一步的技术创新和发展。(四四)灵活接入调度能力灵活接入调度能力:工业领域的业务终端和业务类型复杂多样,已涉
29、及到了生产控制、生产采集、生产检测等多个流程环节。大量异构终端的网络接口、网络协议和网络通信需求存在差异。如何保障多样异构终端的大规模接入、协同运行和灵活高效的调度转发,通信网络面临较大挑战。(五五)多维业务感知能力多维业务感知能力:5G 行业专网已从通用化向定制化和精细化方向演进发展。随着算网融合、人工智能和大数据等新型 ICT 技术的发展,结和业务深度感知和新型 ICT 技术的应用,将为工业用户的行业数字化转 15 型和高质量发展提供更有力的支撑。因此,如何提升承载网络的多维业务感知与识别能力,实现与新型 ICT 技术的深度融合将是通信网络面临的重要挑战。(六六)智能化管控运维能力智能化管
30、控运维能力:网络运维的智能化、便捷化和开放性将大幅提升各类工业互联网业务运行的效率和自主性,并缩短新业务部署的响应时间,使能行业敏捷创新,成为行业网络数字化转型发展的必由之路。二、SPN 技术体系架构和网络能力特性 2.1 我国自主创新的我国自主创新的 SPN 技术体系架构技术体系架构 切片分组网络(SPN)是中国移动、中国信通院、华为、中兴和烽火等联合创新提出的新一代多业务综合承载的 5G 承载网络技术,在网络架构和关键技术方面均实现了核心技术自主研发和创新突破。在分组传送网络(PTN)技术架构基础上,面向 5G 移动承载场景进行了创新,提出了在以太网物理层协议栈中构建 TDM 层网络的核心
31、思想和技术理念。2016 年,中国移动就已经联合国内产业实体开始研究5G 承载网的需求与架构设计。2017 年 1 月,中国移动牵头承担“5G 前传及回传接口研发与验证”的国家科技重大专项课题,聚集国内企业和高校的力量,研究 5G 移动承载技术,完成了技术方案总体设计、原型样机开发和实验室测试验证,重点推动了FlexE 接口及切片通道层交叉、基于 FlexE 接口的超高精度时间同步等核心技术方案的成熟,为后续 SPN 技术体系的提出提供了优质的科研平台,也为整个产业链的发展提供了积极、健康的引导。从 2018 年到 2022 年,在中国厂商的推动和主导下,ITU 发布了基于 SPN 的 MTN
32、 系列标准,MTN 构建了全新的传输接口、帧结构、TDM 交换技术、高效 OAM 及保护技术,支持硬切片、确定性低时延转发,同时满足电信级网络要求。2018 16 年完成实验室全面测试评估、互联互通验证和现网试点应用,2019 年开始一期 SPN 设备集采和现网规模部署,2020 年和 2021 年陆续开展了两期集采和现网部署。截止到 2022 年 12 月,中国移动已累计开通 5G 基站数量超过 127 万端,分级分层推进 SPN 网络建设,现网运行 SPN 设备数量达到34.0 万端,较 2022 年初新增 4.0 万端;加强 5G 回传 SPN 和 4G 回传 PTN网络间的协同,充分发
33、挥 SPN 技术先进和 PTN 覆盖面广的优势,分场景高效承载 5G 业务。支持多业务统一承载的 SPN 网络技术体系架构见图 2,包括切片分组层(SPL)、切片通道层(SCL)和切片传送层(STL)三个网络协议层。其中切片通道层的城域传送网(MTN)技术已成为国际电信联盟标准化部门(ITU-T)的新一代 5G 传送网技术标准体系,与同步数字系列(SDH)和光传送网(OTN)技术标准体系相并列(见图 3),由 MTN 网络架构G.8310、网络帧结构和接口 G.8312、设备功能 G.8321、网络保护 G.8351、网络管控 G.8350 和同步等 ITU-T 系列国际标准组成。图 2 面向
34、工业互联网多业务统一承载的切片分组网络(SPN)技术体系架构 17 图 3 ITU-T 传送网技术标准体系发展历程和新一代 MTN 技术标准系列 SPN 在兼容分组传送网络(PTN)技术基础上,重点发展了四大关键技术特性:一是一是 TDM 硬切片能力硬切片能力。在切片通道层引入了光互连论坛(OIF)规范的灵活以太网(FlexE)接口技术作为 MTN 段层,并将其扩展成为支持N5Gbps 大颗粒时隙复用和 N10Mbps 小颗粒时隙复用的端到端通道层网络技术,具备电信级的 OAM(操作、管理和维护)和快速网络保护能力,实现了 TDM 通道的交叉连接和低时延转发能力,满足硬隔离网络切片和低时延应用
35、场景;二是分组灵活扩展能力二是分组灵活扩展能力。在切片分组层引入了 IETF 规范的段路由(SR)技术,并将其扩展为基于 MPLS-TP 的 SR-TP 技术,基于 SDN 集中管控架构实现了对南北向业务的集中编排和静态路由规划,针对东西向动态业务承载需求引入了 SR-BE、IGP 域内 IS-IS 协议以及拓扑无关快速重路由保护(Ti-LFA)技术,具备了可控应用范围内的动态路由能力。三是高速大容量传输能力三是高速大容量传输能力。在切片传输层提供基于 IEEE 802.3 标准的50GE/100GE/200GE/400GE 高速以太网物理接口,实现了 FlexE 多端口绑定的高速率和大容量光
36、传输。四是切片网络智能管控能力四是切片网络智能管控能力。SPN 采用电信级的 SDN 集中管控架构,18 提供了物理网络、切片网络和业务网络的网络资源分层管理,具备网络资源开放、业务敏捷发放、精准性能监测和高效运维能力。2.2 切片通道层的硬隔离切片转发能力切片通道层的硬隔离切片转发能力 SPN 的关键能力之一是在切片通道层中支持硬隔离切片转发,切片和切片之间的数据互不干扰,保证切片数据安全硬隔离。通过独占设备时隙资源,切片通道层能够支持微秒级的超低时延转发,并且在转发时无需报文重组、路由查表和排队等复杂耗时处理。同时,由于切片转发时的设备转发资源有保障,切片转发时延抖动也严格控制在 us 量
37、级。如图 4 所示,SPN 提供的硬隔离切片能力与停车时的“专属私家车位”相似,只有特定用户的数据(“车”)才能停在该车位上,非该用户的数据不允许占用该车位(见图 4)。TDM机制,独占时隙,资源专享,严格物理隔离“专属私家车位”分组交换机制,统计复用,资源共享,逻辑隔离“公共车位”图 4 SPN 通过 TDM 机制实现用户业务独占网络资源 从技术架构和协议栈的角度看,切片通道层位于 OSI 七层模型和以太网协议栈的物理层中,具体如图 5 所示。SPN 切片通道层利用了以太网的66B 码块内核,复用以太网物理层协议栈,在以太网 PCS 层中引入 MTN path(MTN 通道层)与 MTN s
38、ection(MTN 段层)。其中,MTN 段层通过在 66B 码块流中固定周期插入特殊码块,实现将以太网物理端口时隙化,在接口上划分出若干个“私家专属车位”,从而支持绑定、通道化和子速率的 19 功能,时隙粒度(“专属车位”能容纳的车辆数)为 5Gbps。MTN 通道层通过 TMD 时隙交叉的方式,按照预配置的交叉连接关系,从上行方向的 MTN段层指定时隙中获取的 66B 码块数据(用户车辆只能在特定时间进入车库),转发到下行方向的 MTN 段层指定时隙中(用户车辆只能在特定时间离开车库)。上行方向和下行方向占用的时隙带宽相同(用户每次进入车库的汽车数量与离开车库的汽车数量一致)。同时,MT
39、N 通道层支持 OAM&P,可以实现信号误码监视、连续性检测、连接验证、通道时延测量、保护倒换和客户信号类型指示等功能。MTN 段层和 MTN 通道层共同组成了数据链路层(L1)网络技术MTN,满足电信级网络技术要求。图 5 切片通道层技术架构 MTN 通道层的数据转发是通过预先配置的交叉连接关系,不依赖任何报文地址或者标签。从图 6 中可以看出,MTN 通道层中无法识别任何 IP 地址、标签和以太网 MAC 地址信息。IP 层的数据以 IP 报文数据单元,每一个 IP 报文携带源 IP 地址和目的 IP 地址,转发设备采用统计复用的方式根据报文的 IP 地址来决定 IP 报文的下一跳设备。I
40、P 报文到了 MAC 层后,会映射到若干个以太网帧(MAC frame)中。每一个以太网帧中携带源 MAC地址和目的 MAC 地址,转发设备采用统计复用的方式根据 MAC 地址来决定 MAC frame 的下一跳设备。而以太网帧到了物理层后,会被转码为一连 物理层(Physical)数据链路层(Data link)网络层(Network)传输层(Transport)会话层(Session)表示层(Presentation)应用层(Application)1234567介质(Medium)OSI七层模型PMDPMAPCSReconciliationMACMAC controlLLC/MAC cl
41、ientEthernet PHYxMIIIEEE 802.3以太网协议栈切片通道层协议栈PCS upper partMTN PathMTN SectionPCS lower partEthernet PHY lower sublayer切片通道层IPMTN FGU 20 串的 66B 码块。66B 码块中无法携带任何以地址和标签信息,数据转发依赖连接关系的预先配置,是面向连接的电路交换技术(CO-CS)。在 MTN通道层中,数据在下行方向占用的时隙位置固定,不随时间变化。如果继续借用“车位停车”的比喻,IP 层和 MAC 层统计复用的“停车”是可以看到汽车的运输信息,可以知道汽车从哪来(源地址
42、)也知道去哪里(目的地址),并且汽车大小、长度、款式都不一致;而 MTN 通道层 TDM 转发的“停车”则是用户汽车被分解成了更基本的元素(例如一个个分子),单一的分子无法识别出其原来汽车的样子,也无法知道汽车的运输信息,只在固定的时间进入,停入预先配置的“车位”,再按照固定的时间离开车库,并最终在目的地还原成汽车。图 6 各层数据单元格式示意图 图 7 给出了一种 SPN 切片通道层的数据转发功能模块实现示意图。转发设备从不同方向获取多个业务的码块流,并在逻辑上给每一条业务分配一个队列,每个队列的缓存深度为若干个 66B 码块。出口以 TDM 轮询的方式,去各个队列取码块,然后再把获取的码块
43、放入出口处相应的时隙位置上。由于数据在队列入口和队列出口都是采用 TDM 轮询的方式,数据进入队列的速率和数据离开队列的速率一致,队列资源不会在多个 MTN 通道之间共享,无统计复用。队列与入口/出口之间的连接关系由系统预先配置,数据转发不依赖地址、标签,甚至任何 66B 码块信息。由于转发过程中,设备 IPv6 packet header Source IP addressDestination IP addressIPv6 packet payload 24 byte 65515 byteIPv6 packet header Source IP addressDestination IP
44、addressIPv6 packet payload 24 byte 65515 byteDMAC6 byteSMAC6 byteType2 byteFrame data46 to 1500 byteCRC4 byteIP packet#1IP packet#2Ethernet Frame#1DMAC6 byteSMAC6 byteType2 byteFrame data46 to 1500 byteCRC4 byteEthernet Frame#2DMAC6 byteSMAC6 byteType2 byteFrame data46 to 1500 byteCRC4 byteEthernet
45、Frame#n连续不断的64/66B码块序列IP层数据格式MAC层数据格式Ethernet PHY PCS层数据格式 21 不识别和解析客户信号的 66B 码块数据,支持确定性低时延的透明转发(见图 7)。图 7 SPN 切片通道层数据转发功能模块示意图 切片通道层的硬隔离切片转发可以实现切片转发资源独占;切片数据之间互不影响,安全硬隔离;切片转发时延低和抖动低。切片通道层的硬切片技术可以满足工业场景中对安全隔离有高要求的业务,还可以满足生产控制类对时延、抖动和可靠性有高要求的业务。2.3 切片分组层的软切片分组转发能力切片分组层的软切片分组转发能力 切片分组层(SPL)实现对 IP、以太网和
46、 CBR 等业务的寻址转发和承载管道封装,提供 L2VPN、L3VPN、CBR 透传等多种业务类型。SPL 基于IP/MPLS/802.1Q/物理端口等多种寻址机制进行业务映射,提供对业务的识别、分流、QoS 保障处理。对分组业务,SPL 层的主要技术创新引入了段路由(Segment Routing)技术,并将 SR-TE 隧道增强为 SR-TP 隧道。Segment Routing 源路由技术可在隧道源节点通过一系列表征拓扑路径的 Segment 段信息(MPLS 标签)来指示隧道转发路径。相比于传统隧道技术,Segment Routing 隧道不需要在中间节点上维护隧道路径状态信息,提升隧
47、道路径调整的灵活性和网络可编程能力。PHY 1PHY 2PHY 4PHY 6数据流方向转发设备通道转发功能模块队列5时隙1时隙20时隙1时隙20时隙1时隙20时隙1时隙20PHY 3时隙1时隙20时隙1时隙20PHY 5队列4队列3队列2队列1 22 SPN 同时具备面向连接的 SR-TP 承载管道和无连接的 SR-BE 承载管道。SR-TP 隧道技术在 Segment Routing 源路由隧道基础上进一步增强了运维能力,扩展支持双向隧道、端到端业务级的带内精准 OAM 检测等功能。SR-BE 隧道用于面向无连接的、Mesh 业务承载,提供任意拓扑业务连接并简化隧道规划和部署。基于 IGP+
