姜玉峰

（1. 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2. 煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

PON（Passive Optical Network，无源光网络）是通信行业主流的光纤接入技术，凭借极简架构、灵活部署等优势，已经广泛应用于运营商网络，主要服务家庭宽带及企业专线两大场景，同时正在向工业领域扩展，助力工业制造的数字化转型[1-2]。矿井通信网络长期以工业以太网为主，采用环形、树形、星形以及混合型组网方式向井下各类子系统提供信息传输服务，随着业务规模的扩展，其拓扑结构越发复杂，并存在重复建设等问题，导致设备部署、网络运维等工作面临严峻挑战。得益于10G PON的成熟商用，特别是基于10G PON的F5G（The 5th generation Fixed networks，第五代固定网络）概念的提出，矿井通信网络迎来了全新的解决方案，为智能矿山建设提供大带宽、低时延、高可靠、易部署、易扩展的信息基础设施[3-5]。

面向10G PON的井下应用，业内学者开展了深入研究。王国法等[6]在前景展望中对矿用光纤环网组网提出了要求；任高建等[7]提出了在煤矿安全监控系统中的应用方案，并通过实验室测试及现场试验证明了其可靠性；吴文臻等[8]设计了10G PON与5G在煤矿井下的融合组网架构，并对行业生态建设提出构想；温良等[5]分析了10G PON在智能化煤矿建设中的技术优势及应用场景，并指出建设方案有待验证；韩忠利[9]研究了10G PON在矿井应用中的关键技术，为煤矿行业高质量传输网络提供了一种高可靠的方案。上述研究成果着重探讨了10G PON的应用场景及组网架构，而本文则对多业务承载、安全可靠机制、统一网管平台等进行针对性设计。目前，国外矿井普遍采用光纤以太环网，暂无关于10G PON井下应用的文献报道。

2021年9月，ITU-T（International Telecommunication Union-Telecommunications Standardization Sector，国际电信联盟电信标准化局）发布了下一代PON（50G PON）的第一版标准。2022年9月，ETSI（欧洲电信标准协会）发布了《F5G Advanced and Beyond》白皮书，阐述了未来演进的驱动因素、能力维度和关键使能技术，并预计2030年固定网络演进到F6G[10]。本文将PON技术演进与智能矿山建设需求相结合，提出平滑升级50G PON、构建确定性网络、承载井下移动业务、实现通感一体、网算融合等发展前景。

1 PON技术架构及规格

PON采用P2MP（Point to Multipoint，点到多点）的拓扑结构[11]，主要包括局端的OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）、用户侧的ONU（Optical Network Unit，光网络单元）以及中间的ODN（Optical Distribution Network，光分配网络），其中，OLT和ONU是光电一体的设备，ODN是由光纤、光分路器等无源器件构成的光传输通道。OLT利用网络侧接口与上端设备连接，执行流量调度，缓冲区控制等功能，并通过ODN对ONU进行维护和监控。ONU是接入网终端，用于提供用户侧接口，并受OLT的集中控制。通过采用不同的载波波长，OLT与ONU之间的上下行信号在单根光纤内独立传输，传输原理如图1所示。下行方向采用广播的方式，OLT发出的光信号被ODN分成多份，每份都携带完全相同的数据，再由每个ONU提取出属于自己的部分；上行方向采用TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址接入）的方式，OLT为每个ONU分配了不同的时间窗口，ONU只在属于自己的时间窗口内发送光信号，然后经ODN汇聚成一个信息流，再由OLT接收处理。

