未来工业传输控制网向全光纤发展之态势

上一篇文章我们介绍了新一代全光纤工业传输控制网， 本文探讨工业传输控制网朝向全光纤发展的趋势。阐述采用全光纤工业传输控制网的技术难点、性能优势、解决方案和应用举例。

一、问题的提出

工业互联网实现一体化设计有利于发展中的机器人、工业4.0和自动驾驶汽车等领域形成一套成熟的工业网络标准，以表征感知、传输、控制三者之间相辅相成和相互制约的耦合关系。

目标聚焦工业网络的传输与控制，有无可能发挥光纤的长处，朝向全光纤网络开拓发展呢？

答案是肯定的。随着光纤入户(FTTH)市场和应用范围的不断扩大，全球已经形成了巨大的光网络元器件配套服务和产业链。 当前，市场需求在急剧增长，尤其是在电动汽车、机器人和智能工厂高端领域, 整合传输网与控制网所需的技术迫在眉睫，也日趋成熟。 所以，目前正是融合和发展一套全新的全光纤传输控制网络解决方案的最佳时机。

二、采用全光纤工业传输控制网络的技术难点

采用全光纤工业传输控制网络解决方案的技术难点是多方面的。

首先，单纯沿用传统的无源光网PON不能解决问题。由于当年无源光网PON设计初衷是简化拓扑结构，减少交换机投入，不是为了实时应用，所以需要有分开的控制局域网（CAN总线）来发送信息。由此，便造成延时和可靠性等问题，使得网络庞大成本高。也就是说，传输用的PON在连接光纤控制网时需要做大量的革新。

其次，新的体系遇到重新树立工业标准问题。2012年以来推广的TSN（Time Sensitive Network-时间敏感网络是以太网的一个分支。TSN本质上是一个以太网扩展集。期望成为以以太网为基础的新一代网络标准，必须具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。但是，TSN依然是铜缆布线，目前最高带宽仅达到1Gbps。
以太网的铜缆解决方案将很快趋向瓶颈。商业版本的10G以太网使用4对双绞线，汽车版本的10G需要使用单对电线以减少布线的复杂性。 10GBase-T1规范于去年才开始，并且还将在数年内最终确定，其技术难题尚待克服。新的方案必须具备成为下一代的中国自主工业控制网络标准的潜力。

第三，全套协议要重新制订。传统的PON网络中，光网络单元(ONU)不能发送数据到另一个ONU。 当传感器传送数据去AI处理器时，解决办法是通过边缘路由器（专用计算机）或者智能机交换机来路由和改变地址，数据才能够传递到另一个目的地ONU。 这又增加了网络的复杂性和成本， 降低了效率和性能。新系统里要求每个节点能发送信息到另一节点，这正是支持工业互联网的关键要求。

第四，新系统的设备模块需要采用先进制程半导体技术重新设计。光纤传输控制设备不能延用传统光通信线路中的（ONU）模块， 因为节点增加了控制和协议功能，不同于单纯传输数据。全系统设备模块包括核心层、区域层、节点级别的连接和控制模块，有待用高端技术设计生产出系统芯片（SoC）和相应的开发工具套件（SDK）。

新方案开拓者不仅要提出思路和总体系统框架结构，更要设计提供相应解决方案的产品。用光纤取代铜缆的变革，不是想不到，就怕做不到。除了有创新的魄力，更要有落地的实力。它将通信网络技术、自动控制技术、 计算机硬软件技术和半导体纳米级芯片设计生产等领域的先进技术进行高度融合，方能形成一个多维度协调动态系统来实现目标。

三、全光纤工业传输控制网络概述

鹏瞰科技提出了基于光传输的工业控制网络技术，称为全光纤工业传输控制网络PonCAN，尚属全球首次。

PonCAN由无源光纤传输和工业控制相融合而构建成一张统一的网络，在传输速度上比TSN提升十倍以上。

PonCAN一改局域网用铜缆布线的状况。光纤贯穿全线，局域控制网依托于光纤，传输和控制无缝连接，交融汇合，构成一张网。每点可发信息， 赋能数据洪流。

图1：PonCAN网络赋能数据和AI

图一表示采用光纤的传输控制网络速率达10Gbps,数据流畅通。

PonCAN重新定义了一套协议。高带宽的传输功能融入CAN而组合成一个简单的网络。含有源和目的地地址的数据包头(packet head) 能使每个包送达到多节点。
 
