工业互联网产业联盟-SPN网络在工业场景的需求及应用研究报告

SPN

网络在工业场景的需求及应用研究报告工业互联网产业联盟（AII）2023年

6

月声

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。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箱：aii@前

言牵头编写单位：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。中国信息通信研究院参与编写单位：中兴通讯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

N

5Gbps

和

M

10Mbps

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。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

录一、5G+工业互联网对网络的需求和挑战...................................................51.1

5G+工业互联网的数智化发展趋势................................................51.2

5G+工业互联网典型场景的业务需求分析

....................................71.3

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

...................................................152.1

我国自主创新的

SPN技术体系架构............................................152.2

切片通道层的硬隔离切片转发能力.............................................182.3

切片分组层的软切片分组转发能力.............................................212.4

切片传输层的高速大容量传输能力.............................................232.5

基于

SDN

架构的智能管控运维能力...........................................252.6

SPN2.0

新增功能和性能特性总结...............................................282.7

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................................................353.1

FlexE：兼容以太网的灵活以太网接口标准................................353.2

SPN：我国自主创新的

5G

传送网技术标准

...............................373.3

MTN：ITU-T的新一代

5G

传送网标准体系

..............................393.4

SR-TP：IETF

的分段路由转发技术标准创新

.............................423.5

SPN

全产业链的规模化商用和健壮性发展分析

.........................443.6

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

...................................................494.1

SPN

在工业场景的应用定位分析.................................................494.1.1

工业互联网对网络的需求场景分析

....................................494.1.2

SPN

在工业互联网的应用定位分析....................................504.2

智能电网场景................................................................................524.2.1

5G+智能电网场景

................................................................524.2.2

电力通信专网场景

...............................................................554.3

智慧交通场景................................................................................604.4

智能矿井场景................................................................................634.5

智慧港口场景................................................................................654.6

智慧医疗场景................................................................................664.6.1

智慧医疗专网场景

...............................................................664.6.2

智慧医疗救援场景

...............................................................694.7

智能工业制造场景

........................................................................724.7.1

工程机械制造的智能化转型场景

........................................724.7.2

冶金企业的智能工厂升级改造场景

....................................744.8

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

...................................................................79A.1

电力行业的

SPN

应用案例

............................................................79A.1.1

江苏电力配网业务应用案例.................................................79A.1.2

浙江杭州

5G

电力虚拟专网应用案例...................................81A.1.3

云南曲靖电力的

SPN

工程应用案例....................................82A.1.4

山东电力的

SPN试点应用案例............................................83A.2

交通行业的

SPN

应用案例

............................................................85A.2.1SPN

在地铁传输网中的应用案例..........................................85A.2.1SPN

在高速公路中的应用案例..............................................87A.3

煤矿行业的

SPN

应用案例

............................................................88A.3.1

陕西某煤矿的

SPN

骨干环网应用案例

................................88A.3.2

山东某矿井的一张

SPN环网应用案例

................................91A.4

智慧港口的

SPN

应用案例

............................................................92A.4.1

浙江宁波港的

SPN

应用案例................................................92A.4.1

厦门远海码头的

SPN

应用案例............................................94A.5

智慧医疗救援的

SPN应用案例

....................................................94A.5.1

郑州

5G

智慧医疗专网的

SPN应用案例

............................94A.5.2

广州

120

的

5G+SPN

专网医学救援应用案例

.....................96A.6

制造行业的

SPN

应用案例

............................................................98A.6.1

武汉某企业集团的

5G+SPN专网的智能制造应用案例.....98A.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

....................................................................................................105一、5G+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、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，需重点推进三方面工作：一是推进企业内网升级，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。二是开展企业外网建设，推动基础电信企业提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由（SRv6）等新技术部署。三是在保障数据安全和网络安全的前提下，推动工业企业、工业互联网平台、标识解析节点、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。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—

5

—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）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

