鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)技術(shù)研究

莊文林

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京100070）

0 引言

目前，5G商用正在快速推進(jìn)?！?G建設(shè)，承載先行”，為滿足5G專網(wǎng)對承載網(wǎng)提出的大帶寬、低時延、高精度時間同步等新需求，承載網(wǎng)技術(shù)在不斷發(fā)展。切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）、面向移動承載優(yōu)化的OTN（MOTN）、增強(qiáng)IPRAN（IPRAN2.0）等承載網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)在不斷推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈走向成熟，運(yùn)營商已開始大規(guī)模部署。在鐵路5G專網(wǎng)已開啟建設(shè)規(guī)劃的同時，有必要充分研究以IP業(yè)務(wù)為主、大帶寬、低時延、業(yè)務(wù)靈活調(diào)度編排、智能運(yùn)維管理的適用于承載鐵路5G專網(wǎng)的下一代承載網(wǎng)技術(shù)。

1 鐵路5G專網(wǎng)需求分析

1.1 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1［1］，按照獨(dú)立組網(wǎng)（SA）考慮，包括5G核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)及用戶設(shè)備。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)參考模型

1.2 鐵路5G專網(wǎng)的承載網(wǎng)需求

（1）大帶寬需求。以鐵路5G無線接入網(wǎng)典型建議組網(wǎng)方式為例，CU/DU合設(shè)且分布部署在車站/區(qū)間，AAU拉遠(yuǎn)部署，一般帶3～5個AAU。經(jīng)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(jié)合模型測算，鐵路5G專網(wǎng)對承載網(wǎng)帶寬需求為10～100 Gb/s［2］。

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

表1 5G回傳時延技術(shù)指標(biāo) ms

（3）高精度時間同步需求。鐵路采用的FDD制式5G系統(tǒng)涉及的協(xié)同業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)切片需求。鐵路5G專網(wǎng)需要同時承載調(diào)度通信、列車控制、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)等各類業(yè)務(wù)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)滿足多種應(yīng)用需求，需要在一張承載網(wǎng)上通過網(wǎng)絡(luò)資源的軟、硬管道隔離技術(shù)，為不同服務(wù)質(zhì)量需求的業(yè)務(wù)提供所需的連接服務(wù)和性能保障。

（5）靈活組網(wǎng)需求。5G系統(tǒng)的一些應(yīng)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(tǒng)將采用超密集組網(wǎng)，站間協(xié)同更為密切［2］。

對于承載網(wǎng)來說，鐵路5G專網(wǎng)帶來的不僅僅是流量的大幅提升，同時承載網(wǎng)也面臨超低時延、高可靠、高度靈活、智能化等方面的挑戰(zhàn)。因此鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)應(yīng)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(wǎng)調(diào)度、高效軟硬管道能力、敏捷業(yè)務(wù)部署、網(wǎng)絡(luò)級的分層OAM和保護(hù)能力等特性［3］。

2 鐵路現(xiàn)有承載網(wǎng)技術(shù)

鐵路現(xiàn)有承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型繁多，主要采用OTN以及傳統(tǒng)的MSTP技術(shù)組建傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于承載運(yùn)輸生產(chǎn)中安全可靠要求高的業(yè)務(wù)；采用BGP/MPLS VPN技術(shù)組建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，用于承載生產(chǎn)經(jīng)營中安全可靠要求較低的信息類業(yè)務(wù)。

2.1 MSTP

MSTP是目前鐵路接入層傳輸網(wǎng)常用的光傳輸技術(shù)，MSTP在SDH基礎(chǔ)上增加了對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、IP、ATM業(yè)務(wù)的支持；通過虛通道級聯(lián)技術(shù)提供固定帶寬來承載IP業(yè)務(wù)，但不能實(shí)現(xiàn)動態(tài)帶寬分配和有效的帶寬統(tǒng)計(jì)復(fù)用，因而造成帶寬的浪費(fèi)，承載效率低。

2.2 OTN

OTN技術(shù)結(jié)合了光域和電域處理的優(yōu)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(hù)，是目前傳送寬帶大顆粒業(yè)務(wù)最優(yōu)的技術(shù)。OTN技術(shù)是目前鐵路傳輸網(wǎng)骨干層、匯聚層所使用的技術(shù)［4-5］。

2.3 BGP/MPLS VPN

基于MP-BGP的MPLS VPN技術(shù)是一種3層VPN技術(shù)，是在路由和交換設(shè)備上應(yīng)用MPLS技術(shù)，簡化路由選擇方式，利用標(biāo)簽交換實(shí)現(xiàn)的IP虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（IP VPN），可把數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分解成邏輯上隔離的多個網(wǎng)絡(luò)，滿足各種業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。BGP/MPLS VPN技術(shù)是目前鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)所使用的技術(shù)。

根據(jù)以上分析，鐵路現(xiàn)有承載網(wǎng)中的MSTP已無法滿足鐵路5G專網(wǎng)對承載網(wǎng)的新需求。因此，必須引入新的承載網(wǎng)技術(shù)。