48、SR 自动生成的 SR-BE,在 IGP 域内可形成全连接的 SR-BE 隧道。域内的 SR-BE 都只有一层标签。SR-BE 不带任何约束条件,完全按照 IGP SFP 路径转发,而 IGP 选路原则是不考虑带宽约束条件的,因此 SR-BE 隧道不能保证 TE 能力。SPN 切片分组层同时还支持 MPLS-TP 隧道,可以更好的兼容现网 PTN设备,便于配置跨 PTN 和 SPN 网络的端到端 MPLS-TP 隧道。在 SPN 网络中,目前 MPLS-TP 隧道主要用于跨域的小颗粒分组专线业务场景,业务模型是 L2VPN over MPLS-TP over 小颗粒。除了通过隧道进行业务的软切
49、片隔离之外,还可以通过 VPN 进行业务隔离。SPN 支持 L2VPN 和 L3VPN 等。以 L3VPN 为例,控制器根据业务模型定义 HoVPN 的三种角色:UPE、SPE 和 NPE 并完成路由发布。比如中国移动建网指导意见中在共享大网切片及集客共享切片中,充分利用报文优先级、QoS、隧道、VPN 等软切片相关技术进行业务的差异化调度(见图 8)。图 8 SPN 隧道及切片部署方案 23 2.4 切片传输层的高速大容量传输能力切片传输层的高速大容量传输能力 SPN 的切片传送层(STL)为切片通道层或切片分组层提供物理媒质层的接口服务,包括 50GE、100GE、200GE、400GE
50、等速率接口。切片传送层又可以进一步分为物理层(PHY)和光媒质层。PHY 层包括物理编码子层(PCS)、物理媒介附加(PMA)和物理介质相关(PMD)三个子层,其中 PCS和 PMA 集成在业务处理芯片(ASIC 或 NP)上,遵循 IEEE 相关标准(802.3-2018、802.3bs 等),已在 2019 年前后实现标准和芯片成熟。PMD 层主要由光收发合一模块承担,简称光模块。光模块的特性和技术水平,很大程度上影响了单业务板卡上的端口数、光接口传输距离、功耗和成本等方面,是 SPN 系统设备的重要组成部分。国内的光模块产业链经过10多年快速发展,已经构建了较为完善的自主生态体系。据Li
51、ghtCounting的调研报告,中国光模块与器件供应商的全球市场占比已从 2010 年的 15%增长到 2021 年的 50%以上,旭创科技、华为海思、海信宽带、光迅科技、新易盛、华工正源占据了全球前十中的 6 个席位。随着移动互联网和数字消费、数字经济的持续高速增长,光通信的链路/接口带宽也在快速增长。特别是数据中心的大规模新建带动了高速率、小封装、低功耗、低成本灰光模块的快速发展,电信网络也享受了该产业发展的红利,以 10GE 和 100GE 为代表的主流光模块,价格有了大幅的下降,光模块在系统设备整体成本构成中的比例有了显著下降。另一方面,光模块也出现了技术多元化趋势。如超长距离 10
52、GE 光模块,50GE BIDI 光模块,50GE 同波长上下 BIDI 光模块,50GE 80km 灰光光模块,100GE 80km 灰光光模块等创新技术和产品,充分满足了包括 SPN在内的通信设备对传输距离和功耗、成本的要求。近 10 年来,光电器件在速率提升和成本控制上滞后于微电子器件,因此出现了“以电补光”的实践并形成趋势。最典型的应用就是 PAM4 线路码 24 型的采用和 FEC 前向纠错技术的应用。利用 PAM4 编解码技术(相比 NRZ编解码,效率提升 1 倍),使用 25G 光电子器件,即可实现单波长 50G 的通信速率,4 个波长就实现了 200G 光接口速率,8 个波长就
53、是先了 400G 接口速率。如下图所示,以单波 50G 为例(使用 25G 光电子器件+PAM 编解码),可以实现 50G、100G、200G、400G、800G 等速率的光模块,大大延长了 25G 光电器件的适应范围,降低了系统复杂度。目前产业界正在从单波 50G 向单波 100G 过渡,单波 200G 也在探索测试阶段,将在 35 年内成熟并产业化(见图 9)。图 9 光模块技术方案演进趋势 对 200GE 80km、400GE 80km,业内采用相位调制和相干检测方案。该方案源自 OTN 线路接口。OTN 线路接口主要关注无电中继传输距离(2000km 以上)、波长间隔(50GHz/75
54、GHz/100GHz)等方面,核心指标是OSNR 接收灵敏度,而基本不关注光功率接收灵敏度;在 OTN 系统上使用时,一般都带有光功率放大器(BA),因此光模块发送光功率较低(也是硅光技术的特点之一)。该类光模块在 SPN 设备上使用时,主要用来解决200G/400G 在 80km 跨距上的背靠背传输,核心指标是光功率接收灵敏度,且系统应用无光放大器、无合分波需求。因此需要针对 SPN 的应用场景作参数优化。目前技术产业已经成熟,国内有 23 个厂家可以提供产品(见 25 表 10)。表 10 承载网络设备的主要光模块实现方案 方案方案 10km 40km 80km 10GE NRZ,IM-D
55、D NRZ,IM-DD NRZ,IM-DD 25GE NRZ,IM-DD NRZ,IM-DD NRZ,IM-DD 50GE PAM4,IM-DD,1310 RX:PIN+FEC PAM4,IM-DD,1310 RX:APD+FEC NRZ,IM-DD,2,LWDM RX:SOA+PIN+FEC 100GE NRZ,IM-DD,4,LWDM RX:PIN NRZ,IM-DD,4,LWDM,RX:SOA+PIN NRZ,IM-DD,4,LWDM,RX:SOA+PIN+FEC 200GE PAM4,IM-DD,4,LWDM RX:PIN+FEC PAM4,IM-DD,4,LWDM RX:APD+FE
56、C DCO,16QAM,1,oFEC TX:EDFA 400GE PAM4,IM-DD,8,LWDM RX:PIN+FEC PAM4,IM-DD,8,LWDM RX:APD+FEC DCO,32QAM,1,oFEC TX:EDFA 总之,我国光模块产业已经为 SPN 高速大容量业务承载作好了准备,单板卡容量 400G 的板卡已批量部署,单板卡容量 800G 板卡也已成熟,并具备向单板 T 级别容量平滑升级能力。结合硬隔离切片能力,SPN 完全胜任工业场景下对容量、距离和隔离性的要求。2.5 基于基于 SDN 架构的智能管控运维能力架构的智能管控运维能力 SPN 网络采用电信级 SDN 集中化管
57、控架构,通过引入中枢控制节点控制器,对下层设备的数据转发进行统一指挥,实现控制和转发分离,使物理网络具有了开放、可编程的特征。同时,SPN 网络通过 SDN 集中控制平面提供网络开放、业务敏捷发放、网络高效运维的能力,支持业务部署和运维的自动化,及时感知网络状态并进行业务实时优化,具备面向 5G 承载、5G切片等新业务 SDN 集中控制能力。基于 SDN 的管控融合架构还为 SPN 网络提供了简化网络协议、开放网络、跨网络域/技术域的业务协同管控等能力。26 SPN网络的SDN管控系统架构如图 10所示,具备以下六个主要特征:(1)云平台云平台:依托统一的基础云平台,支持统一的安装、升级以及补
58、丁管理机制;支持统一的控制器系统监控和维护;支持统一鉴权管理;(2)数据数据/资源管理资源管理:统一的数据资源模型,统一的数据资源分配系统,统一的数据库系统,统一的存储格式和存取接口,统一的数据备份和恢复机制;(3)南向接口南向接口:SPN 集中管控系统提供与被管理网元之间的南向接口功能,对南向接口框架、南向协议连接、南向数据模型进行了三项统一,支持 Netconf/YANG、BGP-LS、PCEP 和 Telemetry(遥感勘测)等南向接口协议;(4)北向接口和界面北向接口和界面:SPN 集中管控系统提供与上层 OSS 或 APP 系统间的北向接口功能,通过该接口开放网络编程能力,统一的界
59、面入口和界面风格,统一的北向协议连接及数据建模,统一认证、转发和注册;并提供300 多个原子 API 和场景化 API 接口,简化 OSS/APP 开发;(5)集中管理子系统集中管理子系统:SPN 网络集中管理面提供统一业务管理、拓扑管理、配置管理、部署维护、故障管理、性能管理、安全管理和系统管理等功能。(6)控制子系统控制子系统:SPN 网络的 SDN 智能管控运维架构支持集中式控制面和简化的分布式设备控制面。分布式控制面提供网络拓扑状态发现,集中控制面基于 SDN 技术实现对网络拓扑状态的搜集和反馈、集中算路和算路结果更新、隧道路径下发和隧道算路策略配置、SR-TP 隧道路径实时闭环控制等
60、功能。分布式控制面还提供 SR-BE 隧道的控制能力(见图 10)。27 图 10 SPN 管控系统架构和功能模块 SPN 网络的集中控制面和分布式控制面在协议上的交互功能如图 11所示。分布式控制面通过 ISIS 协议提供网络拓扑状态发现,BGP-LS 协议将域内网络拓扑、拓扑状态、SR 标签实时反馈给 SDN 集中控制器,由 SDN控制器基于网络拓扑及拓扑状态进行隧道路径的集中计算和调整优化。此外,SPN 网络设备和 SDN 控制器还支持通过 PCEP 协议将集中算路结果实时下发到所有 SPN 设备。在 SPN 设备检测到隧道故障时,也可通过 PCEP协议向控制器发起实时算路请求。对于 S
61、R-BE 隧道,分布式控制面还可以提供 SR-BE 隧道的控制能力。SPN网络网络SDN控制器控制器集中算路网络状态发现(IS-IS)网络状态反馈(BGP-LS)算路结果更新(PCEP)用户算路策略 图 11 SPN 集中闭环控制系统 28 2.6 SPN2.0 新增功能和性能特性总结新增功能和性能特性总结 自 2019 年中开始,中国移动联合中国信通院、华为、中兴、烽火等产业各方,一起研究探索面向5G+垂直行业应用以及政企专线客户需求的SPN小颗粒技术方案,先后论证了 1Gbps、100Mbps 和 10Mbps 三种颗粒度并开展了新技术试点测试验证,在 2020年底统一确定采用基于细粒度单
62、元(FGU,Fine Granularity Unit)的技术方案,并于 2021 年 6 月联合发布了SPN 小颗粒技术白皮书白皮书,2021 年下半年完成了中国移动相关企标切片分组网(SPN)细粒度切片技术要求 和 10GE 接口细粒度切片技术要求制定,并进行了多厂家样机的互联互通测试验证。2022 年协同开展我国 切片分组网络(SPN)细粒度承载技术要求通信行业标准和 ITU-T 国际标准的推进工作。2022 年 6 月,中国移动牵头发布了 SPN2.0 技术白皮书。与 SPN 1.0 相比,SPN2.0 在多业务综合承载能力、云网/算网融合承载能力、网络覆盖能力、智能管控运维能力和低碳
63、节能等方面均有显著提升。通过引入支持N10Mbps 细粒度单元(FGU)的新型帧结构和交叉技术,扩展了面向行业用户接入的10GE小型化SPN 设备新类型,大幅增强了面向5G+垂直行业、政企客户和云网/算网融合业务的综合承载能力。SPN2.0 新增功能特性与性能提升的对比分析见下表 11:表 11 SPN1.0 和 SPN2.0 功能特性对比 项目项目 SPN 1.0 SPN 2.0 应 用 场景 重点面向 5G 回传的 eMBB 业务场景 扩展支持 5G+垂直行业的 uRLLC 和 eMTC 业务承载能力,并增强了对政企客户专线/专网和云网融合业务的综合承载能力。设 备 形态 1)城域核心 S
64、PN 设备 2)城域汇聚 SPN 设备 3)城域接入 SPN 设备 1)城域核心 SPN 设备 2)城域汇聚 SPN 设备 3)城域接入 SPN 设备 4)小型化接入 SPN 设备(线路速率 10GE 和GE),包括客户 CPE 设备和局端 HUB 设备 29 项目项目 SPN 1.0 SPN 2.0 综合承载能力 接口 1)网络侧接口:50GE/100GE/200GE 单端口或多端口的 MTN/FlexE 接口组 2)客户侧接口:标准以太网接口GE/10GE/25GE/50GE/100GE/200GE 1)网络侧接口:50GE/100GE/200GE 单端口或多端口的 MTN/FlexE 接
65、口组,10GE 标准以太网扩展 FGU 接口 2)客户侧接口:a)标准以太网接口FE/GE/10GE/25GE/50GE/100GE/200GE b)E1 和 STM-1 接口 切片 1)硬切片:单级 N5Gbps 2)软切片:L2/L3VPN 1)硬切片:两级 N5Gbps+N10Mbps 2)软切片:L2/L3VPN 业务 1)L2/L3VPN 分组业务 1)L2/L3VPN 分组业务 2)固定比特速率(CBR)业务:E1、STM-1等 承载性能 5Gbps 颗粒的中间节点转发时延:1)核心汇聚 SPN 设备 10s 2)接入 SPN 设备 3s 1)5Gbps 颗粒的中间节点转发时延:a
