面向行業(yè)場景的SPN2.0技術特性和應用方案研究

  十四五是我國重點行業(yè)向數字化和智能化轉型發(fā)展的重要階段，5G+工業(yè)互聯(lián)網將持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展新應用和新生態(tài)，電力、交通和鐵路等重點行業(yè)也將逐步實現(xiàn)專網升級換代。工信部已發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》中，明確提出支持深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網”“確定性網絡等新技術部署”的行動策略。發(fā)展高質量的5G+工業(yè)互聯(lián)網和行業(yè)專網，需重點推進三方面工作：一是企業(yè)內網升級改造，推動信息技術（IT）網絡與生產控制（OT）網絡融合，建設多業(yè)務安全可靠承載的園區(qū)網絡；二是開展企業(yè)外網建設，推動基礎電信企業(yè)提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網絡服務，探索云網/算網融合、確定性網絡、IPv6分段路由（SRv6）等新技術部署；三是在保障數據安全和網絡安全的前提下，推動工業(yè)企業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網平臺等接入高質量外網，并研究互聯(lián)互通新機制。

  為了不斷滿足典型行業(yè)場景的承載新需求，中國移動聯(lián)合中國信通院和我國主流設備商持續(xù)推動切片分組網絡（SPN）面向行業(yè)的技術創(chuàng)新和產業(yè)化應用發(fā)展，正在電力、交通、煤礦、港口、醫(yī)療、工業(yè)園區(qū)等多個典型行業(yè)場景開展應用方案實踐，并在2023年1月的工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟全會上通過了《SPN網絡在工業(yè)場景的需求及應用研究報告》。

  典型行業(yè)場景的承載需求分析

  不同行業(yè)場景的網絡承載需求呈現(xiàn)多樣化和差異化的特性。以5G+工業(yè)互聯(lián)和智能電網的典型業(yè)務場景為例，表1匯總了5G+超高清視頻、5G+遠程控制、5G+云化AGV、5G+機器視覺、5G+無人機、5G+云端機器人、5G+AR和5G+VR等八大業(yè)務場景和電力業(yè)務對通信網絡的承載能力特性和指標需求差異。

  總體來看，為了滿足不同行業(yè)差異化業(yè)務需求，承載網需具備以下特性：

  - 硬隔離切片能力：工業(yè)領域業(yè)務和場景復雜多樣，主要包括生產控制類、生產采集/檢測類和信息監(jiān)測管理類等業(yè)務；在多業(yè)務混傳和復雜業(yè)務流量流向場景下，需要提供生產類業(yè)務的端到端硬隔離切片保障。

  - 電信級高可靠性：工業(yè)互聯(lián)網、智能電網等行業(yè)的生產類業(yè)務均提出了99.999%及以上的高可靠性網絡需求，需提供端到端高可靠的網絡保護恢復機制和電信級運維能力。

  - 確定性承載能力：面向工業(yè)控制和工業(yè)監(jiān)測等典型場景的確定性需求，需重點研究如何構建端到端確定性網絡，并推動廣域異構網絡的確定性承載技術創(chuàng)新和產業(yè)發(fā)展。

  - 靈活接入調度能力：工業(yè)領域的業(yè)務終端和業(yè)務類型復雜多樣，大量異構終端的網絡接口、網絡協(xié)議和網絡通信需求存在差異；保障多樣異構終端的大規(guī)模接入、協(xié)同運行和靈活高效的調度轉發(fā)成為承載網絡需具備的重要特性之一。

  - 多維業(yè)務感知能力：業(yè)務深度感知和新型ICT技術的應用，將為工業(yè)用戶的行業(yè)數字化轉型和高質量發(fā)展提供有力的支撐。如何實現(xiàn)與新型ICT技術的深度融合將是通信網絡面臨的重要挑戰(zhàn)。

  - 智能化管控運維能力：網絡運維的智能化、便捷化和開放性將大幅提升各類工業(yè)互聯(lián)網業(yè)務運行的效率和自主性，并縮短新業(yè)務部署的響應時間，使能行業(yè)敏捷創(chuàng)新。

  SPN2.0的標準化發(fā)展和技術特性

  與SPN1.0相比，SPN2.0在多業(yè)務綜合承載、云網/算網融合、網絡覆蓋、智能管控運維和低碳節(jié)能等能力方面均有顯著提升。通過引入支持N×10Mbps細粒度單元（FGU，F(xiàn)ine Granularity Unit）的新型幀結構和交叉技術，擴展了面向行業(yè)專線接入和工業(yè)園區(qū)應用的10GE小型化接入SPN設備類型，并重點增強了面向5G+垂直行業(yè)、政企專線和云網/算網融合業(yè)務的綜合承載能力。

  面向行業(yè)應用場景的差異化承載需求，中國移動自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/專網需求的SPN小顆粒技術方案，統(tǒng)一確定了基于N×10Mbps帶寬的細粒度單元（FGU）方案，于2021年6月聯(lián)合發(fā)布了《SPN小顆粒技術白皮書》，2021年下半年完成了中國移動相關企標《切片分組網（SPN）細粒度切片技術要求》和《10GE接口細粒度切片技術要求》研制，2022年6月發(fā)布SPN2.0技術白皮書和專線產品，正在開展多廠家SPN2.0設備的全面評測和互通驗證。目前，工信部已正式發(fā)布了三項SPN通信行業(yè)標準：YD/T 3826-2021《切片分組網（SPN）總體技術要求》、YD/T 3974-2021《5G網絡切片基于切片分組網（SPN）承載的端到端切片對接技術要求》和YD/T 4172-2022《切片分組網（SPN）設備技術要求》；完成了《切片分組網絡（SPN）設備測試方法》等三項行標報批，正在研制《切片分組網絡（SPN）細粒度承載技術要求》和《切片分組網絡（SPN）互通技術要求》等六項行標。