3 鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)技術(shù)制式選擇建議

3.1 技術(shù)制式

隨著5G公網(wǎng)的部署，出現(xiàn)了SPN、IPRAN2.0、M-OTN等5G承載網(wǎng)技術(shù)。

3.1.1 SPN

SPN是PTN面向5G的演進(jìn)，繼承了PTN傳輸方案的功能特性，并進(jìn)行了增強(qiáng)和創(chuàng)新，可滿足低時延、大帶寬業(yè)務(wù)傳送需求，具有更強(qiáng)L3路由功能及硬管道切片功能，智能管控提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用率、業(yè)務(wù)快速布放、業(yè)務(wù)靈活調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)開放可編程能力。

目前，SPN標(biāo)準(zhǔn)已在ITU-T立項(xiàng)，中國移動通信集團(tuán)有限公司（簡稱中國移動）已發(fā)布SPN白皮書，并已大規(guī)模部署SPN設(shè)備［6］。

3.1.2 IPRAN2.0

IPRAN網(wǎng)絡(luò)基于IP/MPLS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并且支持傳送多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS-TP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。IPRAN的關(guān)鍵技術(shù)主要包括分區(qū)域和多進(jìn)程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)、QoS技術(shù)、OAM技術(shù)、時鐘同步技術(shù)等，與PTN技術(shù)類似。

IPRAN2.0是在IPRAN基礎(chǔ)上，引入SR、EVPN等技術(shù)簡化控制協(xié)議；引入FlexE降低傳輸時延；引入SDN提供IP和OTN的跨層統(tǒng)一控制和調(diào)度；疊加OTN后的帶寬能力易于擴(kuò)展。

IPRAN2.0技術(shù)以IETF RFC標(biāo)準(zhǔn)為主，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司（簡稱中國聯(lián)通）、中國電信集團(tuán)有限公司（簡稱中國電信）已廣泛部署IPRAN2.0設(shè)備。

3.1.3 M-OTN

M-OTN基于傳統(tǒng)OTN增強(qiáng)分組技術(shù)并簡化OTN部分功能。通過ROADM應(yīng)用及優(yōu)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(diào)度和調(diào)整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)度需求；通過引入SDN實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)綜合管控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)配置和管道的最大利用效率，完成快速業(yè)務(wù)發(fā)放；增強(qiáng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，滿足靈活組網(wǎng)方面的需求［7］。目前，M-OTN標(biāo)準(zhǔn)已在ITU-T立項(xiàng)，中國電信已經(jīng)發(fā)布技術(shù)白皮書，但尚未在運(yùn)營商應(yīng)用。

3.2 建議

綜上所述，基于5G網(wǎng)絡(luò)的SPN、IPRAN2.0、M-OTN承載網(wǎng)技術(shù)在超低時延、大帶寬接入、網(wǎng)絡(luò)智能化、敏捷運(yùn)維等方面比傳統(tǒng)技術(shù)制式具有優(yōu)勢。SPN和增強(qiáng)IPRAN的分組化承載技術(shù)是基于IP/MPLS和電信級以太網(wǎng)增強(qiáng)輕量級TDM技術(shù)的演進(jìn)，M-OTN是基于傳統(tǒng)OTN增強(qiáng)分組技術(shù)并簡化OTN的演進(jìn)。但由于M-OTN標(biāo)準(zhǔn)不成熟，目前尚無應(yīng)用。鑒于此，建議鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)選擇SPN、IPRAN2.0兩種技術(shù)制式［8-9］。

4 鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)建議

鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)為鐵路5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)提供帶寬、時延、同步和可靠性等方面的性能保障，其技術(shù)架構(gòu)建議包括轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面、同步網(wǎng)3個部分（見圖2）。

圖2 鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

（1）轉(zhuǎn)發(fā)平面。采用具有切片功能的分組技術(shù)設(shè)備構(gòu)建鐵路局集團(tuán)公司、車站、區(qū)間節(jié)點(diǎn)等的承載網(wǎng)絡(luò)。承載網(wǎng)絡(luò)分層組建，車站、區(qū)間節(jié)點(diǎn)間可組建1個或多個環(huán)網(wǎng)。

（2）控制平面。控制平面具備SDN架構(gòu)，提供業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置能力，并具備自動化和智能化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維能力。

（3）同步網(wǎng)。同步網(wǎng)支撐基本業(yè)務(wù)同步需求，滿足協(xié)同業(yè)務(wù)高精度同步需求。例如根據(jù)協(xié)同業(yè)務(wù)場景選擇下沉部署小型化BITS設(shè)備，通過跳數(shù)控制滿足5G協(xié)同業(yè)務(wù)100 ns量級的高精度同步需求。

5 結(jié)束語

基于SPN或IPRAN2.0技術(shù)的鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)，能提供大帶寬承載管道，提供L0—L3的多層業(yè)務(wù)承載能力以及軟硬管道分片，并通過SDN的集中管控，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維，將為鐵路5G專網(wǎng)在帶寬、時延、可靠性等方面提供保證。同時，隨著承載網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳輸網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)也在逐步趨于融合，鐵路5G專網(wǎng)承載網(wǎng)也將不止于僅承載5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)，或?qū)⒅鸩较蚓C合承載網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)［10］。