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）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源、数据、算力、应用、服务和运营等多维度协同。—

6

—（二）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）IPv6+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

SRv6

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）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、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—

7

—+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

分辨

编码帧率可靠性带宽时延典型应用应用率格式

（fps）（1）图片视频信息、采集信息；（2）局域、城域、广域H.26430、60H.2651080P2~10Mbps<30ms

99.9%<30ms

99.9%高清视频实时上传（1）人脸识别、高清视频采集；（2）局域、城域、广域H.264H.2654K8K30、60

12~40Mbps30、（1）超高清监H.264H.265H.26548~160Mbps

<20ms

99.9%

测；（2）局域、城域120来源：工业互联网联盟【1】（2）5G+远程控制远程控制一直是工业生产中保障人员安全、提升生产效能、实现多生产单元协助的必要手段。为了保证控制效果，通信网络时延、抖动和可靠性等性能就极为重要。要实现远程控制，不仅需要足够高清晰度视频提供视觉支—

8

—持，还需要实时稳定的网络保证操控的灵敏度和可靠性。在智能电网的应用场景中，5G+远程控制实现了电网Ⅰ区

、Ⅱ区生产控制和自动化业务高性能、高可靠的承载。5G+远程控制的承载网络需求如下表

2所示。表2

5G+远程控制承载需求表典型带宽时延抖动可靠性时间同步应用范围应用车

间

级

设

备内<1ms车

间

级

设

备间<10ms图

像

/

视

频流上传，上电力差动保护：<10us相

量

测

量（1）抖动敏感型行50Mbps;>5G+远程

控制（

2

）

云

化PLC

存在局域、城域、广域承载需求园区/城域/广

<100us

99.999%

（PMU）：PLC

控制指令下达，下域远程操作：图

像

上

行<20ms；指令下达<10ms；<1us其他：待研究。行50kbps;>来源：工业互联网联盟【1】（3）5G+云化

AGV自动导航小车(AGV：Automated

Guided

Vehicle)是一种广泛应用于工厂车间、机场、港口、货运仓库等高度自动化场所的智能设备，一般由行走、导航、控制系统三部分组成。自动化

AGV搭载相机拍摄车前景象并通过

5G模块实时上传至

MEC

和导航系统进行图像分析和路线规划，实现全自动物流运输。AGV

具有一定的行驶速度，且多用于集群作业场景，因此需要有高确定性时延和抖动的网络连接来传输控制信号。5G+

云化

AGV

的承载网络需求如下表

3错误!未找到引用源。所示。表3

5G+云化AGV

承载需求表典型应用云化

AGV调度通信带宽时延抖动

可靠性应用范围99.9999

AGV

调度通信、状态管理等，室%~1Mbps≤100ms

NA外覆盖范围

2Km通信调度及业务数据实时交互（网络需求按照移动速度、终端传感器预处理方案不同而不同）云化

AGV

1Mbps-实时通信

200Mbps

40

ms20ms~

≤3m

99.9999s%云化

AGV

10Mbps~

10ms~

NA99.9999

AGV

集成其他应用通信（与终端—

9

—典型应用集

成

其

他

1Gbps带宽时延100

ms抖动

可靠性%应用范围传感器、应用密切相关）视觉应用来源：工业互联网联盟【1】（4）5G+无人机利用

5G

的高速率、高可靠低时延无线网络，可以将搭载在无人机上的摄像头视频(可见光高清、红外等)实时传送到厂区综合控制中心。通过对视频图像进行基于人工智能的物体识别、模式识别分析，判断所巡检的地点是否存在安保异常或火警异常并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。5G+无人机的承载网络需求指标如下表

