鐵路5G專網承載網技術研究

莊文林

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京100070）

0 引言

目前，5G商用正在快速推進。“5G建設，承載先行”，為滿足5G專網對承載網提出的大帶寬、低時延、高精度時間同步等新需求，承載網技術在不斷發展。切片分組網絡（SPN）、面向移動承載優化的OTN（MOTN）、增強IPRAN（IPRAN2.0）等承載網的標準在不斷推進，產業鏈走向成熟，運營商已開始大規模部署。在鐵路5G專網已開啟建設規劃的同時，有必要充分研究以IP業務為主、大帶寬、低時延、業務靈活調度編排、智能運維管理的適用于承載鐵路5G專網的下一代承載網技術。

1 鐵路5G專網需求分析

1.1 鐵路5G專網系統架構

鐵路5G專網系統架構見圖1［1］，按照獨立組網（SA）考慮，包括5G核心網、無線接入網及用戶設備。

圖1 鐵路5G專網系統架構參考模型

1.2 鐵路5G專網的承載網需求

（1）大帶寬需求。以鐵路5G無線接入網典型建議組網方式為例，CU/DU合設且分布部署在車站/區間，AAU拉遠部署，一般帶3～5個AAU。經測算，前傳單AAU將需要GE量級承載帶寬，無中傳帶寬需求，單CU/DU回傳帶寬需求為1.32～2.2 Gb/s。結合模型測算，鐵路5G專網對承載網帶寬需求為10～100 Gb/s［2］。

（2）低時延需求。超低時延是5G關鍵特征之一，通過對3GPP相關資料的分析，可得出5G回傳控制面和用戶面時延指標（見表1）［2］。

表1 5G回傳時延技術指標 ms

（3）高精度時間同步需求。鐵路采用的FDD制式5G系統涉及的協同業務時間同步需求可包括65、130、260 ns、3 us等不同精度級別［2］。

（4）網絡切片需求。鐵路5G專網需要同時承載調度通信、列車控制、高清視頻、物聯網等各類業務應用。這些場景在移動性、帶寬、時延、可靠性、安全性等方面存在差異，為適配一張網絡滿足多種應用需求，需要在一張承載網上通過網絡資源的軟、硬管道隔離技術，為不同服務質量需求的業務提供所需的連接服務和性能保障。

（5）靈活組網需求。5G系統的一些應用對時延較為敏感，站間流量所占比例將越來越高，同時由于5G系統將采用超密集組網，站間協同更為密切［2］。

對于承載網來說，鐵路5G專網帶來的不僅僅是流量的大幅提升，同時承載網也面臨超低時延、高可靠、高度靈活、智能化等方面的挑戰。因此鐵路5G專網承載網應具有大帶寬、超低時延、高精度時間同步傳送、海量連接、靈活組網調度、高效軟硬管道能力、敏捷業務部署、網絡級的分層OAM和保護能力等特性［3］。

2 鐵路現有承載網技術

鐵路現有承載網絡設備類型繁多，主要采用OTN以及傳統的MSTP技術組建傳輸網絡，用于承載運輸生產中安全可靠要求高的業務；采用BGP/MPLS VPN技術組建數據網絡，用于承載生產經營中安全可靠要求較低的信息類業務。

2.1 MSTP

MSTP是目前鐵路接入層傳輸網常用的光傳輸技術，MSTP在SDH基礎上增加了對以太網業務、IP、ATM業務的支持；通過虛通道級聯技術提供固定帶寬來承載IP業務，但不能實現動態帶寬分配和有效的帶寬統計復用，因而造成帶寬的浪費，承載效率低。

2.2 OTN

OTN技術結合了光域和電域處理的優勢，提供巨大的傳輸容量、完全透明的端到端波長/子波長連接以及電信級的保護，是目前傳送寬帶大顆粒業務最優的技術。OTN技術是目前鐵路傳輸網骨干層、匯聚層所使用的技術［4-5］。

2.3 BGP/MPLS VPN

基于MP-BGP的MPLS VPN技術是一種3層VPN技術，是在路由和交換設備上應用MPLS技術，簡化路由選擇方式，利用標簽交換實現的IP虛擬專用網絡（IP VPN），可把數據網絡分解成邏輯上隔離的多個網絡，滿足各種業務對網絡服務質量的要求。BGP/MPLS VPN技術是目前鐵路數據通信網所使用的技術。