66、)核心汇聚 SPN 设备 10s b)接入 SPN 设备中间节点 3s 2)10Mbps 小颗粒的中间节点转发时延:a)1520us(最优)云网/算网融合承载能力 切片感知 1)城域范围内:接入+汇聚+核心 2)支持VLAN ID业务标识和IP DSCP/VLAN PRI 优先级标识识别和映射 1)客户端到端:通过客户侧 HUB 和 CPE 设备,实现端到端切片感知能力;2)支 持VLAN ID业 务 标 识 和IP DSCP/VLAN PRI 优先级标识识别和映射 业务监测 1)城域范围内:接入+汇聚+核心 2)支持高精度的带内随流检测 OAM(inband OAM)1)端到端:客户侧+接入
67、+汇聚+核心 2)支持高精度的带内随流检测 OAM(inband OAM)切片隔离 N5Gbps MTN 通道硬隔离 1)N5Gbps和N10Mbps 两级MTN通道硬隔离 2)支持在线带宽无损调整 可视化 1)运维服务可视化:售前评估、售中开通和售后业务性能可视化;2)网络服务可视化:网络拓扑/业务连接/SLA 性能等可视化 灵活连接 支持 SR-MPLS,包括 SR-TP 和SR-BE 1)支持 SR-MPLS,包括 SR-TP 和 SR-BE 2)扩展支持 SRv6/G-SRv6,实现云网/算网融合业务的端到端 IPv6 到 SRv6 转发能力 3)扩展支持 EVPN+SR policy
68、 等 网络 覆盖 能力 1)距离:部署在城域汇聚,距用户几百1.5 公里 2)容量:百 G 容量,部署客户侧浪费 1)支持部署客户处的小 SPN(HUB+CPE)2)互通:通过网络侧接口与城域接入 SPN 互通,实现端到端切片、端到端业务感知、端到端性能监测和管控 30 项目项目 SPN 1.0 SPN 2.0 3)互通:与现有客户侧 CPE设备无法实现网络侧接口互通。3)可融合边缘计算功能,提供边缘算力能力 运维 能力 1)重点业务监测 2)域内业务监测 1)提升业务监测数量,实现全网业务监测 2)域内+跨域(跨 SPN+跨 SPN 和云专网)低碳 节能 1)可支持芯片级(SoC 芯片)和架
69、构级节能机制(自动休眠、能耗可视、架构去冗等)在智能管控方面,SPN 2.0 增强了云网云网/算网融合管控和网络自智算网融合管控和网络自智能力,具体包括:(一一)总体架构总体架构:在已有 SPN 管理控制系统基础上,新增了云网业务运营门户、运维协同/编排层、多云管理平台,可实现不同云(移动及第三方云)和 SPN 网络之间的云网/算网资源一体化纳管及端到端协同管控,支撑云网互联,实现云网专线的端到端快速开通。(二二)管控运维能力管控运维能力:1)增加一键式切片部署能力增加一键式切片部署能力:控制器支持先创建切片,再部署业务选择已创建的切片;也可支持一键式的切片部署,在创建业务时由业务驱动按需完成
70、切片部署,实现分钟级的切片快速部署;2)增加智能弹性扩缩容能力增加智能弹性扩缩容能力:可根据用户行为、业务流量模型、流量增长情况等信息,对切片资源智能化弹性扩缩容,并且不影响业务,可保证业务无损资源调整;3)增加云网资源一体化可视能力增加云网资源一体化可视能力:可将端到端的网络资源如数据中心网络、SPN 网络,与数据中心的云资源进行协同管控,实现全生命周期自动化。a)网络资源抽象化网络资源抽象化:对物理网络的网络能力抽象建模,比如拓扑、业务连接、切片等,屏蔽底层细节;b)网络服务化网络服务化;对关键网络能力进行抽象,实现网络服务化,比如云 31 网业务快速开通、运维流程自动化等,实现物理网络、
71、逻辑网络和业务状态的实时呈现和关联互视;c)运营服务化运营服务化:对用户服务全流程简化,实现云网业务一点即通、云网资源统一管理可视等。4)增加多维度状态信息展示能力增加多维度状态信息展示能力:可以通过拓扑、报表等方式向运维人员多维度展现基站、专线业务质量、流量信息,还可以呈现当前专线业务质量和流量信息,便于用户快速了解网络运行状态。5)增加网络规划和仿真能力增加网络规划和仿真能力:增加了 What-If 仿真分析、网络容量规划、网络健壮性分析、网络变更验证等网络规划和仿真能力,相比 1.0 提升了网络规划的自动化水平;6)增加基于用户意图识别的业务快速创建能力增加基于用户意图识别的业务快速创建
72、能力:可通过用户意图识别、业务配置方案自动化生成、意图方案模拟验证、一键式业务开通、业务监控,完成全流程的基于意图的业务快速发放。7)增加全流程的自动化运维能力增加全流程的自动化运维能力:可提供故障前故障前的健康监控、分析预测、隐患识别等,故障中故障中的告警压缩、告警关联等,故障后故障后的故障知识库完善、智能排障优化等能力。2.7 SPN 网络能力满足网络能力满足 5G+工业互联网的需求总结工业互联网的需求总结(一一)SPN 硬隔离切片使能业务资源隔离与确定性低时延应用硬隔离切片使能业务资源隔离与确定性低时延应用 5G+工业互联网业务覆盖多样化服务场景,同时要接入多种类型的终端设备(如物联网、
73、工业生产和医疗终端等),需要满足不同业务 SLA 的承载需求以及业务安全隔离需求。网络切片技术实现“一网多用”,提高网络基础设施经济效益,成为 5G+工业互联网应用的基础使能技术。依据业务的性能指标、安全隔离和确定性诉求的不同,SPN 网络可灵活提供多种网络切片服务能力,支持不同等级的资源隔离与确定性低时延保障需求。其中,SPN 网络网络 MTN 通道技术兼具分组转发灵活性和通道技术兼具分组转发灵活性和 TDM 隔离优势隔离优势,支持端支持端 32 到端硬隔离切片能力到端硬隔离切片能力。与传统分组软切片和与传统分组软切片和 FlexE 接口硬隔离相比接口硬隔离相比,时延时延和抖动性能均有显著提
74、升和抖动性能均有显著提升。SPN 网络支持的切片技术、隔离特性和时延指标如表 12 所示。表 12 SPN 网络的切片资源隔离技术及特性 切片技术切片技术 隔离机隔离机制制 单跳时延单跳时延 单跳抖动单跳抖动 切片带宽切片带宽 隔离性隔离性 FlexE/MTN 接口硬隔离切片+节点内分组交换 接口时隙隔离 2050us 10us量级 N5Gbps 较高 MTN 接 口+节 点 内MTN通道交叉 全硬隔离的切片 端到端时隙隔离 310us 1us量级 N5Gbps 高 30us(1*10Mbps)1us量级(1*10Mbps)110Mbps 15us(10*10Mbps)1us量级(10*10M
75、bps)1010Mbps VPN+QoS 软隔离的切片 分组标识和队列隔离 2050us 100us量级 带宽灵活可配置 中 注:表中单跳时延为未拥塞下的 P 节点数据;单跳抖动为切片间拥塞切片内不拥塞时高优先业务的 P 节点数据。SPN/MTN 通道交叉的硬隔离切片基于以太网 64/66B 码块的 TDM 时隙交叉技术,用户分组报文在网络中间节点无须经过 L2/L3 存储查表,直接基于 L1 的时隙透明交叉技术,实现端到端硬切片隔离能力以及单跳 us级的超低时延能力。而 FlexE 接口硬切片技术基于 TDM 时隙隔离技术,将一个以太网物理端口隔离成多个更小粒度的硬管道,以实现业务在网络侧接
76、口内硬隔离转发。但分组业务在网络设备内部,依然基于分组报文进行查表转发,需考虑分组处理时延并存在节点内分组资源共享问题(见图 12)。33 图 12 SPN/MTN 通道交叉和 FlexE 接口隔离对比(二二)SPN 多样化保护技术保障业务电信级高可靠承载多样化保护技术保障业务电信级高可靠承载 5G+工业互联网不但对带宽提出要求,对可靠性指标也提出了严格要求。通信服务可用性和通信服务可靠性(MTBF)反映了故障间隔时间和故障时长,是承载网络面向生产型业务承载的核心指标。3GPP 对 5G 网络提供的通信业务可靠性及可用性指标提出了具体要求,在 3GPP TS 22.261 中针对不同的应用场景
77、提出了 99.9%99.9999%的高要求(见表 13)。表 13 工业互联网的网络可靠性要求 网络可靠性要求网络可靠性要求 年中断时间年中断时间 典型业务场景典型业务场景 99.9%526分钟 工业过程自动化的监视类业务等 99.99%52.6分钟 工业离散自动化 99.999%5.26分钟 触觉交互 99.9999%31秒 工业过程自动化的远程控制等 SPN网络可通过设计和部署网络系统备份网络可通过设计和部署网络系统备份、故障自动检测故障自动检测、故障快速恢故障快速恢复技术提高业务可靠性和可用性指标复技术提高业务可靠性和可用性指标,满足满足5G+工业互联网业务超高可靠工业互联网业务超高可靠
78、性和网络安全的承载需求性和网络安全的承载需求。SPN网络的可靠性技术主要包括保护倒换和快速恢复,常用的保护恢复技术如表14所示。表 14 SPN 支持的网络保护技术 分类分类 保护类型保护类型 业务场景业务场景 典型技术典型技术 保护对象保护对象 倒换性能倒换性能 电信级电信级 保护保护 分组隧道线性保护 分 组 VPN 业务 SR-TP APS SR-TE 主备保护 网内:链路/单板/穿通节50ms 34 分类分类 保护类型保护类型 业务场景业务场景 典型技术典型技术 保护对象保护对象 倒换性能倒换性能 MTN通道保护 E1/STM-1 等CBR业务、硬隔 离 分 组 业务 MTN通道1+1
79、 点 50ms 双归节点保护 与 核 心 网 设备或落地SPN设 备 互 联 互通 VPN FRR 网内:落地节点 50ms 网间保护 与 核 心 网 设备 或 异 厂 家SPN设备跨域互联互通 IP FRR或混合FRR 网间:对接节点 50ms 抗 多 点抗 多 点故 障 的故 障 的电 信 级电 信 级保 护 加保 护 加路 由 恢路 由 恢复技术复技术 SR隧道线性保护+重路由技术 高 等 级 分 组VPN业务 线 性 保 护 加动 态 重 路 由恢复 网内:链路/单板/非落地节点多点故障 保护:50ms 恢复:秒级 最 高 等 级 分组VPN业务 永久1:1保护(线 性 保 护 加预
80、置 路 由 恢复)保护:50ms 基于 SPN 网络丰富多样化的可靠性保障能力,可灵活定制具备不同可靠性和可用性等级的业务套餐,匹配 5G+工业互联网差异化的业务可靠性需求,满足最高 99.9999%的可靠性指标要求。(三三)多业务承载和多业务承载和 SR 转发技术适配工业场景多维感知和灵活接入转发技术适配工业场景多维感知和灵活接入需求需求 SPN 网络支持对 IP、以太网、TDM 业务的统一承载,提供 L2VPN、L3VPN 和 CBR 等多业务类型。在切片分组层可同时提供 SR-TP 和 SR-BE两类隧道。SR-TP 隧道由 SDN 集中控制器基于网络实时拓扑状态及业务算路请求,遵循用户
81、指定的算路策略计算生成端到端路径,可支持严格约束路径和全网流量工程,提升了 5G+工业互联网业务的电信级服务质量。SR-BE隧道基于 IGP 协议扩展生成,支持最短路径优先选路,以及 IGP 协议收敛保护和 TI-LFA 保护能力和 Full Mesh 管道,最终实现多种连接需求业务的灵活接入和高效转发。在业务接入侧支持IPv4/IPv6双栈和五元组的流分类,35 具备多维业务感知能力。SPN 网络通过间接测量的带外(outBand)OAM 技术和直接测量的带内(inBand)OAM 技术实现电信级故障运维和高精度性能质量检测,进一步增强业务 SLA 性能保障。(四四)高速率大容量高速率大容量
82、 SPN 设备设备支撑大带宽高吞吐的工业应用部署支撑大带宽高吞吐的工业应用部署 SPN 设备的切片传输层支持包括 10GE、50GE、100GE、200GE、400GE等速率接口,单板卡容量 400G 的板卡已批量部署,单板卡容量 800G 的板卡也已成熟,单机最大交换容量已达到 25.6Tbps。高速高速大容量大容量 SPN 设备将设备将有力支撑工业场景下高体验视频有力支撑工业场景下高体验视频、高分辨率机器视觉高分辨率机器视觉、5G+云云 AR/VR/XR应用落地应用落地,并为工业数字孪生等新应用的创新发展提供底层网络支撑并为工业数字孪生等新应用的创新发展提供底层网络支撑。三、SPN 国际国
83、内标准和产业化应用进展 3.1 FlexE:兼容以太网的灵活以太网接口标准兼容以太网的灵活以太网接口标准 2012 年,随着以太网接口速率的发展,业界认为高速以太网接口(200GE)价格会非常昂贵,导致难以形成规模部署。需要一种将 MAC 速率演进与物理接口速率演进解耦的方法,通过低成本的物理接口捆绑获得高速物理接口,这种方法可以基于 OIF 的 MLG 演进。基于此,2013 年 11月 1 日的 OIF DAY 中,Flexible Ethernet 的概念被首次提及。2014 年 10 月的以太网联盟会议中,召开了关于 FlexE 的圆桌讨论。也正是在该会议中,谷歌介绍了面向数据中心互联
84、场景的 FlexE 用例以及 FlexE 驱动力。2015年 1 月,OIF 正式立项 FlexE,开始讲 FlexE 标准化。历时 1 年,OIF 在 2016年 3 月发布了 FlexE IA 1.0,利用 100GE PHY 支持绑定、通道化和子速率功能。2017 年 6 月,OIF 发布了 FlexE 1.1,对原 1.0 版本进行编辑性修订。同期,OIF 立项了 FlexE 邻居发现(Neighbor Discovery),旨在解决 FlexE接口邻居发现、连接验证、能力发现、完整性校验和差分差分延迟补偿能力 36 发现的问题,使得 FlexE 能够更加便捷地应用。2018 年 6