4所示。表4

5G+无人机的承载需求表典型应用带宽时延可靠性应用范围实

时

视

≤4Mbps/

每

路频监控(1080P)≤25Mbps/

每路（4K）5G+无人机

智

能巡检≤10ms99.9%（

）安防和设备巡检；1（2）局域和城域等场景。远

程

控

128kbps/

每≤3ms99.99%制路来源：工业互联网联盟【1】（5）5G+云端机器人传统的工业机器人存在工作范围受限、工作内容有限、设备成本高等不足。随着人工智能、云计算等技术的不断成熟，云化机器人将逐渐成为主流。云化机器人将控制“大脑”放在云端，根据本地机器人的不同工作内容和工作地点针对性控制，真正实现机器人的自主服务和自主判断。当云端机器人大规模部署时，对网络提出比较严苛的要求。5G+

云端机器人的承载网络需求如下表

5所示。—

10

—表5

5G+云端机器人承载需求表典型应用带宽时延可靠性应用范围5G+云端机器人（1）下行为数据的实时交互，10~100ms

99.9999%

上行为视觉类应用；（2）局域、城域图像信息实时上传：>10Mbps；来源：5G

确定性网络产业联盟【7】（6）5G+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!未找到引用源。）。图1

5G+机器视觉网络组成机器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!未找到引用源。。表6

5G+机器视觉承载需求表典型带宽时延可靠性应用范围应用5G+机器

图像信息实时上（1）带宽敏感型；（2）云化部署存城域、广域承载<10ms99.999%视觉传：>50Mbps；—

11

—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

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带宽时延可靠性应用范围AR

维修指

＞50Mbps（下行）（1）工厂设备维保；＜20ms

99.999%导＞20Mbps（上行）（2）局域、城域和广域（1）设备辅助装配与远程协助；（2）局域、城域AR

辅助装配＞50Mbps（上行）

＜10ms

99.999%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

承载需求表时延(ms）可靠性(%)典型应用带宽（bps）＞25Mbps应用范围（1）虚拟展示等静态展示；（2）局域、城域等（1）虚拟培训等交互场景；（2）局域、城域等初级沉浸＜40ms99.999%99.999%部分沉浸深度沉浸＞100Mbps＞400Mbps＜30ms＜20ms99.999%

（1）虚拟装配等强交互场景；—

12

—（2）局域、城域等（1）强交互，全沉浸场景；（2）局域、城域等完全沉浸＞1000Mbps＜20ms99.999%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时间同应用场景带宽时延抖动可靠性步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+AR5G+VR____________★★★★1.3

5G+工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、灵活接入调度、多维业务感知和智能管控运维等特—

13

—性需求。（一）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）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）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（2021－2023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）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）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—

14

—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）智能化管控运维能力：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

SPN

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

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—

15

—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—

16

—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

TDM

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N

5Gbps

大颗粒时隙复用和

N

10Mbps

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场景；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。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传输。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，—

17

—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

MTNpath（MTN通道层）与

MTN

section（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—

18

—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，MTN

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。IEEE

802.3以太网OSI七层模型切片通道层协议栈协议栈应用层（Application）表示层IP7654321PCS

upperpartMTN

FGULLC

/

MAC

clientMACcontrolMAC（Presentation）会话层（Session）传输层（Transport）网络层（Network）切片通道层ReconciliationMTN

PathxMIIMTN

SectionPCS

lower

partPCSPMA数据链路层（Datalink）EthernetPHYEthernetPHY

lowersublayer物理层（Physical）PMD介质（Medium）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。IP

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—

19

—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）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。IP

packet#1IPv6packetheaderIP

packet#2IPv6packetheaderIPv6packetpayloadIPv6packetpayloadIP层数据格式MAC层数据格式DestinationIPaddressDestination

IPaddress……Source

IPaddressSource

IPaddress24

byte≤

65515byte24

byte≤

65515byteDMAC

SMAC

Type

Frame

data

CRC46

to

1500byteDMAC

SMAC

Type

Frame

data

CRC6

2byte

byte

byteDMAC

SMAC

Type

Frame

data

CRC6byte

byte

byte………………662byte

byte

byte4byte646

to

1500byte4byte6246

to

1500byte4byteEthernetFrame#1EthernetFrame#2Ethernet

Frame#nEthernetPHYPCS层数据格式…………连续不断的64/66B码块序列图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—