根據以上分析，鐵路現有承載網中的MSTP已無法滿足鐵路5G專網對承載網的新需求。因此，必須引入新的承載網技術。

3 鐵路5G專網承載網技術制式選擇建議

3.1 技術制式

隨著5G公網的部署，出現了SPN、IPRAN2.0、M-OTN等5G承載網技術。

3.1.1 SPN

SPN是PTN面向5G的演進，繼承了PTN傳輸方案的功能特性，并進行了增強和創新，可滿足低時延、大帶寬業務傳送需求，具有更強L3路由功能及硬管道切片功能，智能管控提升了網絡資源利用率、業務快速布放、業務靈活調度以及網絡開放可編程能力。

目前，SPN標準已在ITU-T立項，中國移動通信集團有限公司（簡稱中國移動）已發布SPN白皮書，并已大規模部署SPN設備［6］。

3.1.2 IPRAN2.0

IPRAN網絡基于IP/MPLS技術標準體系，并且支持傳送多協議標簽交換MPLS-TP標準協議。IPRAN的關鍵技術主要包括分區域和多進程技術、網絡保護技術、QoS技術、OAM技術、時鐘同步技術等，與PTN技術類似。

IPRAN2.0是在IPRAN基礎上，引入SR、EVPN等技術簡化控制協議；引入FlexE降低傳輸時延；引入SDN提供IP和OTN的跨層統一控制和調度；疊加OTN后的帶寬能力易于擴展。

IPRAN2.0技術以IETF RFC標準為主，中國聯合網絡通信集團有限公司（簡稱中國聯通）、中國電信集團有限公司（簡稱中國電信）已廣泛部署IPRAN2.0設備。

3.1.3 M-OTN

M-OTN基于傳統OTN增強分組技術并簡化OTN部分功能。通過ROADM應用及優化OTN映射、封裝效率來降低時延；通過ODUflex、FlexO、ROADM/OXC等帶寬靈活調度和調整技術，實現網絡靈活調度需求；通過引入SDN實現端到端的網絡綜合管控，實現網絡資源的最優配置和管道的最大利用效率，完成快速業務發放；增強路由轉發功能，滿足靈活組網方面的需求［7］。目前，M-OTN標準已在ITU-T立項，中國電信已經發布技術白皮書，但尚未在運營商應用。

3.2 建議

綜上所述，基于5G網絡的SPN、IPRAN2.0、M-OTN承載網技術在超低時延、大帶寬接入、網絡智能化、敏捷運維等方面比傳統技術制式具有優勢。SPN和增強IPRAN的分組化承載技術是基于IP/MPLS和電信級以太網增強輕量級TDM技術的演進，M-OTN是基于傳統OTN增強分組技術并簡化OTN的演進。但由于M-OTN標準不成熟，目前尚無應用。鑒于此，建議鐵路5G專網承載網選擇SPN、IPRAN2.0兩種技術制式［8-9］。

4 鐵路5G專網承載網技術架構建議

鐵路5G專網承載網為鐵路5G專網業務提供帶寬、時延、同步和可靠性等方面的性能保障，其技術架構建議包括轉發平面、控制平面、同步網3個部分（見圖2）。

圖2 鐵路5G專網承載網技術架構

（1）轉發平面。采用具有切片功能的分組技術設備構建鐵路局集團公司、車站、區間節點等的承載網絡。承載網絡分層組建，車站、區間節點間可組建1個或多個環網。

（2）控制平面。控制平面具備SDN架構，提供業務和網絡資源的靈活配置能力，并具備自動化和智能化的網絡運維能力。

（3）同步網。同步網支撐基本業務同步需求，滿足協同業務高精度同步需求。例如根據協同業務場景選擇下沉部署小型化BITS設備，通過跳數控制滿足5G協同業務100 ns量級的高精度同步需求。

5 結束語

基于SPN或IPRAN2.0技術的鐵路5G專網承載網，能提供大帶寬承載管道，提供L0—L3的多層業務承載能力以及軟硬管道分片，并通過SDN的集中管控，實現高效運維，將為鐵路5G專網在帶寬、時延、可靠性等方面提供保證。同時，隨著承載網技術的不斷發展，傳輸網技術和數據網技術也在逐步趨于融合，鐵路5G專網承載網也將不止于僅承載5G專網業務，或將逐步向綜合承載網絡演進［10］。