中國鐵路5G移動通信承載網(wǎng)技術(shù)方案研究

胡 新

5G移動通信網(wǎng)建設(shè)是國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要內(nèi)容之一,也是中國鐵路確定的下一代移動通信技術(shù)制式［1］。鐵路通信下一代承載網(wǎng)應(yīng)以鐵路5G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為核心需求進(jìn)行構(gòu)建,在近中期應(yīng)首先圍繞5G通信技術(shù)的核心業(yè)務(wù)應(yīng)用,即增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）業(yè)務(wù),構(gòu)建超大帶寬的回傳承載網(wǎng)絡(luò)；兼顧考慮中遠(yuǎn)期滿足超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC）業(yè)務(wù)應(yīng)用需求［2］,提前預(yù)留網(wǎng)絡(luò)條件。

1 5G移動通信承載網(wǎng)需求簡析

1.1 5G移動通信網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)

5G移動通信技術(shù)將帶來eMBB、uRLLC、mMTC三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景［3?5］,關(guān)鍵指標(biāo)見表1。

表1 5G移動通信網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)定義

1.2 5G移動通信網(wǎng)及承載網(wǎng)構(gòu)架

典型5G移動通信網(wǎng)由無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分組成。其中,無線接入網(wǎng)包括有源天線單元（AAU）、分布單元（DU）和中央單元（CU）［6］；核心網(wǎng)采用服務(wù)化構(gòu)架定義功能模塊及統(tǒng)一的接口協(xié)議,總體上分為負(fù)責(zé)控制業(yè)務(wù)的控制面功能模塊和負(fù)責(zé)用戶業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶面功能模塊,各功能模塊采用云化平臺部署,軟件功能模塊間根據(jù)業(yè)務(wù)需要產(chǎn)生直接流量。

鐵路通信下一代承載網(wǎng)邏輯構(gòu)架包括:控制平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和支撐平面［2］。其中,轉(zhuǎn)發(fā)平面是承載鐵路5G移動通信網(wǎng)的實(shí)體,分為骨干層、匯聚層和接入層,與5G移動通信網(wǎng)的承載需求對應(yīng)關(guān)系見圖1。

圖1 5G移動通信網(wǎng)及承載網(wǎng)架構(gòu)

1.3 承載網(wǎng)需求

基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)指標(biāo)和組網(wǎng)結(jié)構(gòu),對承載網(wǎng)提出五大方面的新挑戰(zhàn)。

1）增幅10～100倍的大帶寬需求。

2）0.5～10 ms的空口時延（前傳+中/回傳）。

3）承載業(yè)務(wù)靈活調(diào)度需求。

4）高精度時間同步需求。

5）網(wǎng)絡(luò)切片及協(xié)同管控功能。

2 下一代承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及制式比選分析

2.1 下一代承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1）物理層關(guān)鍵技術(shù)。圍繞承載網(wǎng)更高速率、更高效率這一永恒不變目標(biāo),為滿足5G移動通信網(wǎng)對承載網(wǎng)的超高速、大帶寬等需求,在調(diào)制、復(fù)用、糾錯,以及靈活接口等方面發(fā)展的新技術(shù)主要包括:基于軟判決的第三代前向糾錯（SD-FEC）技術(shù)、4脈沖幅度調(diào)制（PAM 4）、偏振復(fù)用技術(shù)、ODU flex靈活封裝技術(shù),以及FlexO靈活互聯(lián)接口技術(shù)。以上技術(shù)提高了下一代承載網(wǎng)的可靠性、通道容量、傳輸距離、頻譜利用效率等核心指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了N×100 Gbps單波速率及接口能力。

2）以太層關(guān)鍵技術(shù)。基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）技術(shù)的以太網(wǎng)切片技術(shù),分為端口FlexE技術(shù)和交叉FlexE技術(shù)。前者實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)接口上支持任意多個不同子接口,從而為不同業(yè)務(wù)提供端口側(cè)的切片隔離；后者采用66B碼塊的以太網(wǎng)信元作為交叉處理單元,通過交叉功能模塊,提供近似于傳統(tǒng)時隙交叉的轉(zhuǎn)發(fā)時延、抖動控制和硬管道隔離能力［7?8］。兩者組合運(yùn)用,支持全程端到端硬管道切片隔離能力。

3）分組轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。下一代承載網(wǎng)應(yīng)能提供靈活連接調(diào)度和統(tǒng)計復(fù)用功能,實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)同時滿足面向連接的專線業(yè)務(wù)和面向統(tǒng)計復(fù)用的三層業(yè)務(wù)承載,通過L2和L3的分組轉(zhuǎn)發(fā)方式來實(shí)現(xiàn),主要包括面向連接的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS-TP）和分段路由（SR）等技術(shù)。