图1 点到多点传输的原理Fig. 1 Principle of P2MP transmission

在FSAN（Full Service Access Networks，全业务接入网）、ITU-T、IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师学会）等国际标准化组织的推动下，PON技术历经多次演进，目前已经实现了10G PON的大规模商用，可为用户提供对称10 Gbps的上下行速率。根据技术标准的不同，10G PON分为10G EPON和XG（S）-PON两大阵营，详细的技术规格见表1。分光比1∶N表示将1路光平均分为N路，传输距离指的是ODN与ONU之间的最大距离，二者均与光传输通道的衰减损耗直接相关。受光接收器的灵敏度限制，PON系统无法兼顾分光比和大传输距离，但可在应用场景中根据用户数量、覆盖范围的具体需求进行折衷设计：在1∶128的分光比下，10G EPON的传输距离是30 km，XG（S）-PON的传输距离可达40 km；如果传输距离为20 km，10G EPON最高可支持1∶256分光，XG（S）-PON最高可支持1∶512分光。

表1 10G PON的技术规格Table 1 Technical specifications of 10G PON

2 矿井F5G（10G PON）应用方案

2.1 井下网络部署

2020年，ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会）将10G PON与Wi-Fi 6（Wireless Fidelity 6，第六代无线网络）、200G/400G OTN（Optical Transport Network，光传送网）等技术一起列入F5G标准，由此开启“光联万物”时代。2021年，煤炭科学技术研究院有限公司与华为技术有限公司联合发布了F5G智能化煤矿应用方案，推进10G PON在煤炭行业的应用，为矿山智能化建设提供新思路。

不同于常规的PON部署，矿井F5G采用两套相同配置的OLT和ODN，均与各个ONU保持通路连接，形成一主一从的双链路传输系统，如图2所示。两台OLT被放置在地面机房，与核心交换机之间保持两两连接；两套ODN采用尽可能不同的传输路径，避免同时发生断路或损坏；全部ONU均被部署在井下工作面附近，向传感器、控制器、摄像仪、无线AP（Access Point，接入点）等提供标准的以太网接口。在通常情况下，ONU只通过主链路中的OLT和ODN来实现网络接入，同时借助功率测量等手段对链路状态进行实时监测。一旦发现主链路出现故障，ONU立即启动链路倒换程序，在几十毫秒内接入从链路实现网络功能的自愈。为了满足移动性场景的网络接入需求，无线AP在Wi-Fi 6的加持下，通过接入ONU向附近用户提供大带宽、低时延的无线网络覆盖[4, 12-13]。

图2 矿井F5G网络拓扑Fig. 2 Network topology of mine F5G

2.2 多业务承载

矿井F5G通过VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）划分来实现话音、数据、视频等不同业务之间的逻辑隔离。具体来说，每个VLAN都是一个广播域，相同VLAN内的用户可以直接通信，这种通信被称为二层通信；不同VLAN之间互相隔离，用户无法直接互访，需要通过路由器、交换机等具备三层路由功能的设备实现相互通信。图3是矿井F5G的VLAN划分示意图，CVLAN是用户VLAN，SVLAN是服务VLAN，二者通过OLT完成互相转换。

图3 VLAN划分示意图Fig. 3 VLAN division diagram

另外，矿井F5G还构建了QoS（Quality of Service，服务质量）管理机制：在网络侧接口处，根据服务要求对业务进行分类、流量控制；OLT根据业务流的优先级标记，实施队列调度、流量整形、拥塞避免等策略；ONU负责识别业务流，并标记对应的不同优先级。作为井下骨干网络，矿井F5G将VLAN划分与QoS管理机制相结合，向井下多个生产、智能化子系统提供统一的网络承载，提供稳定可靠的网络服务。

2.3 安全可靠机制

为了保障信息安全，矿井F5G采用上下行双向AES-128加密传输，并且支持密钥的同步更新。AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称分组加密算法，所谓的对称是指加密解密使用同一密钥，算法的分组长度为固定的128 bit，密钥长度有128 bit、192 bit和256 bit三种可选，AES-128的密钥长度为128 bit。该算法从1998年出现至今，经过多方研究和广泛应用，从未被成功破解，具备较高安全性。加密传输流程如图4所示，对于下行而言，OLT为发送端，ONU为接收端，对于上行而言，ONU为发送端，OLT为接收端。通过引入加密传输机制，矿井F5G能够提供从井下用户到地面机房的端到端链路安全保障。