20

—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）。转发设备通道转发功能模块时隙1时隙20时隙1时隙20PHY1PHY4队列1队列2队列3队列4时隙1时隙20时隙1时隙20PHY2PHY5时隙1时隙20时隙1时隙20PHY3PHY6队列5数据流方向图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（SPL）实现对

IP、以太网和

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。SegmentRouting

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，SegmentRouting

隧道不需要在中间节点上维护隧道路径状态信息，提升隧道路径调整的灵活性和网络可编程能力。—

21

—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+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

overMPLS-TP

over

小颗粒。除了通过隧道进行业务的软切片隔离之外，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—

22

—2.4

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

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

LightCounting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

10GE

光模块，50GEBIDI光模块，50GE

同波长上下

BIDI光模块，50GE80km

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—

23

—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

3～5

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/75GHz/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

2～3个厂家可以提供产品（见—

24

—表

10）。表10

承载网络设备的主要光模块实现方案方案10GE25GE10km40km80kmNRZ，IM-DDNRZ，IM-DDNRZ，IM-DDNRZ，IM-DDNRZ，IM-DDNRZ，IM-DDNRZ，IM-DD，2λ，LWDMRX:

SOA+PIN+FECNRZ，IM-DD，4λ，LWDM,PAM4，IM-DD，1310PAM4，IM-DD，131050GE100GE200GE400GERX:

PIN+FECRX:

APD+FECNRZ,

IM-DD,

4λ，LWDM,NRZ，IM-DD，4λ，LWDMRX:

PINRX:

SOA+PINRX:

SOA+PIN+FECPAM4，IM-DD，4λ，

PAM4,IM-DD,4λ,

LWDM

DCO,16QAM,1λ，oFECLWDMRX:PIN+FEC

RX:APD+FEC

TX:

EDFAPAM4，IM-DD，8λ，

PAM4,IM-DD,8λ,

LWDM

DCO,32QAM,1λ，oFECLWDMRX:PIN+FEC

RX:APD+FEC

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

SDN

架构的智能管控运维能力SPN

网络采用电信级

SDN

集中化管控架构，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。—

25

—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：依托统一的基础云平台，支持统一的安装、升级以及补丁管理机制；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/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：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：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：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：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功能。分布式控制面还提供

SR-BE隧道的控制能力（见图

10）。—

26

—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

SR-BE

隧道，分布式控制面还可以提供

SR-BE隧道的控制能力。SDN控制器用户算路策略集中算路算路结果更新(PCEP)网络状态反馈(BGP-LS)网络状态发现(IS-IS)SPN网络图11

SPN

集中闭环控制系统—

27

—2.6

SPN2.0

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节能等方面均有显著提升。通过引入支持N

10Mbps

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SPN

1.0SPN

2.0应

用

场

重点面向

5G

回传的

eMBB

业

扩展支持

5G+垂直行业的

uRLLC

和

eMTC

业景务场景务承载能力，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。1)

城域核心

SPN

设备设

备

形

1)

城域核心

SPN

设备态2)

城域汇聚

SPN

设备3)

城域接入

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—

28

—项目接SPN

1.0SPN

2.01)

网

络

侧

接

口

：

1)

网络侧接口：50GE/100GE/200GE

单端口50GE/100GE/200GE

单端口或

或多端口的

MTN/FlexE接口组，10GE标准以口多端口的

MTN/FlexE接口组2)

客户侧接口：标准以太网

2)

客户侧接口：口

a)

标GE/10GE/25GE/50GE/100GE/2

FE/GE/10GE/25GE/50GE/100GE/200GE太网扩展

FGU

接口接准以太网接口综0