85、月,OIF 发布了FlexE 2.0,增加对 200GBASE-R PHY 和 400GBASE-R PHY 的支持。同年 9月,FlexE ND 1.0 发布。2019 年 7 月,OIF 发布了 FlexE 2.1,增加了对50GBASE-R PHY 的支持。2021 年 10 月,OIF 发布了 FlexE 2.2,对 FlexE2.1进行了优化和修订(见图 13)。图 13 FlexE 标准发展历程 我国通信标准化协会(CCSA)于 2017 年启动了 FlexE 技术标准研究,已于 2020 年底完成了 FlexE 链路接口技术要求和测试方法两项通信行业标准的研制,目前均已正式发布,
86、具体见表 15。表 15 2021 年发布的两项 FlexE 中国通信行业标准 中国通信行业标准中国通信行业标准 标准状态标准状态 1 YD/T3965-2021 灵活以太网灵活以太网(FlexE)链路接口技术要链路接口技术要求求 2021 年 6 月已发布 2 YD/T 3992-2021 灵活以太网灵活以太网(FlexE)链路接口测试链路接口测试方法方法 2021 年 9 月已发布 由于 FlexE 是面向数据中心互联场景设计,是一个接口技术,而不是网络技术,缺少组网能力,进而限制了 FlexE 的应用范围。另一方面,高速以太网物理接口和高速 NP 的发展受到 HPC、数据中心在 2015
87、 年后的快速发展的影响,高速以太网物理接口的标准和产业化速率加快,从而使得 FlexE最初所迫切希望解决的问题不再重要。FlexE 也并没有在谷歌等 OTT 厂家中获得大量应用。2017 年,中国厂商借鉴 FlexE 的设计逻辑,面向 5G 移动承载场景,提 37 出了满足电信级要求的网络技术切片通道层,支持硬切片确定性超低时延转发。从 2018 年到 2020 年,在中国厂商的推动和主导下,ITU-T 研制发布了基于 SPN 的 MTN 系列标准。3.2 SPN:我国自主创新的我国自主创新的 5G 传送网技术标准传送网技术标准 SPN 是我国自主创新的新一代 5G 承载网络架构。SPN 采用
88、高效以太网内核,实现大带宽、低时延、高效率的综合业务承载。通过多层网络技术的高效融合,及灵活软硬管道分片,提供从 L0L3 的多层业务承载能力。因兼容以太网生态链,SPN 还具备低成本的特性。SPN 在 IEEE 802.3 标准以太网和 OIF FlexE 技术基础上,创造性提出切片以太网(Slicing Ethernet)层网络技术,通过创新分片以太网码流调度,实现业务的硬管道隔离和带宽保障,提供极低时延的业务承载管道。SPN 利用 IP、以太网、光的高效融合,实现从 L0L3 的多层次组网,构建多种类型的管道提供能力。不仅提供基于分片以太网的“高可靠硬隔离的硬分片”,也支持基于灵活分组连
89、接的“弹性可扩展的软分片”,从而可以按需对一张物理网络进行资源切片隔离,形成多个虚拟网络,为多种业务提供基于差异化 SLA 的承载服务。自 2018 年开始,CCSA 启动了 SPN 系列通信行业标准的研究制定,目前已正式发布了三项行业标准:YD/T 3826-2021切片分组网(SPN)总体技术要求、YD/T 3974-20215G 网络切片 基于切片分组网(SPN)承载的端到端切片对接技术要求和 YD/T 4172-2022切片分组网(SPN)设备技术要求,完成了切片分组网络(SPN)设备测试方法等三项行标报批公示和 1 项互通技术研究报告结题审查,正在研究制定切片分组网络(SPN)细粒度
90、承载技术要求和切片分组网络(SPN)互通技术要求 38 等六项行标(见 表 16)。表 16 切片分组网(SPN)的中国通信行业标准发布和在研状态 中国通信行业标准 标准状态 1 YD/T 3826-2021 切片分组网络(SPN)总体技术要求 2021 年 3 月正式发布 2 YD/T 3974-2021 5G 网络切片 基于切片分组网(SPN)承载的端到端切片对接技术要求 2021 年 9 月正式发布 3 YD/T 4172-2022 切片分组网络(SPN)设备技术要求 2022 年 12 月正式发布 4 2020-0592T-YD 切片分组网络(SPN)设备测试方法 2022 年 4 月
91、完成报批公示 5 2020B31 切片分组网络(SPN)互通技术要求(SR 367-2022)2021年 12月研究报告通过审查结题,并新立项行标 6 2021-0583T-YD 基于切片分组网(SPN)的承载网切片子网管理功能(TN-NSSMF)技术要求 2021 年 10 月完成报批公示 7 2021-0582T-YD 5G 网络切片管理功能(NSMF)与基于切片分组网(SPN)的承载网切片子网管理功能(TN-NSSMF)接口技术要求 2021 年 12 月完成报批公示 8 2020-0591T-YD 切片分组网络(SPN)南向接口技术要求 2020 年立项,2022 年 12月完成送审稿
92、审查,预计2023 年 Q1 完成报批公示。9 2021-0966T-YD 切片分组网络(SPN)设备南向接口测试方法 2021 年立项,2022 年 12月完成征求意见稿审查,预计 2023 年完成 10 2021-0965T-YD 切片分组网络(SPN)细粒度承载技术要求 2021 年立项,2022 年 12月完成征求意见稿审查,预计 2023 年完成 11 H-202112062807 切片分组网络(SPN)细粒度承载技术的测试方法 2021 年 12 月立项,预计2023 年完成 39 12 H-202112032764 切片分组网络(SPN)互通技术要求 2021 年 12 月立项,
93、预计2023 年完成 13 H-202212025646 小型化接入切片分组网络(SPN)设备技术要求 2022 年 12 月立项,预计2024 年完成 3.3 MTN:ITU-T 的新一代的新一代 5G 传送网标准体系传送网标准体系 国际电信联盟的第15研究组(ITU-T SG15)是负责研究制定光传送网、接入网和光纤光缆基础通信网络技术标准的权威国际标准化组织,已发布多个全球广泛应用的传送网技术标准体系,如 SDH、OTN 和 PTN 等。自2017 年开始,我国成员向 ITU-T 积极贡献 200 多篇 5G 传送和 MTN 技术文稿,不仅推动研究发布了 5G 传送需求技术报告和 5G
94、传送网络特性G.8300 标准建议,还主导研制了 ITU-T 新一代 5G 传送的 MTN 技术标准体系,具体历程见图 14。2017 年 4 月,中国移动和中国信通院联合向 ITU-T SG15 的 Q11&Q12&Q14 课题联合会议提交了第一篇建议扩展 FlexE接口为通道层网络技术的提案;2017 年 6 月我国成员联合向 ITU-T SG15 全会提出了建议开展 5G 传送需求和技术方案研究的提案,正式立项研究 GSTR-TR5G 传送需求技术报告;在 2018 年 10 月的 ITU-T SG15 全会上,正式立项我国提出的 SPN 技术标准 G.mtn 项目,命名为 MTN(Me
95、tro Transport Network,城域传送网络)接口技术,开启了我国主导新一代光传送网新技术体系国际标准化的里程碑。2019 年 7 月,ITU-T SG15 全会批准立项 MTN架构、设备功能、线性保护和网络管控四个标准项目,MTN 成成为继为继 SDH、OTN 之后的新一代之后的新一代 5G 传送网国际标准技术体系传送网国际标准技术体系(见见图图 15)。)。40 图 14 ITU-T 5G 传送和 MTN 国际标准推进历程 目前,MTN 技术已在 ITU-T 形成了一套体系化的国际标准系列,具体见图 15 和表 17。截止到 2022 年 12 月,已发布了 MTN 架构 G.
96、8310、MTN接口 G.8312、MTN 设备功能 G.8321、MTN 线性保护 G.8331、MTN 网络管控 G.8350 五项国际标准建议和网络演进 G.sup.69 技术报告,MTN 同步标准将于 2023 年完成研制。2022 年 9 月的 ITU-T SG15 全会批准立项G.fgMTN,标志着 MTN 扩展细粒度子通道的核心架构和关键技术获得国际标准组织认可。图 15 ITU-T 的新一代 5G 传送 MTN 技术标准体系组成 41 表 17 ITU-T MTN 系列国际标准 标准号标准号 标准名称标准名称 标准内容标准内容 发布时间发布时间 G.8310 Architect
97、ure for metro transport network 架构 2020 年 12 月 G.8312 Interfaces for a metro transport network 接口 第一版:2020 年12 月;增补1:2022 年 2 月 G.8321 Characteristics of MTN equipment functional blocks 设备 2022 年 9 月批准通过,11 月 13 日AAP 批准发布 G.8331 MTN linear protection 保护 2021 年 12 月批准通过,2022 年 2月正式发布 G.8350 Managemen
98、t and control for metro transport network 管理 2022 年 9 月批准通过,11 月 13 日AAP 批准发布 G.sup.69 Migration of a pre-standard network to a metro transport network 演进 2020 年 9 月 G.mtn-sync Synchronization aspects of metro transport network 同步 预计 2023 年 在 2022 年 3 月召开的世界电信标准全会(WTSA-20)上,ITU-T SG15主席向出席会议的 125 个成
99、员国的 1000 多名与会代表汇报了 2017-2021 研究期的 SG15 进展报告,其中 MTN 位列本研究期的重要成果(见图 16),并将面向行业应用的高质量小颗粒业务(Sub1G)做为新研究期的主要发展方向(见图 17)。图 16 2017-2021 研究期 ITU-T 的光传送网国际标准主要成果 42 图 17 2022-2024 研究期 ITU-T SG15 光传送网国际标准化的重点工作 自 2019 年中开始,中国移动联合中国信通院、华为、中兴、烽火等产业各方,一起研究探索垂直行业应用需求和 SPN 小颗粒技术方案,先后论证了 1Gbps、100Mbps 和 10Mbps 三种颗
100、粒度并开展了一些新技术测试验证,在2020年底统一确定采用基于细粒度单元(FGU,Fine Granularity Unit)的技术方案,并于 2021 年 6 月联合发布了SPN 小颗粒技术白皮书白皮书5,2021 年下半年完成了中国移动相关企标切片分组网(SPN)细粒度切片技术要求和10GE 接口细粒度切片技术要求制定,并进行了多厂家样机的互联互通测试验证,2022 年正在协同开展我国切片分组网络(SPN)细粒度承载技术要求通信行业标准和 ITU-T 国际标准的推进工作。3.4 SR-TP:IETF 的分段路由转发技术标准创新的分段路由转发技术标准创新 段路由(Segment Routin
101、g)转发技术是 SDN 架构演进下的产物,其核心思想是将报文转发路径切割为不同的分段,并在路径起始点往报文中插入分段信息,中间节点只需要按照报文里携带的分段信息转发即可。这样的路径分段,称之为“Segment”,并通过 SID(Segment Identifier,段标识)来 43 标识。相比于传统隧道技术,SR 隧道由于不需要在中间节点上维护隧道路径状态信息,极大提升隧道路径调整的灵活性和网络可编程能力。SPN 在 IETF RFC8402 源路由定义的严格约束路径 SR-TE 基础上,创新的增加一层标识端到端业务流的路径标签 Path Segment,增强改进形成SR-TP 隧道,用于面向
102、连接的、点到点业务承载。基于 Path Segment,转发路径尾节点可以识别数据流的路径,从而支持对业务路径的时延和丢包率等性能的测量,实现网络质量实时可视;在标签栈中插入 Path Segment 后,业务路径可被识别,当故障发生时,可实现快速保护倒换,提高网络可靠性;此外,SR 隧道本身是单向的,通过 Path Segment,能够将两条单向路径绑定在一起实现了双向隧道,从而支持双向保护倒换,进一步提高网络可靠性。Path Segment,不只是解决了 SR 在电信网应用的可靠性问题,更重要的是提出了一种新的 Segment 基础类型:Path Segment。基于 Path Segme
103、nt可以做出很多路径层面的 SR 新功能,该技术已经在 SPN 网络中广泛部署,成为重要的基础技术之一。在标准化上,SR-MPLS Path Segment 涉及整体架构、转发面定义、控制面扩展等多篇 IETF(Internet Engineering Task Force,国际互联网工程任务组)草案,已形成比较完整的体系化标准。SR-MPLS Path Segment 基础草案已经接近 RFC 发布阶段,其 PCEP、BGP、SR Policy 等多篇协议扩展草案也都已成为工作组文稿,标志着 Path Segment 的标准化进程取得了巨大突破,中国力量在国际标准领域的话语权亦得到了充分体现