图4 加密传输流程图Fig. 4 Encrypted transmission flowchart

由于OLT与ONU之间存在“一对多”的关系，OLT为每个ONU分配了不同的时间窗口，ONU只在属于自己的时间窗口内发送光信号。如果某个ONU在不属于自己的时间窗口内发光，则会与其他ONU产生冲突，被称之为流氓ONU。流氓ONU有两种，一种是长发光，另一种是间歇发光。矿井F5G通过OLT检测和ONU自检相结合的方式来发现并隔离流氓ONU，OLT检测是通过传输距离识别来判断流氓ONU的具体位置，并进行远程控制关闭或者现场实施断路，主要适用于长发光的流氓ONU；ONU自检是通过核验时间窗口来判断自身的合法性，可以检测到长发光和间歇发光的流氓ONU，并进行隔离。矿井F5G通过引入检测流氓ONU机制，加强对ONU的有效管理，提升网络的可靠性。

2.4 统一网管平台

井下环境复杂、影响因素较多，导致光纤接入网络可能出现端口、设备及线路问题，而现场环境往往很难实现对故障的快速定位。矿井F5G在地面部署统一网管平台，如图5所示，通过向OLT、ONU发送诊断报文，构建自上而下的状态感知与故障定位系统，实现业务的灵活部署、资源的统一管理、故障的集中监控以及告警的实时上报，可以为智能矿山提供状态可见、业务可控的信息传输通道。

图5 统一网管平台Fig. 5 Unified network management platform

3 矿井PON演进方向

3.1 平滑升级50G PON

下一代PON的速率将提升50 Gbps，相关技术是当前的研究热点，IEEE提出基于波长叠加和通道绑定技术实现2×25 Gbps速率，ITU-T则聚焦在单通道的速率提升，积极构建50G PON体系。2021年9月，ITU-T发布了50G PON的第一版标准——ITU-T G.9804.3，目前已有部分单位完成了50G PON的样机测试及业务承载测试。由于沿用了传统的传输机制及网络架构，50G PON能够利用已有的ODN基础设施进行部署，并通过选取差异化的载波波长实现与10G PON或其他PON系统的共存。

对于已经部署的矿井F5G网络，主要有两种升级策略：一种是将全部OLT、ONU替换成50G PON规格，实现井下网络的全面升级，另一种是根据井下业务的实际需求，允许井下50G PON与10G PON共存。图6是井下50G PON与10G PON共存的具体方案：井下将部分ONU替换成50G PON规格，满足其所在区域的速率提升需求；井上对OLT进行改造，利用WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）器件或设备来实现10G PON、50G PON两种规格的组合应用，形成所谓的Combo OLT（组合OLT）；在接入网层面，50G PON与10G PON系统互无影响，各自为不同业务提供信息传输管道，与此同时，二者同时接受网管平台的统一管理。

图6 井下50G PON与10G PON共存方案Fig. 6 Coexistence scheme of 50G PON and 10G PON in coal mines

3.2 构建确定性网络

在数字化矿井中，生产设备的控制管理系统，以及人员、环境、车辆等的监测系统都需要依托光纤网络进行业务承载。随着井下高清视频、无人巡检、远程控制等业务数据的激增，网络的负载状态发生了明显变化，导致了网络拥塞风险的加剧[14-15]。图7是吞吐量和时延随负载的变化情况，可以看出：在负载较低时，吞吐量和时延与负载成正比；当负载超过“膝点”，吞吐量的提升放缓，而时延却开始大幅增加；一旦负载突破“崖点”，网络进入拥塞崩溃状态，具体表现为吞吐量陡降、时延猛增，随之而来的数据包丢失、重传等问题。