4）高精度時間同步技術(shù)。采用新一代IEEE 1588 V2.1協(xié)議支撐高精度時間同步傳輸需求。通過提高時間戳打戳精度、引入入口/出口時延處理、單纖雙向傳輸和時延補(bǔ)償矯正機(jī)制等措施,提高系統(tǒng)內(nèi)部同步精度對齊處理能力。

5）協(xié)同管控技術(shù)。采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)支撐端到端網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)協(xié)同需求,具備自動化開通部署和智能運(yùn)維調(diào)度功能［9］；采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化,并以功能虛擬機(jī)的形式運(yùn)行于通用的硬件設(shè)備或白盒上,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元實(shí)體在軟件功能和硬件設(shè)備的解耦,提高網(wǎng)絡(luò)資源的運(yùn)用效率。

2.2 主要技術(shù)制式比選分析

5G通信承載網(wǎng)可選的新一代承載網(wǎng)技術(shù)制式包括切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）和IP化的無線接入網(wǎng)（IPRAN）；可選的傳統(tǒng)承載網(wǎng)技術(shù)包括分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)（POTN）和分組傳送網(wǎng)（PTN）等。

1）切片分組網(wǎng)絡(luò)。SPN技術(shù)是中國移動公司發(fā)起、主導(dǎo)、研究和完善的承載網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,以分組傳送網(wǎng)（PTN）技術(shù)為基礎(chǔ)演進(jìn)、發(fā)展的新一代承載網(wǎng)技術(shù),通過通道層和段層技術(shù),結(jié)合成熟的二層MPLS-TP技術(shù)和三層SR技術(shù),為5G承載提供完善的技術(shù)解決方案。

2）IP化的無線接入網(wǎng)。IPRAN技術(shù)是以IP路由器技術(shù)為基礎(chǔ)演進(jìn)、發(fā)展而來的新一代承載網(wǎng)技術(shù),通過引入端口Flex技術(shù)和EVPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟切片功能,采用SR技術(shù)提供面向連接的業(yè)務(wù)承載能力,是通信行業(yè)主流的5G承載技術(shù)。

3）分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)和分組傳送網(wǎng)。分組增強(qiáng)型光傳送網(wǎng)是基于信元為單位進(jìn)行交叉調(diào)度的統(tǒng)一交換矩陣,實(shí)現(xiàn)對光傳送網(wǎng)（OTN）的ODUK數(shù)據(jù)單元、同步數(shù)字體系（SDH）的VC數(shù)據(jù)單元及分組網(wǎng)絡(luò)的PKT數(shù)據(jù)單元的統(tǒng)一適配和靈活調(diào)度；分組傳送網(wǎng)是以基于分組網(wǎng)絡(luò)的PKT數(shù)據(jù)單元為交叉調(diào)度信元,實(shí)現(xiàn)面向連接的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。

各技術(shù)制式對比分析見表2。

表2 承載網(wǎng)技術(shù)制式對比分析

綜合對比分析各技術(shù)制式的先進(jìn)性、業(yè)務(wù)適配能力、產(chǎn)業(yè)鏈支撐和產(chǎn)品成熟度等因素,鐵路下一代承載網(wǎng)的技術(shù)制式可采用OTN類+SPN或OTN類+增強(qiáng)型IPRAN技術(shù)。

3 鐵路5G移動通信承載網(wǎng)技術(shù)方案

3.1 鐵路5G移動通信網(wǎng)模型

通過對鐵路5G移動通信網(wǎng)進(jìn)行研究,中國鐵路擬使用n1頻段的上、下行各10 MHz作為鐵路5G移動通信網(wǎng)的無線頻率,采用頻分雙工（FDD）模式。在此目標(biāo)頻段下,鐵路無線接入網(wǎng)（RAN）天線陣列應(yīng)以4T 4R為主,基站采用室內(nèi)基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）的組網(wǎng)模式。

在該模型下,取定頻譜效率40 bit/Hz,封裝開銷10%,則:

單小區(qū)峰值下行速率=頻寬×頻譜效率×（1+封裝開銷）［10?12］=10 MHz×40 bit/Hz× （1+10%）=440 Mbps

3.2 前傳承載技術(shù)方案

基站采用BBU+RRU組網(wǎng)模式時,BBU與RRU間采用CPRI接口,最大接口速率約為10 Gbps。根據(jù)前傳帶寬計算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)基帶帶寬20 MHz時:

CPRI接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數(shù)×IFFT點(diǎn)數(shù)×子載波間隔×比特寬度×控制字開銷率×線路編碼開銷率