104、(见 表 18)。44 表 18 SR-TP 的 IETF RFC 和工作组文稿状态 IETF RFC 编号和工作组文稿名称编号和工作组文稿名称 标准状态标准状态 1 RFC8402 Segment Routing Architecture 发布 2 RFC8667 IS-IS Extensions for Segment Routing 发布 3 RFC9085 BGP Link-State extensions for Segment Routing 发布 4 RFC8664 Path Computation Element Communication Protocol(PCEP)Exte
105、nsions for Segment Routing 发布 5 RFC8321 Alternate-Marking Method for Passive and Hybrid Performance Monitoring 发布 6 draft-ietf-rtgwg-segment-routing-ti-lfa Topology Independent Fast Reroute using Segment Routing 工作组文稿 7 draft-ietf-spring-mpls-path-segment Path Segment in MPLS Based Segment Routing N
106、etwork 工作组文稿 8 draft-ietf-pce-sr-bidir-path Path Computation Element Communication Protocol(PCEP)Extensions for Associated Bidirectional Segment Routing(SR)Paths 工作组文稿 9 draft-ietf-pce-sr-path-segment Path Computation Element Communication Protocol(PCEP)Extension for Path Segment in Segment Routing(
107、SR)工作组文稿 10 draft-ietf-pce-binding-label-sid Carrying Binding Label/Segment-ID in PCE-based Networks 工作组文稿 3.5 SPN 全产业链的规模化商用和健壮性发展分析全产业链的规模化商用和健壮性发展分析 目前,SPN 产品已实现了设备大规模商用产品已实现了设备大规模商用,国内主流网络设备厂商国内主流网络设备厂商和和接入设备厂商共提供接入设备厂商共提供 30 多款多款 SPN 设备设备。SPN 设备在技术标准设备在技术标准、芯片芯片、设设备备、仪器仪表仪器仪表、网络部署和行业应用方面已基本形成了完
108、整产业链网络部署和行业应用方面已基本形成了完整产业链(如图18)。截止到 2022 年 12 月,中国移动共采购 45 万端 SPN 设备,其中 34 45 万端已在现网规模部署。图 18 SPN 全产业链的规模发展状态 华为基于 SPN 技术架构,自主研发 5G 承载 NP 网络处理器和交换网系列芯片,研制了新一代 5G 承载 SPN 设备(PTN7900E、PTN990E、PTN980、970C 等)(见图 19)。SPN 设备中关键元器件,例如芯片、光模块均自主研发,并且关键元器件的供应自主可控。华为 SPN 产品已经在全国各个省份均有部署。依托 5G 移动承载,华为与运营商在多个行业和
109、多个合作伙伴开展了应用,包括东莞南方工厂,贵州省医保专网,河南省郑大一附院智慧医疗专网,湖南省华菱湘钢智慧工厂 SPN 专网,江苏省 SPN 省干云专网,山西省吕梁 SPN 智慧煤矿专网,深圳南方电网 5G 智能电网行业专网,浙江宁波 5G 智慧港口承载切片专网,山东省青岛海尔园区 SPN 智能制造切片专网,天津中国邮政 SPN 政企专网。46 图 19 华为公司的 SPN 系列产品 中兴通讯 SPN 全系列产品 ZXCTN61 系列、ZXCTN6700 系列(见图21),覆盖接入汇聚核心干线应用场景。中兴通讯 SPN 产品核心芯片均为自研,汇聚核心干线设备线卡主芯片集成 NP、MTN、TM、
110、SA 功能四合一,功耗比商用芯片组合降低 50%、交换网芯片提供业务无关统一信元交换,接入设备主控主芯片集成 NP、MTN、TM 功能三合一。自研芯片集成高精度时间戳,芯片精度1ns。中兴通讯 SPN 全系列产品在国内外市场已规模部署,累计发货超过 10 万端。图 20 中兴公司的 SPN 系列产品 烽火公司自研 SPN 分组处理芯片(FlexE+PP+TM)起始于 2017 年初,2019 年 Q4 开始规模现网部署基于该自研芯片的 SPN 设备。烽火提供CiTRANS 690 E30/E20/E10 和 CiTRANS 650 U5/U3/U2 共 6 款 SPN 设备(如图 21),交换
111、容量从 25.6T 到 320G,切片容量从 12.8T 到 100G,全面支持单节点精度 5ns 的超高精度时间同步。烽火 SPN 已经完成三期全国统一集采,在个 28 省/自治区有商业应用;截止 2022 年中,烽火 SPN 全国累计上管超过 3 万端,累计加载 5G 基站超 8 万个,设备在网稳定运行累计超过 3亿小时。47 图 21 烽火公司的 SPN 系列产品 3.6 支撑工支撑工业场景应用需求的业场景应用需求的 SPN 产业化进展产业化进展 随着 5G+工业互联网部署加速,工业场景下的新应用新业务不断向深度和广度扩展。面向工业场景的网络需求,SPN 在小颗粒切片灵活承载、确定性低时
112、延和抖动、高精度便捷化 SLA 质量保证、面向算网融合的多位感知和融合组网能力等方面均实现技术创新和产业化落地。(一一)小颗粒切片灵活承载能力小颗粒切片灵活承载能力:面向行业客户和业务的网络需求,实现带宽精细化管理,高效匹配各类型业务带宽需求;SPN 设备 50GE、100GE和 200GE FlexE 接口均支持 N5Gbps 大颗粒硬管道能力。由于工业场景应用呈现出小于 10Mbps 的小颗粒硬管道承载需求,因此 SPN 在继承现有N5Gbps MTN 通道技术机制上提出了 M10Mbps 小颗粒切片技术方案,将成为助力 5G+工业互联网及政企专线应用部署的关键赋能力量。SPN 小颗粒技术
113、继承了高效以太网内核,将细粒度切片技术融入 SPN 整体架构,提供了低成本、精细化、硬隔离的小颗粒承载管道。FGU 将硬切片的颗粒度从 5Gbps 细化为 10Mbps,以满足 5G+垂直行业应用和专线业务等场景下小带宽、高隔离性、高安全性等差异化业务承载需求。目前中国移动已基本完成 SPN 细粒度承载技术企标研制,并正在推动全系列 SPN 设备支持 FGU技术的产业化。在设备形态方面,面向工业园区和行业客户一点入云应用场景,小型化接入 SPN 设备通过标准 10GE 以太网接口上联城域 SPN 设备实 48 现端对端切片管控与业务快速开通,支持 SR-MPLS、SRv6 和 L2VPN、L3
114、VPN 和 EVPN 业务功能,有利于构建端到端高效、无损、柔性带宽、灵活接入和电信级高可靠的行业虚拟专网。(二二)确定性低时延和抖动能力确定性低时延和抖动能力:适配工业场景控制类业务的确定性承载需求,SPN 设备已实现毫秒级的时延、微秒级的抖动、纳秒级超高精度时间同步和 99.9999%可靠性保证能力。N5Gbps 和 N10Mbps 通道通过独享确定的时隙保证严格 TDM 特性和带宽的确定性。中间节点 TDM 时隙交叉,不感知业务报文信息,从而保证确定性的低时延。业务报文独占 TDM 通道时隙资源,抖动小于 1us。通过时钟源下沉、超高精度时钟源和传递技术提升精度,提供纳秒级超高精度时间同
115、步。(三三)高精度便捷化的高精度便捷化的 SLA 质量保证能力质量保证能力:工业场景由于业务类型复杂且业务指标严苛,需要更精准的检测技术进行业务测量并采集 SLA 性能数据,进而对所承载业务的运行状态进行分析、评价、控制和调整,以提供长期稳定、可靠的网络服务。SPN 采用了面向业务流量的高精度带内 OAM(IOAM)机制。IOAM 检测在业务转发路径、QOS 处理和业务报文转发方面完全与被测业务一致,能更真实的反映被测业务的 SLA 性能。SPN 设备已实现了 IOAM 技术的产业化部署并已具备了上万规格的业务检测能力。后续 SPN 将持续推进基于大数据分析和人工智能的性能检测分析技术的研究和
116、产业化应用。(四四)基于应用感知的融合组网能力基于应用感知的融合组网能力:行业数字化转型、IPv6+发展和工业互联网的高质量工业外网要求,提出了云网边端协同组网、一网多业、算力网络、定制化和服务能力开放等核心需求特征。中国移动与中国信通院正在联合推动 SPN 网络设备厂商开发支持基于 SRv6 Policy 的算网感知能力,并将在广域网逐步实现 SPN 承载网与 IP 云专网基于 G-SRv6 的跨域互通。通过加强 IPv6+、G-SRv6、SR-Policy 可编程能力和网络动态路由能力,49 实现无线、企业、家庭、云网、算网等多业务综合承载;通过规范化接口模型和多域互通组网方式,实现边缘网
117、络的异厂家灵活组网;通过 SDN 开放的北向接口和 APP 第三方接口,实现网络可视化与客户自助服务。SPN 通过与 G-SRv6 等 IPv6+技术结合,利用 IPv6 扩展头感知和传递各类应用信息,从而更好的配置和优化不同切片资源来保证 SLA,实现更深度的多维业务感知和多域异构技术的融合组网应用部署。四、SPN 在工业场景的定位和案例分析 4.1 SPN 在工业场景的应用定位分析在工业场景的应用定位分析 4.1.1 工业互联网对网络的需求场景分析 工业互联网包括工业内网和工业外网两大类网络应用场景。工业内网主要是实现企业内部连接生产、控制这些环节的数据,并提供企业日常运行的信息化通信管理
118、。工业内网分为 OT 网络和 IT 网络两部分。在传统生产环境,OT 网络是一套独立的网络,实现生产单元之间的可靠信息交互,采用的技术有工业总线、工业以太网、工业无线网络等;IT 网络是办公局域网,采用的技术是以太网和无线 WiFi。在数据安全和网络安全可靠的前提下,工业互联网希望实现 OT 和 IT 网络的融合组网,主要技术发展方向包括实时化、IP 化、扁平化、无线化和柔性化等。工业外网不仅要为实现远程生产控制的通信实体之间提供高可靠和低时延的网络连接,还需传递相关数据到工业互联网数据平台或行业云服务平台,即通过国家、区域或地市等不同级别的工业互联网数据平台或行业云服务平台的人工智能、大数据
119、分析和超级算力处理能力,实现海量数据的高效智能化处理和应用创新。工业外网要重点解决从主要承载传统消费互联网业务为主的模式,向以满足工业互联网多业务承载的信息通信网络综合 50 服务能力方向升级发展,包括提高网络的可信安全、电信级高可靠性和确定性承载能力,更好的实现泛在接入、灵活组网和网络服务质量严格保障。一般涵义的工业外网是运营商的信息通信网络以及国家重点行业的自建专网,而泛在的工业外网是还包括运营商和 OTT 服务商提供的 SD-WAN专线等服务。本研究报告主要聚焦一般涵义的工业外网范畴,即行业客户通过租用运营商提供的行业专线/专网或 5G 行业虚拟专网,以及国家重点行业自建行业专网实现数字
120、化和智能化转型。1)租用行业专线租用行业专线/专网专网:基于运营商已大规模建设和覆盖面广泛的专线网络,实现行业总部和分支机构之间的通信和数据传输,或者实现本地机构统一接入行业云平台。网络类型包括 OTN 专线/专网,SPN 专线/专网,IP网专线/专网等。2)5G 行业虚拟专网行业虚拟专网:基于运营商已大规模建设和覆盖面广泛的 5G 网络,采用 5G 网络切片和边缘计算(MEC)技术,在无线、承载、核心网等环节虚拟出一张面向行业应用的专用网络,并与工业互联网的园区内网、行业云化数据中心实现跨域融合组网互连,实现端到端各类业务综合承载、高强度安全隔离、海量终端接入以及迅捷的响应方式,满足工业互联
121、网的八类典型应用场景对迅捷响应、精准控制、高安全可靠性的要求,有利于促进电力系统的数字化发展,为新型电力系统的海量数据赋能,支撑实现电力行业的双碳战略目标。3)行业自建专网行业自建专网:我国能源、交通和港口等重点行业普遍采取自建通信专网的方式,如电力行业的国家电网和南方电网、煤矿行业、高速铁路、高速公路和城市轨道交通等重点行业。行业专网需求呈现多样性和差异化特性,通常是多业务综合承载能力的组合,包括业务隔离、低时延、大带宽、高可靠、灵活组网和智能运维等。4.1.2 SPN 在工业互联网的应用定位分析 51 我国信息通信产业的“十四五”规划重点推进新型数字基础设施统筹发展,以 5G 基础设施、大