图7 吞吐量和时延随负载的变化情况Fig. 7 Throughput and latency vary with load

确定性网络是矿井PON发展的重要方向。所谓的确定性网络是通过网络资源预留、节点时间同步等操作，向确定性业务提供更严格、更明确的QoS保障，具体包括：低时延（上限确定）、低抖动（上限确定）、低丢包率（上限确定）、高带宽（上下限确定）、高可靠（下限确定）。预计，确定性矿井PON能够将端到端时延控制在微秒级，将时延抖动控制在纳秒级，将可靠性控制在99.9999%以上，为三维视觉、虚拟现实、无人驾驶、数字孪生等智能化技术的井下应用提供高质量网络。

3.3 承载井下移动业务

PON具备大带宽、低时延、高可靠等明显优势，同时借助Wi-Fi 6可实现局部的无线网络覆盖，但与5G、4G等移动网络相比，其在可移动性、广连接性上仍有不足。现阶段，PON与移动网络在井下独立共存，各自服务于不同需求的矿山智能化应用。随着PON技术的演进，特别是未来50G PON、确定性PON的落地应用，矿井PON将兼具移动业务承载的能力，构建统一的“井下-井上”业务传输通道。图8是支持移动业务承载的矿井PON部署方案，利用ODN、ONU替代传统的光纤环网、环网交换机，此外，还可通过ONU下挂UWB（Ultra Wide Band，超宽带）基站，同时实现井下的高精度定位。

图8 支持移动业务承载的矿井PON部署方案Fig. 8 A mine PON deployment scheme supporting mobile business carrying

3.4 实现通感一体、网算融合

光纤传感是将光纤作为敏感元件，将各种物理量转换成可以直接测量的信号，具有抗干扰、耐腐蚀、易集成、重量轻、本质安全、距离远、精度高等优势[16-18]。当前，基于光纤传感的矿井综合监控系统已经可以实现对瓦斯、矿压、水压、温度、声发射、地震波的监测，能够最大限度地避免水、火、瓦斯、煤尘、顶板等灾害[19-21]。随着矿井PON的持续演进及光纤传感技术包括光纤光栅、微纳光纤、光子晶体光纤等传感技术的发展，二者将逐渐融合并实现通信与传感的一体化，通过光纤复用来降低总体部署成本，同时利用光纤传感实现通信链路监测。

随着井下业务数据的爆发式增长，矿山智能化建设对计算设施的实时性、安全性及网络依赖性提出更高的要求。边缘计算是一种分布式计算范式，能够在数据产生的位置附近进行处理和分析，可提供更加高效、安全、可扩展的计算服务。以矿井PON为基础，在用户设备附近部署边缘算力，构建网络与计算深度融合的井下基础设施，能够利用边缘计算来提升网络的业务处理能力，同时依托矿井PON为算力处理提供高品质传输通道。

4 结论

1）梳理了PON的底层架构，包括系统组成、设备功能以及传输原理，并针对当前10G PON的两大阵营，从分光比、传输距离等维度进行分析，展现PON的技术现状。

2）设计了基于10G PON的矿井F5G应用方案：通过构建一主一从的井下双链路传输系统，并进行实时状态监测，实现故障链路倒换和网络功能自愈；利用VLAN划分及QoS管理机制，对井下不同业务进行逻辑隔离和统一承载；引入双向加密传输机制，并加强对ONU的有效管理，保障井下数据传输的安全性和可靠性；搭建统一网管平台，实现业务的灵活部署、资源的统一管理、故障的集中监控以及告警的实时上报。

3）分析了面向矿山智能化建设需求的矿井PON演进方向：平滑升级50G PON，利用已有的ODN基础设施进行部署，并通过选取差异化的载波波长实现与10G PON或其他PON系统的共存；构建确定性网络，通过网络资源预留、节点时间同步等操作，将端到端时延控制在微秒级，将时延抖动控制在纳秒级，将可靠性控制在99.9999%以上。承载井下移动业务，构建统一的“井下-井上”业务传输通道，同时实现井下的高精度定位。实现通感一体、网算融合，提升网络能力、精简网络架构、补强网络功能，为高阶的矿山智能化建设提供全光底座。