图2： 全光纤工业传输控制网络PonCAN结构示意图

图二是全光纤工业传输和控制的PonCAN网络架构示意图。如图所示，PonCAN主要由核心网关（CORE）和节点（multiple NODE）组成。位于中心控制站的核心网关(CORE)包含有交换模块、根(ROOT)媒体接入控制（MAC）和光模块，受中心处理器CPU支配管理。连接光纤干线设备（OLT）通过10G/2.5G/1.25G单纤双向组件（BOSA）、分光器(Splitter) 通往各个分路，连到各个节点(NODE)芯片。每个节点都可以发信息到多个节点。

四、全光纤工业传输控制网的性能特点

PonCAN体系架构设计的主要性能如下：
˙带宽端口吞吐量达到10G。以后还可扩展到25G，50G甚至更高。
˙传送数据包实时性。时间延迟小于100µs。高优先级信息时延更短。
˙数据重发机制。精准时间同步。
˙兼容性。 可用于光铜混合模式， 支持不同的拓扑结构。
˙配备一流的三层安全性。 组件级、网络级和行为级安全防护。
˙网络简单，成本低。

五、PonCAN应用前景和举例

为了迎合发展趋势和加快研制进度，进行强强联手合作共赢是一条可取之路。在智能机器人应用领域，整体系统与系统芯片SoC开发相结合, 不愧为经典的案例。

作为全球首家云端机器人运营商， 达闼科技前瞻性地提出云端智能机器人架构， 并建立“云—网—端”（即云端大脑-安全神经网络-机器人身体）架构体系。机器人认知系统集成在云端，通过云端及深度学习为基础人工智能平台提供多模态AI能力。 在5G通信技术支撑下，机器人本体和云端大脑之间通过高速安全专网和标准化机器人控制单元（RCU）连接，实现云—网—机（端到端）的云端智能安全操控机器人运营服务。

达闼科技新一代人形机器人具有抓取能力、运动能力，采用激光雷达、2D/3D 摄像头和多传感器。闭环柔性控制需要多达34个自由度的关节配备柔性控制器（DoF）。另外，配合对话能力、视觉能力有多层 2D/3D 视觉感知和图形识别检测。人机交互特性要求极高的处理速度，超短的延迟，完美匹配5G网络低时延、高带宽和优良连接特性。

机器人内部通信采用光纤总线PonCAN技术，而非光纤点到点互连技术。系统内部只需要一根无源光纤就完成了传统的电气互连，极大地简化了互连的复杂性，为可靠性，可生产性和制造成本等带来了一系列的优点。性能上支持 10Gbps高速率，保证QoS和低延迟，使机器人得以完成灵活、流畅、准确、安全地运动。

 图3：PonCAN 系统芯片SoC架构示意图 

机器人需要智能柔性关节（SCA）控制器架构。鹏瞰科技将PonCAN架构引入控制区域网络，超越了传统区域网络的局限性。图三表示一组全新的控制系统芯片SoC架构。 它集成传感器输入和精密马达控制，集成控制和网络通讯，减少减轻连线，抵抗电磁干扰，降低系统复杂度，以此提供高精度、高性能、高功率。

PonCAN应用前景可观，可覆盖的领域广泛。重点包括智能机器人、汽车制造、5G分布基站、航空、医疗等。图四表示PonCAN可应用到各个行业。 与此同时，符合时代要求、有效的商业模式也值得探讨尝试。

图4： PonCAN可覆盖广泛的应用领域。

全光纤工业传输控制网络系统具有超前的概念和突破，意在顺应发展潮流，推动工业网络系统的感知、传输、控制一体化。PonCAN为机器人和工业控制设计的第一个网络通讯平台，也为电动车、自动驾驶和工业4.0提供了新一代数据传输和工业控制网络参考解决方案。

责编：Amy Guan