122、数据中心、工业互联网建设和宽带普及提速、融合发展为重点,加快构建高速、融合、安全、泛在的信息通信基础设施。围绕数字经济发展,以数据应用为重点,大力推动 5G 技术、大数据在工业互联网、智慧矿山、智慧园区、智能工厂等方面的应用,大力发展软件服务业和服务型制造,促进产业数字化转型、智能化升级。工业互联网对网络的核心需求是安全可靠、业务隔离、确定承载、泛在接入、灵活组网和智能运维等。SPN 在工业互联网的应用以工业外网为主,根据不同行业应用场景的需求差异,兼具解决煤炭、港口和工业园区等部分工业内网应用场景。小型化接入 SPN 设备可作为工业内网的出口网关设备,实现工业内网和工业外网的有效衔接,包括多
123、业务安全隔离的综合承载、端到端网络切片互通和协同调度,不同行业切片的开放服务能力等。SPN 具备软硬兼具和层次化的网络切片能力,一是通过 N5Gbps 和M10Mbps 两层 MTN 通道提供类似 SDH 的 VC-4 和 VC-12 的 TDM 硬隔离通道的确定性承载能力,二是在 N5Gbps 的 MTN 接口或通道内通过分组统计复用、QoS 队列优先级调度和 SRv6、SR-TP、MPLS-TP 等分组隧道实现软隔离的高带宽利用率、差异化承载和灵活调度,具体如图 22 所示,实现了工业互联网的生产控制、信息管理和互联网接入等多业务类型的高安全隔离、高可靠统一承载和差异化 SLA 保障,是目
124、前承载网络技术中最具综合竞争力、关键技术和产业链基本自主可控并具有长期发展前景的新一代承载网络技术解决方案。52 图 22 SPN 的两级层次化网络切片能力在工业互联网的应用方案建议 4.2 智能电网场景智能电网场景 4.2.1 5G+智能电网场景 5G+智能电网主要应用在配电自动化等应用场景,位于电力通信网的接入层。由于光缆铺设难度大、成本高、周期长且外破严重,难以快速有效的覆盖全部配电自动化地区,因此需要部署安全可靠、灵活接入和反应迅速的无线通信网络,由于 4G 无线公网的传输稳定性一般,且不符合电力通信的安全标准要求。4G 无线专网网络接入的智能开关只能实现“二遥”功能即遥信和遥测,不具
125、备远程遥控功能,且大部分在运智能开关受保护级差时限的限制,通常配置“二级保护”,只能将故障隔离在大区内,难以实现故障的快速精准隔离与自愈,影响用户用电可靠性。此外,4G 无线通信时延偏大长(实测大部分在 70ms 左右,最长延时超过 1s),且无同步脉冲输出,因此无法满足配网差动保护的应用要求。基于 5G 的电力行业虚拟专网具有“超低时延”、“海量连接”和“超高带宽”等特性,并且支持采用端到端的硬切片和软切片,分别为电网不同分区业务提供物理资源、虚拟逻辑资源等不同层次的安全隔离能力,实现 53 5G+MEC+切片的配网“三遥”、配网差动保护、配网 DTU、分布式能源、输变电侧智能巡检等应用落地
126、,同时为智能电网的业务承载提供更好的安全保障、为海量终端提供高效灵活的运营管理能力,解决了智能电网末梢的通信痛点和难点。电力 5G 配网业务主要分为控制类和采集类两大业务类型,遵循电力安全要求,电力 5G 业务可以安全分区为粒度,分为 4 类:生产控制大区(安全区)、生产控制大区(安全区)、管理信息大区(安全区)、管理信息大区(安全区)。电力网络承载的业务差异性大,安全等级要求各不相同,既有时延抖动、高可靠性的差动保护业务,也有同步精度的配电自动化业务和大带宽的视频会议业务。图 23 面向 5G+智能电网的电力行业虚拟专网总体架构 5G+智能电网的典型应用场景和通信需求分析如下:1)配网差动保
127、护配网差动保护:可以减少停电时间,高效处理配电故障,但是对通信网络的要求非常苛刻:一是要求授时精度达到 10us 以内,二是要求传输时延小于 15ms,双向时延差小于 200us。2)无人机无人机/机器人巡检机器人巡检:传统输电巡检采用人工为主,少量采用摄像头监测、点对点人工操作无人机、巡检无人机、高压电缆的机器人辅助监测等方式,存在复杂地形巡检困难、巡检效率低、视距受限,人工操作难度大、54 无人机回传画面清晰度低等问题。3)精准负荷控制精准负荷控制(PMU):):实现配电网负荷开关等控制类应用低成本、强安全的海量接入及快速响应。要求授时精度达到 1us 以内。4)分布式能源业务调度分布式能
128、源业务调度:5G 专网的广域覆盖有利于助力有利于支撑新型电力系统发展,具有高度信息化、自动化和互动化等特征,实现电网安全、可靠、经济、高效运行。分布式能源业务的快速发展,存在点多面广,快速有效接入运行数据的需求,并要实现分布式能源运行状态的可观可测。在功能需求方面,通过配电自动化终端 DTU,采集监测配电线路实时状态,DTU 上送信息到配电自动化主站,主站根据馈线线路或全网各节点DTU 信息进行综合分析判断和处理;或者相邻的 DTU 之间进行通信,通过分布式分析判断或处理。从而进行线路故障或设备故障的判断、定位、隔离和恢复供电,保证供电可靠性。具体通信需求指标如下:1)带宽:10Mbps 2)
129、时延:业务系统端到端100ms 3)通信可靠性:99.999%4)连接密度:99.999%、同步授时精度误差小于 500ns(满足电力业务 1us 要求),可为电力业务提供安全、高效、确定性时延抖动的通信管理通道,为 SPN网络支撑电力业务综合承载及其在电力行业的规模商用奠定坚实基础。A.1.2 浙江杭州 5G 电力虚拟专网应用案例 浙江移动为国网杭州供电公司建设了 5G+MEC+网络切片的首套地市级广域 5G 电力虚拟专网(见图 A.2),利用硬切片技术和边缘数据处理转发能力,使电网无线数据与公网数据分开,为杭州泛亚运区域 5G 电力应用提供专用网络。图 A.2 浙江杭州的 5G 电力虚拟专
130、网架构图 根据安全分区原则,制定了 SPN 的业务切片隔离经验方案:1)专用切片专用切片 1-生产控制大区业务生产控制大区业务:用于配网“三遥”、配网差动保护、配网 DTU、分布式能源等生产控制类应用。空口优先采用 RB 资源预留,传输侧采用 SPN 的 MTN 通道技术建立专属硬切片通道,接入生产专用UPFMEC,确保生产业务的隔离和数据安全。2)专用切片专用切片 2-信息管理大区业务信息管理大区业务:用于输变电侧智能巡检、线路监测等视频类和信息采集类应用。空口采取 5QI 优先级调度,传输采用 VPN 隔离,接入管理专用 UPFMEC,保证业务带宽的充足和灵活性。82 A.1.3 云南曲靖
131、电力的 SPN 工程应用案例 随着泛在电力物联网发展规划,智能电网的深度建设,对传输网络提出了大带宽、差异化承载、灵活调度、智能运维等新的诉求;回首现有传输网络资源使用饱和,在网时间长、演进乏力备件困难。结合业务需求及网络现状云南曲靖电力局规划了 SPN 通信承载网,满足语音视频局域网、综合数据网、2M 专线业务等通信系统的承载。当前 SDH 网络容量饱和,演进困难。第一,SDH 设备容量小,资源已经饱和。接入 SDH 设备只能提供 155Mbps 或者 622Mbps 接口,汇聚设备只能提供 2.5Gbps 或者 10Gbps 接口,无法匹配 1Gbps 带宽到边缘的规划要求。第二,SDH
132、设备故障率高,维护成本高。SDH 设备已经运行多年,由于 SDH 产业消退,备件困难。同时,器件老化加速,可靠性风险加大。第三,SDH 技术已经停止演进。常见 SDH 端口速率最大 10Gbps,已无下一代演进。电力 IP 化业务承载效率低。云南曲靖采用 SPN 构筑新型电力传输网,支持大带宽组网、硬切片隔离、智能运维以及 10Mbps fgU 技术。新建曲靖地区 SPN 网络,地区 SPN 网覆盖曲靖地调、9 个县(区)供电局、5 个 500kV 站点、20 个 220kV 站点(其中胜境变预计 2022 年投产)、56 个 110kV 站点(除去已考虑移交的岗上变)、2 个 35kV 站点
133、(左里堡变和牛街变规划升压),共计 93 个站点。曲靖供电局 SPN 切片分组网拓扑分为核心落地层、核心骨干层、汇聚层、接入层四层结构,其中核心层环网带宽为 100G、汇聚层带宽为 100G 或 50G,接入层带宽为 50G。83 图 A.3 云南曲靖 SPN 替换老旧 SDH 构筑新型电力传输网 云南曲靖规划部署分两阶段进行。第一阶段规划部署 3 个分组切片,综合数据网区切片,综合数据网区切片和语音视频局域网切片。第二阶段增加电力/区切片物理隔离承载生产业务。图 A.4 云南曲靖规划部署 A.1.4 山东电力的 SPN 试点应用案例 山东公司自 1999 年开展了电力光通信网的建设,历经“S
134、DH-MSTP-自主可控”三个阶段,速率由 155M 提升至 10G。随着电网信息化、数字化的不断发展,IP 分组业务逐渐取代电路交换业务成为主流。截至 2020 年 12月,山东 17 地市传输网已形成 SDH+PTN 双平面网络架构,覆盖全部 35kV及以上厂站和办公场所。SDH 传输平面主要承载继电保护、调度数据网等 84 业务,共有设备 5948 套,核心带宽 10G;PTN 传输平面主要承载综合数据网、调度数据网等 IP 业务,共有设备 4666 套,核心带宽 10GE。目前存在传输网带宽资源不足,接入灵活性不足,PTN 管道隔离度有限和通信网带动能力有限的问题。山东电力传输网目标架
135、构为保留现 SDH 平面,承载保护安稳业务、调度数据网一平面;新建 SPN 传输平面承载数据通信网、信息外网等互联网IP 业务;现 PTN 平面承载调度数据网二平面,满足安全隔离要求,并结合设备使用状况,逐步演进升级为 SPN。图 A.5 山东电力传输网演进思路 山东电力传输 B 平面中规划 4 个切片,包括默认切片,综合数据网切片,信息外网切片和 TDM 基础切片。III/IV 区综合数据网业务规划独立分组切片,信息外网业务规划独立分组切片;切片统计复用提高承载效率,切片间硬隔离提供差异化 SLA 保障。安稳、差动、调度数据网业务部署在 TDM交叉基础切片,通过 CBR over MTN 技
136、术构筑 E2E 时隙交叉通道,实现与III/IV 区业务物理隔离。85 图 A.6 山东电力传输 B 平面切片规划部署方案 A.2 交通行业的交通行业的 SPN 应用案例应用案例 A.2.1 SPN 在地铁传输网中的应用案例 针对某地铁线传输网络(见图 A.7)部署的场景化具体技术要求,采用SPN 提供的端到端承载解决方案具有以下特征:图 A.7 某地铁线 SPN 组网示意图 1)层次化的大小颗粒硬隔离切片技术层次化的大小颗粒硬隔离切片技术 支持 N*10M 的灵活硬切片,将无线通信系统、通信电源监控等 100M左右带宽的生产业务通过独立的 FGU通道承载,确保硬管道下的物理隔离,86 并满足
137、业务的低时延传输要求。对于带宽在 1000M 及以上的业务如视频监控系统、乘客信息系统、办公自动化系统、自动售票系统则采用 N*5G 带宽的 MTN 大颗粒切片承载,高效合理安排带宽资源。2)基于软硬隔离切片实现业务灵活承载基于软硬隔离切片实现业务灵活承载 硬切片业务可以提供 N*5G 的带宽,最大可以到线路的带宽;软切片基于 VPN 技术,可支持的 PW、LSP 数量可以到 k 级别,完全满足业务类型多、站点和业务数量大的应用场景。3)支持支持 E1 CBR 业务硬隔离承载业务硬隔离承载 SPN 的 CBR 方式承载 E1 业务,解决了原有的 PWE3 方式的软隔离的问题,能提供类似 SDH
138、 的时延等性能,E1 CBR 通过端到端的 FGU 通道承载,保证了 E1 业务在业务完整路径上的硬隔离,满足了地铁生产业务的安全需要。4)提供超大带宽提供超大带宽 网络线路侧采用 100GE 组环,基于大带宽弹性分组管道,保障地铁安检信息实时采集与集中处理;基于 FlexE 的链路捆绑功能,可以实现线路侧带宽平滑升级到 200GE,为未来的智慧地铁新业务预留足够的可用带宽。5)完善的网络保护方式完善的网络保护方式 具备网络级的分层保护能力,业务保护倒换时间可降低到数毫秒(ms),小于标准中要求的 50ms 的业务中断时间,提供了比 SDH、MSTP 技术更强的分组业务保护功能和更快的保护时间
139、性能。6)支持超高精度的支持超高精度的 1588 时间同步时间同步 支持同步以太网功能,实现稳定可靠的频率同步,为地铁无线子系统等提供必需的同步信号。还支持超高精度的 1588 时间同步,提供每站点+-5ns的超高时间精度,为未来智慧地铁的各种新业务提供精准的同步保障。7)智能管控智能管控 87 新的 UME 管控系统融合了网络管理、业务控制和网络分析等功能,支持可视化分析、集中算路、一键式自动化快速部署、业务端到端质量检测,为地铁智慧运营提供强有力支撑。基于 SPN 的轨交专用通信传输网方案已于 2022 年 6 月开始在某地铁正式商用。自运营以来,通信系统运转良好,各项业务性能指标均满足智
140、能轨道交通系统对传输承载网的严格要求,为后续大规模商用部署提供了重要参考依据。A.2.1 SPN 在高速公路中的应用案例 某省高速公路公司通过深入分析业务场景,将 SPN 切片解决方案应用于高速公路通信网,建设了业务隔离、简易运维、灵活连接的高速公路接入网,助力高速网络迈向智能化。随着高速公路省界收费站逐步取消,一个个 ETC 门架满载着高清摄像头、RSU 等设备在高速公路上竖立起来,信息化设备密度越来越大,数据流量随之成倍增长。同时,视频业务要求带宽资源严格保障,不受其它业务影响。而传统高速公路接入网以SDH设备为主,链接带宽仅有 155M/622M,无法应对如此庞大的业务流量。某省高速通过
