面向行業場景的SPN2.0技術特性和應用方案研究

  十四五是我國重點行業向數字化和智能化轉型發展的重要階段，5G+工業互聯網將持續創新發展新應用和新生態，電力、交通和鐵路等重點行業也將逐步實現專網升級換代。工信部已發布的《工業互聯網創新發展行動計劃（2021—2023年）》中，明確提出支持深化“5G+工業互聯網”“確定性網絡等新技術部署”的行動策略。發展高質量的5G+工業互聯網和行業專網，需重點推進三方面工作：一是企業內網升級改造，推動信息技術（IT）網絡與生產控制（OT）網絡融合，建設多業務安全可靠承載的園區網絡；二是開展企業外網建設，推動基礎電信企業提供高性能、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，推動工業企業和工業互聯網平臺等接入高質量外網，并研究互聯互通新機制。

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

  典型行業場景的承載需求分析

  不同行業場景的網絡承載需求呈現多樣化和差異化的特性。以5G+工業互聯和智能電網的典型業務場景為例，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等八大業務場景和電力業務對通信網絡的承載能力特性和指標需求差異。

  總體來看，為了滿足不同行業差異化業務需求，承載網需具備以下特性：

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

  - 電信級高可靠性：工業互聯網、智能電網等行業的生產類業務均提出了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：面向工業控制和工業監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新和產業發展。

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

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

  - 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互聯網業務運行的效率和自主性，并縮短新業務部署的響應時間，使能行業敏捷創新。

  SPN2.0的標準化發展和技術特性

  與SPN1.0相比，SPN2.0在多業務綜合承載、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，Fine Granularity Unit）的新型幀結構和交叉技術，擴展了面向行業專線接入和工業園區應用的10GE小型化接入SPN設備類型，并重點增強了面向5G+垂直行業、政企專線和云網/算網融合業務的綜合承載能力。

  面向行業應用場景的差異化承載需求，中國移動自2019年中開始協同探索面向5G+垂直行業和政企客戶專線/專網需求的SPN小顆粒技術方案，統一確定了基于N×10Mbps帶寬的細粒度單元（FGU）方案，于2021年6月聯合發布了《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，工信部已正式發布了三項SPN通信行業標準：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在行業場景的應用方案研究

  SPN2.0在行業場景的應用定位分析

  工業互聯網包括工業內網和工業外網兩大類網絡應用場景。工業內網主要是實現企業內部連接生產、控制等環節的數據，并提供企業日常運行的信息化通信管理。工業內網分為OT網絡和IT網絡兩部分。工業外網主要為實現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互聯網的信息通信網絡綜合服務提供商發展，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在工業互聯網的應用以工業外網為主，根據不同行業應用場景的需求差異，兼具解決煤炭、港口和工業園區等部分工業內網的應用場景。小型化接入SPN2.0設備可作為工業內網的出口網關設備，實現工業內網和工業外網的有效銜接，包括多業務安全隔離的綜合承載、端到端網絡切片互通和協同調度、不同行業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計復用、QoS隊列優先級調度和SRv6、SR-TP、MPLS-TP等分組隧道實現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，實現了工業互聯網的生產控制、信息管理和互聯網接入等多業務類型的高安全隔離、高可靠統一承載和差異化SLA保障，是目前承載網絡技術中最具綜合競爭力、關鍵技術和產業鏈基本自主可控并具有長期發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業務提供物理資源、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配網業務主要分為控制和采集兩大業務類型。電力網絡承載的業務差異性大，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務，也有同步精度的配電自動化業務和大帶寬的視頻會議業務。SPN電力行業切片無線通過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）。

  結合業務需求及網絡現狀，南方電網某公司自2021年開始規劃部署基于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同創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新并成功推動產業規模發展的典范，不僅成為國際電信聯盟標準化部門（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承載網絡上實現超34萬端的規模部署。

  SPN2.0憑借其特有的TDM時分復用與分組統計復用深度融合創新技術優勢，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勢，正在智能電網、智慧交通、智能礦山、智慧港口、智慧醫療和智能制造等典型行業場景規模應用推廣，逐步成為新一代綜合業務承載網絡的標桿。

  作者：中國信息通信研究院技術與標準研究所 李芳，趙俊峰