采用4T 4R天線,取IFFT點(diǎn)數(shù)=2 048、子載波間隔=15 kHz時,取定比特寬度=30、控制字開銷率=16/15、線路編碼開銷率=10/8,則:

CPRI接口帶寬峰值比特率=4×1 228.8 Mbps=4915.2Mbps

由于采樣頻率與基帶帶寬成比例,因此基帶帶寬10 MHz時:

CPRI接口帶寬峰值比特率=2 457.6 Mbps

綜上,鐵路5G基站前傳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用光纖直驅(qū)方式連接,可采用星型組網(wǎng)或最多不大于4級的級聯(lián)組網(wǎng),支持10～20 km的傳輸距離；考慮雙端口連接冗余保護(hù)時,區(qū)間光纖最大截面需求為16芯。前傳組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 前傳組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.3 回傳及核心網(wǎng)承載技術(shù)方案

1）接入層:負(fù)責(zé)區(qū)間基站的接入。

取RRU站間距約3 km,每BBU下聯(lián)5個RRU計算,每個基站覆蓋線路里程約10 km；車站間距按最大70 km考慮,估算區(qū)間基站數(shù)量8個；接入層采用奇數(shù)基站、偶數(shù)基站雙平面環(huán)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。接入層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 接入層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)最大截面帶寬計算如下:

單基站峰值帶寬=小區(qū)數(shù)×單小區(qū)峰值下行速率=5×440 Mbps=2 200 Mbps

系統(tǒng)最大截面帶寬=4×單基站峰值帶寬=8 800 Mbps≈10 Gbps

2）局干/匯聚層:負(fù)責(zé)匯聚區(qū)間基站流量,承載基站至核心網(wǎng)回傳流量。

考慮5G移動通信網(wǎng)的控制面時延不宜超過10 ms的要求,回傳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)不超過650 km及15跳。其中,接入部分分配10 km和5跳,局干/匯聚層應(yīng)不超過640 km及10跳。按照站間距70 km估算,匯聚層節(jié)點(diǎn)數(shù)量按最大值10個考慮,系統(tǒng)最大截面帶寬計算如下:

系統(tǒng)最大截面帶寬=接入環(huán)帶寬×接入環(huán)數(shù)量×匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量×收斂比=8 800 Mbps×2×10×1/2=88 000 Mbps≈100 Gbps

為提高系統(tǒng)可靠性,匯聚層應(yīng)采用1+1雙平面結(jié)構(gòu),采用1+1復(fù)用段保護(hù)的鏈型組網(wǎng)結(jié)構(gòu),或利用上層骨干層進(jìn)行環(huán)型組網(wǎng),單平面系統(tǒng)帶寬100 Gbps。局干匯聚層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 局干匯聚層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

3）骨干層:負(fù)責(zé)路局核心網(wǎng)、全路核心網(wǎng)間數(shù)據(jù)流量承載,負(fù)責(zé)路局核心網(wǎng)用戶面與鐵路數(shù)據(jù)中心間流量承載。

假定各鐵路局集團(tuán)公司平均10條5G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的鐵路線路,按照收斂比4∶1考慮,出局/局內(nèi)流量比為4∶1,則:

局集團(tuán)公司出局帶寬=接入線路帶寬×線路數(shù)量×收斂比×出局流量比=100 Gbps×10×1/4×4/5=200 Gbps

按照每套骨干層傳輸系統(tǒng)平均接入6個局集團(tuán)公司計算,則:

系統(tǒng)最大截面帶寬=接入路局?jǐn)?shù)×局集團(tuán)公司出局帶寬×收斂比=6×200 Gbps×1/2=600 Gbps

為提高系統(tǒng)可靠性,骨干層應(yīng)采用雙平面組網(wǎng)結(jié)構(gòu)?？紤]滿足一定的冗余性需求,初期單平面帶寬需求為400 Gbps。

4 結(jié)論

為了滿足鐵路5G移動通信網(wǎng)的新需求,鐵路下一代承載網(wǎng)應(yīng)具備大帶寬、超低時延、高精度時間傳送、靈活組網(wǎng)調(diào)度、軟硬管道切片、智能協(xié)同管控等特性；組網(wǎng)結(jié)構(gòu)要充分考慮鐵路通信的可靠性要求,實(shí)現(xiàn)雙平面組網(wǎng)；在此基礎(chǔ)上,綜合考慮運(yùn)輸調(diào)度、公安、客票、信息等其他方面的業(yè)務(wù)需求,逐步向移動系統(tǒng)、專線電路、寬帶數(shù)據(jù)通信等綜合承載演進(jìn)。