141、将收费站-路段分中心、路段分中心-省联网中心之间的带宽升级到 10GE,采用网络切片将收费、监控、语音、视频会议、办公自动化等业务隔离承载,灵活分配带宽资源。一方面,解决了带宽不足问题;另一方面,保障视频等业务隔离承载。88 图 A.8 某省的智能化高速公路的 SPN 应用案例示意图 SPN 三层到边缘解决方案,可在任意两个站点之间灵活地建立连接,这与高速公路的智慧化发展相契合。智慧高速的车路协同/V2X 等业务要求车与 MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)设备、车与车之间相互通信,对网络的灵活性提出了更高要求。相比 SDH 点到点模型,SPN 三层到边缘方案具有
142、“有路即可达、走最近的路”优点,可满足车路协同/V2X等业务开展需要。A.3 煤矿行业的煤矿行业的 SPN 应用案例应用案例 A.3.1 陕西某煤矿的 SPN 骨干环网应用案例 陕西某煤矿采用 SPN 作为骨干环网方案承载井上井下多个类型的业务。整个 SPN 架构扁平化,部署 1 个层次,井上井下各 1 个环网综合接入各种类型的业务,结构简单,安全易维护。井下 8 端接入设备(按需增加,SPN支持灵活的扩缩环),井上 5 端接入,2 端汇聚设备。本次井上井下业务环网采用100GE口组环,SPN环网支持10GE、25GE、50GE 和 100GE 带宽接入,SPN 环网承接可以接入工业以太环网,
143、以及井上 1 张办公系统环网。1 套 SPN 网管,后续根据业务需要还可以接入 MEC、5G 核心网和各系统服务器,SPN 网管、MEC、各系统服务器为 10GE 接口 89 接入,为 33 个子系统提供 GE 光或电口接入。图 A.9 陕西某煤矿的 SPN 骨干环网组网方案 本项目采用 ZXCTN 6180/6190H 设备进行组网。设备本身支持主控 1+1和电源 1+1 冗余备份,高度 3U/5U,支持槽位 8/14 个,支持单板类型有 100G MTN 单板、50G MTN 单板、25GE/10GE 自适应单板、10GE 单板和千兆单板等。根据需要按需进行单板的配置。SPN 环网预留 8
144、 路 GE/FE 光接口和8 路 GE/FE 电接口供小环网设备接入,预留 2 路 25GE/10GE 自适应光接口供 5G BBU 设备接入。图 A.10 SPN 在智能煤矿的典型应用案例 根据对各业务子系统的数据传输需求和业务特性要求,将 100G 大带宽SPN 切片以太环网划分 5 个切片:切片 1-一网一站、切片 2-工业视频、切100G主干环网井下矿区100G环网4煤待上电主煤转载6190H汇聚6180H井上井下覆盖100G环网井上5煤瓦斯箕斗中央变电主提综合楼主扇副楼待加电 90 片 3-综合监测、切片 4-工业控制、切片 5-5G 传输切片,切片内子系统内业务可通过不同的 VRF
145、 隔离,达到不同类型业务硬隔离,同一类型业务的子系统软隔离的目的,既保证了业务的可靠传输,又能方便业务的分类管理,及不同业务终端的接入,业务的承载可以采用 L2VPN over MPLS-TP 隧道,或者 L3VPN over SR-TP 隧道,可根据业务需求和特性选择。两端 6190H 设备冷备,其中一端 6190H 设备与服务器连接实现冷备节点保护。在 1 个切片内,一端 6180H 去同一端 6190H 的多条 PW 可以选择共用同一条隧道,配置隧道保护,支持按需配置网络侧的 HQoS 配置。带宽配置及详细业务系统数据切片分配详见下表,工业视频系统分配30G 带宽,5G 传输切片分配 2
146、0G 带宽,其他 3 个切片各分配 10G 带宽,预留 20G 带宽,网管系统支持根据需要对切片带宽进行灵活分配和调整。表 A.2 面向智慧煤矿的 SPN 网络切片配置方案 切片切片 包含系统包含系统 切片参数切片参数 5G(或含细粒度切片)5G 传输切片 20%一网一站 4 个子系统:应急广播系统,人员精确定位系统,信息发布系统、无线通信系统 10%视频监控(30G切片)1 个子系统:工业视频系统 30%综合监测(10G 切片)7 个子系统:信息发布系统、KJ-628 矿井水文监测预警系统、ZWX8 矿用分布式光纤测温系统、束管监测系统、顶板灾害监测系统、冲击地压监测系统、粉尘灾害监控系统,
147、地质保障系统 10%工业控制(或细粒度切片)18 个子系统:掘进管控系统、智能化采煤工作面系统、主煤流运输系统、辅助运输系统、主通风自动化控制系统、局部通风集中控制系统、压风机监控系统、压风自救系统、电力监控系统、主排水自动化控制系统、供水监控系统、瓦斯抽放系统、制氮监控系统、黄泥灌浆系统、主井提升系统、副井提升系统、选煤厂集控系统、换热站 10%预留 待后续根据流量扩容分配 20%91 本次智能矿山项目的成功实施,通过 SPN 承载技术,特别是硬切片隔离技术的应用,大幅降低建网成本,简化运维,为下一步矿井智能化建设打下了坚实基础,具有几个特点:1)大带宽:供具备 100G 带宽的光纤骨干环;
148、2)低时延:提供 1ms 光骨干环网;3)高可靠:环网设计,具备高可靠的保护手段,可做到 50ms 内完成节点和链路保护。4)切片硬隔离:通过对不同类型的业务系统切片隔离,保证了不同类型业务的高质量传输,实现了一个物理环网,多个逻辑环网切片隔离承载,降低了成本,简化了运维。A.3.2 山东某矿井的一张 SPN 环网应用案例 山东某矿井为了消灭井下多张网络各自独立建设和运维所带来的建设费用高、维护困难和升级困难等现实问题,按照“一张网”要求进行规划和建设了覆盖矿井下的 SPN 环网,统一承载不同业务,实现了井下铲装、运输和碎石三大生产场景的自动化作业,为产业链的升级奠定了坚实的基础,为企业实现高
149、质量发展提供了保障。三大生产场景的自动化业务系统通过SPN 不同的网络切片接入,将各种业务统一汇聚到一个 SPN 环网上,此 SPN环网还承载了 5G 无线专网信号的回传,总体的网络拓扑结构如下图所示:92 图 A.11 山东某矿井的 SPN“一张网”的网络结构图 通过对矿井下的工业环网进行升级改造,利用 SPN 网络技术,实现远程控制。在终端侧的网络信号通过 5G 基站 RRU 经过半有源前传 WDM 到达 BBU,然后接入基于 SPN 的 5G 承载网络,经过边缘计算连接内网最终到达矿区调度中心,实现操控人员在控制室对矿山车辆的远程控制。A.4 智慧港口的智慧港口的 SPN 应用案例应用案
150、例 A.4.1 浙江宁波港的 SPN 应用案例 浙江省宁波港基于 SPN 的 5G 承载网切片,将工业控制和 5G 网络相结合,利用 5G 低时延、大带宽的特点,通过视频回传、远程控制等技术实现龙门吊作业管理。宁波港规划有超过 550 个龙门吊,承载网接入层带宽需求将超过 16Gbps;远程控制类业务对时延要求极高,中控台和龙门吊之间每 6ms 进行一次握手,三个握手周期(18ms)收不到握手信息会认为控制系统故障,吊车会停机,影响生产作业。网络端到端时延必须低至 18ms 以下,而对承载网的双向时延更是要求小于 3ms;同时,针对港口远程控制类生产业务极低时延要求,如何实时监控业务的质量,如
151、何保障业务的超高可靠性,也是对网络运维能力的极大挑战。93 图 A.12 浙江宁波港的 SPN 组网示意图 面对智能港口业务对网络带宽、时延和运维的严苛需求和巨大挑战,浙江移动、浙江省海港集团、上海振华重工与华为成立了联合创新项目组,四方发挥各自优势、紧密合作,高品质保障了宁波智能港口龙门吊 5G 远程操控的商用,其中承载网采用 SPN 智能承载解决方案,具体包括:1)智能超宽智能超宽:首先,接入层采用高性价比的 50GE,汇聚核心层则采用200GE,以此构筑的超宽基础网络,满足视频监控类业务对网络大带宽的需求。其次,引入基于 FlexE 的网络分片,构筑港口远程控制类业务专享通道。FlexE
152、 切片技术可以有效地隔离控制类业务与其他业务,避免流量突发导致拥塞影响控港口远程控制类业务,实现业务带宽可保障和高可靠,网络切片带宽按需灵活可调,提高了网络利用率,让网络带宽更加“智能”;2)智能联接智能联接:为满足港口控制类业务极低的时延要求,SPN 智能承载解决方案采用下一代路由协议 SR(Segment Routing),结合 iMaster NCE(Network Cloud Engine,网络云引擎,以下简称 NCE)集中控制,可以基于业务的时延需求,在网络中选取最优的时延路径,保障关键业务的低时延,从而实现了联接的更加“智能”;3)智能运维智能运维:浙江移动部署了华为“管理-控制-
153、分析”融合的 NCE 和创新的 iFIT(In-situ Flow Information Telemetry)随流检测方案,实现质量实时 94 可视、分钟级故障定位,保障宁波港口业务高可靠。iFIT 秒级采样能精准采集真实业务流时延和丢包等信息,并提供端到端、逐跳的时延和丢包等检测,实时感知网络性能指标并在 NCE 中实时呈现,实现业务质量实时可视和分钟级故障定界定位,有效提升运维效率,实现了运维的更加“智能”。A.4.1 厦门远海码头的 SPN 应用案例 2020 年 5 月,华为与福建移动、中远海运、厦门远海、中移上研院、振华重工、东风商用车、深圳元戎启行等产业伙伴联合发布了5G 智慧港
154、口全业务场景落地白皮书。5G 全场景应用智慧港口的建成投入使用,通过 5G 技术结合云平台、物联网及人工智能等先进技术,发展“智慧高效、以人为本和环境友好”的新型港口综合物流体系,为国内外 5G 智慧港口提供示范标杆。中远海运港口厦门远海码头是中国第一个 5G 全自动化的集装箱码头。福建移动通过提供 5G 端到端切片解决方案(包括 5GC 核心网、SPN 承载网、无线接入网、5G 企业级 CPE、5G 模组等),在远海码头港区 130 万平方米区域实现 5G 一张网全面覆盖前端生产点位,以 5G 架起最后一公里的“空中光纤”,提供从港机远控,无人集卡,智能理货,智能安防,司机行为,人员通信等全
155、业务场景支持,实现高带宽、低时延、高安全可靠的 5G 传输服务。A.5 智慧医疗救援的智慧医疗救援的 SPN 应用案例应用案例 A.5.1 郑州 5G 智慧医疗专网的 SPN 应用案例 郑州的 5G 智慧医疗专网依托 5G 基础网络架构,分为 5G 核心网、5G无线接入网和 5G 承载网三部分,通过切片技术对网络进行端到端切分,保证医疗专网的业务隔离安全和服务质量,涵盖了无线切片技术、核心网虚拟切片技术以及 SPN 承载网切片技术。5G 医疗专网从业务上主要分为院内场景、院外场景和院间场景三大部 95 分,每部分的接入和组网方式存在部分差异。1)院内组网部分院内组网部分:大部分基于 5G 无线
156、接入设备采用无线室分站进行无线接入,再经由无线集中 BBU 统一接入到传输 SPN 接入环,经过 SPN接入环将院内业务发送到 5G 核心网,其中医疗 MEC 可以根据实际业务需求下沉部署在院内或院间的数据中心。院内部分非移动网络需求仍可以基于当前有线办公网络进行接入,这部分业务主要用于桌面办公诊疗,大型医疗设备,固定视频会议等非移动要求网络。图 A.13 院内场景示意 院内流量大部分通过 5G 无线切片接入到 5G 医疗专网切片网络内,再经由 SPN 承载网络的 G.MTN/FlexE 通道切片传输至 5G 核心网医疗专网切片,其中医疗 MEC 如下沉部署在院内或院间的数据中心时,则业务流向
157、就近在下沉的核心网切片内终结,并通过有线专线接入到医疗统一平台或者院内的数据中心。2)院外组网接入院外组网接入:应急救援通过院外 5G 无线接入设备接入 5G 公众网络,通过对应急救援业务的优先级标识区分,经由 SPN 网络建立的G.MTN/FlexE 通道将应急救援业务发送至 5G 核心网。图 A.14 院外组网接入场景 96 3)院区之间组网接入院区之间组网接入:主要是通过院外组网,跨区域的下级地市医院能够远程与中心医院连接,进行远程会诊等业务。下级地市医院的医疗业务流量通过 5G 无线切片接入到 5G 医疗专网内,再经由 SPN 承载网络的G.MTN/FlexE 通道切片和 5G 核心网
158、医疗切片进入到中心医。图 A.15 院间组网接入场景 针对医疗行业的特殊应用场景和业务隔离保障需求,可以对医疗行业业务提供不同等级的无线网络、SPN 承载网络专用通道解决方案。在无线侧与无线切片对接,在核心网侧与虚拟的独立医疗 UPF 对接,共同组成 5G医疗专网。为医疗行业应用建立专有切片网络,对无线网络内部划分专有的资源进行业务隔离;对于 SPN 承载网采用专有 G.MTN/FlexE 接口进行承载,通过 G.MTN/FlexE 接口的刚性管道满足医疗专网的业务流量和业务隔离要求。为临时突发的医疗应用利用切片嵌套技术按需建立专有切片网络以适配部分特殊应用场景,比如应急救护等突发性、移动性、