  作為SPN切片通道層的關鍵技術，MTN（Metro Transport Network）技術已在ITU-T形成了一套體系化的國際標準系列。截止到2023年1月，已發(fā)布了MTN架構G.8310、MTN接口G.8312、MTN設備功能G.8321、MTN線性保護G.8331、MTN網絡管控G.8350五項國際標準建議和網絡演進G.sup.69一項技術報告，MTN同步標準將于2023年完成。在2022年9月的ITU-T SG15全會上，我國成員成功推動立項細粒度MTN（G.fgMTN）標準，標志著MTN擴展細粒度子通道的核心架構和關鍵技術獲得國際標準組織認可。

  SPN2.0在行業(yè)場景的應用方案研究

  SPN2.0在行業(yè)場景的應用定位分析

  工業(yè)互聯(lián)網包括工業(yè)內網和工業(yè)外網兩大類網絡應用場景。工業(yè)內網主要是實現(xiàn)企業(yè)內部連接生產、控制等環(huán)節(jié)的數據，并提供企業(yè)日常運行的信息化通信管理。工業(yè)內網分為OT網絡和IT網絡兩部分。工業(yè)外網主要為實現(xiàn)遠程生產控制的通信實體之間提供高可靠和低時延的網絡連接。我國基礎電信運營商的網絡需向滿足工業(yè)互聯(lián)網的信息通信網絡綜合服務提供商發(fā)展，不僅提供網絡的可信安全、電信級高可靠性和確定性承載能力，還應實現(xiàn)泛在接入、靈活組網、可視化智能管控和SLA服務質量嚴格保障。

  SPN2.0在工業(yè)互聯(lián)網的應用以工業(yè)外網為主，根據不同行業(yè)應用場景的需求差異，兼具解決煤炭、港口和工業(yè)園區(qū)等部分工業(yè)內網的應用場景。小型化接入SPN2.0設備可作為工業(yè)內網的出口網關設備，實現(xiàn)工業(yè)內網和工業(yè)外網的有效銜接，包括多業(yè)務安全隔離的綜合承載、端到端網絡切片互通和協(xié)同調度、不同行業(yè)切片的開放服務能力等。

  SPN2.0具備軟硬兼具和層次化的網絡切片能力。一是通過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接口或通道內通過分組統(tǒng)計復用、QoS隊列優(yōu)先級調度和SRv6、SR-TP、MPLS-TP等分組隧道實現(xiàn)軟隔離的高帶寬利用率、差異化承載和靈活調度，具體如圖1所示，實現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網的生產控制、信息管理和互聯(lián)網接入等多業(yè)務類型的高安全隔離、高可靠統(tǒng)一承載和差異化SLA保障，是目前承載網絡技術中最具綜合競爭力、關鍵技術和產業(yè)鏈基本自主可控并具有長期發(fā)展前景的新一代承載網絡技術解決方案。

SPN2.0在5G+智能電網和電力通信專網的應用方案

  基于5G的電力行業(yè)虛擬專網具有“超低時延”“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，分別為電網不同分區(qū)業(yè)務提供物理資源、虛擬邏輯資源等不同層次的安全隔離能力，實現(xiàn)5G+MEC+切片的配網“三遙”、配網差動保護、配網DTU、分布式能源、輸變電側智能巡檢等應用落地，解決智能電網末梢的通信痛點。

  電力5G配網業(yè)務主要分為控制和采集兩大業(yè)務類型。電力網絡承載的業(yè)務差異性大，安全等級要求各不相同，既有時延抖動、高可靠性的差動保護業(yè)務，也有同步精度的配電自動化業(yè)務和大帶寬的視頻會議業(yè)務。SPN電力行業(yè)切片無線通過PRB資源預留，傳輸SPN通過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隔離專線來提供保證帶寬（見表2）。

  結合業(yè)務需求及網絡現(xiàn)狀，南方電網某公司自2021年開始規(guī)劃部署基于SPN的新型電力通信網，滿足語音視頻局域網、綜合數據網、2M專線業(yè)務等綜合承載，具體組網方案如圖2所示，支持大帶寬組網、硬切片隔離、智能運維以及10Mbps FGU技術。

應用展望

  SPN作為我國運營商、科研機構和網絡設備商協(xié)同創(chuàng)新的新一代承載網絡技術，已成為我國主導承載網絡技術標準創(chuàng)新并成功推動產業(yè)規(guī)模發(fā)展的典范，不僅成為國際電信聯(lián)盟標準化部門（ITU-T）認可的新一代傳送網國際標準技術標準體系，而且已在中國移動5G承載網絡上實現(xiàn)超34萬端的規(guī)模部署。

  SPN2.0憑借其特有的TDM時分復用與分組統(tǒng)計復用深度融合創(chuàng)新技術優(yōu)勢，兼具確定性低時延、多粒度交叉、層次化切片和靈活智能感知等網絡能力優(yōu)勢，正在智能電網、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)場景規(guī)模應用推廣，逐步成為新一代綜合業(yè)務承載網絡的標桿。

  作者：中國信息通信研究院技術與標準研究所 李芳，趙俊峰