159、安全性要求严格,需要保证网络即使拥塞的情况下优先保证该业务的服务质量。A.5.2 广州 120 的 5G+SPN 专网医学救援应用案例 广州市急救医疗指挥中心2021年建设5G医疗急救指挥专网与2022年建设的 SPN 应急指挥专网实现。5G 专网基于广州移动在广州市投资建设的全域 5G 基站实现。其中市区 5G 基站覆盖率,RSRP-93dBm,高达 99%;市区 5G 基站底层 SPN 传输网络改造率达 100%,可支持从“移动救治终端到后端指挥中心”全流程的网络弹性分配、物理切片等功能,保障数据传输 97 质量与数据安全。图 A.16 5G+SPN 突发事件紧急医疗救援专网项目业务模型
160、5G+SPN 紧急医学救援专网分为 3 个网络层次,分别是接入网、承载网、核心网。(1)接入网:包括 5G 无线网络接入、SPN 有线网络接入。图 A.17 广州 120 紧急医学救援案例接入网组网示意图(2)承载网:包括接入环、汇聚环等多层次网络,具备环路保护能力,通过 SR 自动寻路技术可实现“永不掉线”的业务承载能力。98 图 A.18 广州 120 紧急医学救援案例承载网组网示意图 在 SPN 承载网的基础上,配置 G.MTN/FlexE 专用切片,划分专用逻辑网络通道,为医疗应急业务提供专属的无线网络传输资源和服务能力。SPN承载网端到端支持三层组网,能够快速部署多点到多点互联业务;
161、基于随流IFIT 功能实现用户业务的 SLA 质量可视,能够实时掌握丢包率、时延、抖动等信息,实现故障的快速定位定界,有效保障急救中心业务安全。(3)5G 核心网:5G 核心网设置有 MEC/UPF 网元设备,为 5G 医疗应急专网业务配置专用 DNN 并在 MEC/UPF 做逻辑切片,实现专网数据信息在切片通道传输,实现业务隔离,并提供高可靠性的业务服务质量保障。A.6 制造行业的制造行业的 SPN 应用案例应用案例 A.6.1 武汉某企业集团的 5G+SPN 专网的智能制造应用案例 武汉某机械制造集团为提升全生命周期管理(从需求、设计、生产、销售、使用、维护到报废)的智能化水平,借助 5G
162、 专网的大带宽、低时延、高可靠、灵活连接、灵活切片等优势,规划了覆盖集团多个子公司、面向下一代智能制造、柔性制造的信息系统。该智能制造系统的需求如下:(1)装备远程操控 99 通过在机械装备、通讯设备、摄像头、传感器等数据采集终端上内置 5G模组或部署 5G 网关等设备,实现机械装备与各类数据采集终端的平台接入,装备操控员可以通过 5G 网络远程实时获取机械装备工作现场全景高清视频画面及各类终端数据(工况、报警、位置)。基于 5G 技术结合装备的智能化能力升级,构建信息传输网络及多传感器融合,实现超远场景的目标自动识别、复杂作业场景三维重建、作业轨迹自动规划与自动作业、装备远程作业实时遥控、基
163、于混合现实施工现场场景在线沉浸虚拟操控,变革设备的操控与工作方式,既保证控制指令快速、准确、可靠执行,又可保障恶劣环境下作业安全和工作效率。(2)设备协同作业 依靠 5G 网络+MEC 边缘计算的低时延高可靠特性,进行高效率低成本的自动化控制,支撑海量设备联网,解决设备精细控制的时延要求,并综合运用统计、规划、模拟仿真等方法,将生产现场的多台设备按需灵活组成一个协同工作体系,对设备间协同工作方式进行优化。根据优化结果对制造执行系统(MES)、可编程逻辑控制器(PLC)等工业系统和设备下发调度策略等相关指令,实现多个设备的分工合作,减少同时在线生产设备数量,提高设备利用效率,降低生产能耗。(3)
164、机器视觉质检 在生产现场部署工业相机或激光器扫描仪等质检终端,通过内嵌 5G 模组或部署 5G 网关等设备,实现工业相机或激光扫描仪的 5G 网络接入。将5G 和 AI 图像处理技术融入到机器视觉检测系统中,通过无线 5G 工业相机和带 5G 模组的 PLC、服务器等设备实现远程数据交互和检测系统组网,不同视觉检测工位可以通过 5G 网络将图片数据传输到远程带 GPU 集群的服务器中,利用传统图像处理算法和深度学习技术对图像进行处理,保证图像大数据实时传输,实时拍摄产品质量的高清图像,在大批量工业生产过程中,100 从拾取和放置、对象跟踪到计量、缺陷检测等应用,利用机器视觉检测的数据提供闭环控
165、制,大大提高生产效率和生产的智能化程度。(4)厂区智能物流 综合利用 5G、自动控制、边缘计算等技术,建设或升级设备操控系统,通过在工业设备、AGV 上加装 5G 模块和传感器,实现 AGV 小车的信号接收和传输。企业智能物流系统中,通过 5G 网络打印收料计划,按计划接收外购物料并拆箱输送智能立库进行入库。厂区 LES 系统根据 MES 系统生产计划自动生成配送计划,并发送给智能立库进行物料拣配。拣配完毕后,系统自动发送信息给 AGV,AGV 接到指令后按规划的路线将物料运输到空中输送线上。空中输送系统负责将物料运载到生产线边,与产线 AGV 进行交互,由 AGV 负责将物料配送到组装工位。
166、全程无缝集成,无需人工干预,全面实现厂区物流的智能化、精准化、数字化,极大提升生产效率、降低人工成本。(5)生产现场监测 综合利用 5G、物联网、人工智能等技术实现生产现场人员、设备、物料、环境、工艺实时监测。通过 5G 网络,连接摄像头、工业设备、各类传感器以及数据监测终端设备,采集生产人员行为、设备运行、物料流转、生产环境、工艺等监测实时数据,对生产活动进行高精度识别、自定义报警和区域监控,实时提醒异常状态,实现对生产现场的全方位智能化监测和管理,实现对人、机、料、法、环等生产现场全要素的智能分析,为企业的降本增效、安全生产赋能。主要包括员工智能行为分析、危险源识别,生产现场施工电子围栏,
167、设备产能动态管理,设备预测性维护、工艺操作规范性检查、工效分析、绿色安全生产等。针对这些需求,采用 5G+SPN 端到端切片方式解决高质、高效、灵活的信息互通。101 在工厂区域,部署 5G 私网,利用 5G 切片技术,保障大带宽,低时延的工厂应用 1:机器控制;2:机器视觉;3:视频监控等应用;在厂区 A、B、C 之间实现高效信息共享,助力实现柔性制造和资源共享,有效降低设备闲置和生产调度成本。表 A.3 面向智能制造的 SPN 网络切片配置方案 切片类型切片类型 适应业务类型适应业务类型 实现机制实现机制 低 时 延 切片 AGV 调度、机械臂、数控机床等实时控制 空口资源预留+SPN T
168、DM 硬切片 高 带 宽 切片 机器视觉质检、高清视频等 空口资源预留+SPN TDM 硬切片 默认切片 管理办公等一般信息系统 L2/L3 VPN 软切片 总体构成如下图所示:SPN-AAGV供应链管理机器视觉质检机械臂智能热处理SPN-BAGV供应链管理机器视觉质检机械臂智能热处理SPN-CAGV供应链管理机器视觉质检机械臂智能热处理SPN-D集团私有云集团控制/运营中心低时延切片大带宽切片管理信息系统切片厂区A厂区B厂区C 图 A.19 武汉某企业集团的 5G+SPN 专网应用示意图 A.6.2 内蒙古某铁合金企业的 5G+SPN 智慧工厂应用案例 该项目由中国移动内蒙古公司乌兰察布分公
169、司打造 5G+智慧工厂应用场景建设,选择内蒙古某铁合金新材料公司作为试点,结合现有的智慧园区 102 云平台资源,主要围绕生产管理、设备管理、公辅管理三个方面打造 12 个具体应用,深入企业从原料管理、生产应用、过程优化、成品收集全过程管理。该 5G 基站全部采用 SA 方式开通。5G 全部采用 2.6GHz 频段,现阶段采用 100MHz 带宽组网,后续视需求扩展至 160MHz 带宽。本项目以实现矿区 5G 网络覆盖为目标,使用宏基站组网覆盖,厂区建设 2 个室外宏基站,全部采用单载波配置,后续按需扩容。传输采用 D-RAN 方式解决,设备利旧原有丰镇汇聚 SPN OSN7900,确保 5
170、G 传输带宽充足,线路由丰镇工业园光交新建光缆至新泰实业集团新建宏站,再由新泰实业集团新建宏站沿厂区内部槽道敷设光缆至新泰实业集团进行开通。在 5G 时代,单一的物理网络已经无法满足上述各种垂直行业千差万别的不同需求,其个性化、差异化的业务需求催生了 5G 网络切片的产生,通过切片技术,5G网络可以满足各行业及应用的定制化个性化网络连接需求。5G 网络切片方案是按各类业务需求实现网络端到端切片功能,满足智慧工厂专网个性化需求的同时确保网络质量和安全性。各业务应用场景切片等级见下表:表 A.4 内蒙古某铁合金企业的 5G+SPN 智能工厂的网络切片划分方案 序号序号 场景类型场景类型 场景内容场
171、景内容 涉及设备涉及设备 切片等级切片等级 1 生产管理 天车司机监控以及远程控制 5G 摄像头 切片-视频类 5G 工业网关 切片-控制类 5G 智能音箱 切片-视频类 PLC 柜 切片-控制类 捞渣机远程集中控制 5G 摄像头 切片-视频类 5G 工业网关 切片-控制类 PLC 柜 切片-控制类 危险源管理 5G 摄像头 切片-视频类 5G 工业网关 切片-控制类 103 序号序号 场景类型场景类型 场景内容场景内容 涉及设备涉及设备 切片等级切片等级 5G 智能音箱 切片-视频类 出炉机器人远程控制 5G 企业网关 切片-控制类 能源管理平台 水表 切片-采集类 电表 切片-采集类 模拟
172、量采集模块 切片-采集类 红外抄表仪 切片-采集类 5G 工业网关 切片-控制类 2 设备运行 净化煤气柜 皮带,锅炉 安全帽 切片-视频类 设备点巡检 移动终端 切片-视频类 识别卡 切片-采集类 设备状态监控 振动传感器 切片-采集类 温度传感器 切片-采集类 电表 切片-采集类 5G 工业网关 切片-控制类 5G 摄像头 切片-视频类 重点用能设备 PLC 采集器 切片-采集类 5G 摄像头 切片-视频类 5G 工业网关 切片-控制类 无人值守系统 切片-视频类 化验系统 切片-视频类 盘煤系统 切片-采集类 3 公辅管理 装载机作业监控 5G 智能视频部标一体机 切片-视频类 5G 监
173、控摄像头 切片-视频类 5G 车载 GPS 定位 切片-采集类 太阳能电池板数据接入 5G 工业网关 切片-控制类 配备有 AI 识别的摄像头 无线布控球 切片-视频类 智能音柱 切片-视频类 人脸识别单屏机 切片-视频类 火瞳红外测温人脸识别一体机 切片-视频类 各业务应用场景切片配置类型和参数见下表:104 表 A.5 内蒙古某铁合金企业的 5G+SPN 智能工厂的网络切片配置方案 切片切片 等级等级 业务可用(单用户、单业务)安全可信 自主可控 B1 B2 B3 B4 B5 T1 T2 T3 T4 T5 S1 S2 M1 M2 M3 带宽需求/单用户(Mbps)业务时延需求(ms)共享
174、独占 可查看业务状态,用户信息 可修改业务,生命周期管理 通过API,实现业务自运营能力 基于优先级隔离 基于物理(通道/时隙)隔离 1-10 10-20 20-50 50-100 100 50-100 20-50 10-20 5-10 5 逻辑隔离 物理隔离 可视 可管 可运营 视频视频类切类切片片 Y Y Y Y 控制控制类切类切片片 Y Y Y Y 采集采集类切类切片片 Y Y Y Y 该 5G+SPN 智能工厂改造升级项目具有以下五个方面特色:(1)采用 5G 专享模式,既通过 5G 公网为厂区客户提供服务。同时通过切片网络为厂区提供无线专网,保证厂区应用的安全性和可靠性。(2)深入到
175、工业控制中,通过 5G 网络的低时延,对工业控制中的天车、出炉机器人、捞渣机进行管理,逐步实现生产车间无人化。(3)在园区利用 SPN 网络和 5G 网络千兆大带宽优势,对摄像头进行统一管理,采用边缘计算方式对安全生产进行管理,通过人工智能主动发现园区存在安全隐患的问题,及时上报告警,提升厂区安全性。同时对生产过程的能耗、材料进行量化监控,形成生产数据,通过数据模型管理生产配料,提升产品品质。(4)通过 5G 网络的大规模物联网场景,对工业 PLC 数据、生产数据、105 用电、用水、用料的数据进行采集和收集,实现自动精准采集工业数据。(5)对原有的普通摄像头加装边缘计算模块,迅速实现了原有普
176、通摄像头具备边缘计算和 AI 算法的能力,避免原有摄像投的重复投资浪费。参考文献【1】5G 与工业互联网融合应用发展白皮书(2019.10)工业互联网产业联盟(AII),5G 应用产业方阵(5G AIA)【2】5G 智慧医疗专网 SA 弹性切片技术白皮书(2019.12)【3】5G+垂直行业承载技术及典型应用方案研究白皮书(2020.10),IMT-2020/5G 推进组【4】5G 确定性承载网络 SLA 指标体系白皮书(2021.11),IMT-2020/5G推进组【5】5G 应用“扬帆”行动计划(2021-2023 年)(2021.7),工信和信息化部联合九部委发布【6】SPN 小颗粒技术白皮书,2021 年 6 月,中国移动通信研究院联合中国信息通信研究院、中国电力科学研究院、华为、中兴、烽火等多家单位发布【7】国能安全2015 36 号文,国家能源局关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案的评估规范的通知;【8】5G 确定性网络+工业互联网融合白皮书,2020 年 11 月,5G 确定性网络产业联盟(5GDNA)【9】SPN2.0 技术白皮书,2022 年 6 月 30 日,中国移动通信研究院联合中国信息通信研究院、中国电力科学研究院、华为、中兴、烽火等多家单位发布