铁路5G专网承载网技术研究

庄文林

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京100070）

0 引言

目前，5G商用正在快速推进。“5G建设，承载先行”，为满足5G专网对承载网提出的大带宽、低时延、高精度时间同步等新需求，承载网技术在不断发展。切片分组网络（SPN）、面向移动承载优化的OTN（MOTN）、增强IPRAN（IPRAN2.0）等承载网的标准在不断推进，产业链走向成熟，运营商已开始大规模部署。在铁路5G专网已开启建设规划的同时，有必要充分研究以IP业务为主、大带宽、低时延、业务灵活调度编排、智能运维管理的适用于承载铁路5G专网的下一代承载网技术。

1 铁路5G专网需求分析

1.1 铁路5G专网系统架构

铁路5G专网系统架构见图1［1］，按照独立组网（SA）考虑，包括5G核心网、无线接入网及用户设备。

图1 铁路5G专网系统架构参考模型

1.2 铁路5G专网的承载网需求

（1）大带宽需求。以铁路5G无线接入网典型建议组网方式为例，CU/DU合设且分布部署在车站/区间，AAU拉远部署，一般带3～5个AAU。经测算，前传单AAU将需要GE量级承载带宽，无中传带宽需求，单CU/DU回传带宽需求为1.32～2.2 Gb/s。结合模型测算，铁路5G专网对承载网带宽需求为10～100 Gb/s［2］。

（2）低时延需求。超低时延是5G关键特征之一，通过对3GPP相关资料的分析，可得出5G回传控制面和用户面时延指标（见表1）［2］。

表1 5G回传时延技术指标 ms

（3）高精度时间同步需求。铁路采用的FDD制式5G系统涉及的协同业务时间同步需求可包括65、130、260 ns、3 us等不同精度级别［2］。

（4）网络切片需求。铁路5G专网需要同时承载调度通信、列车控制、高清视频、物联网等各类业务应用。这些场景在移动性、带宽、时延、可靠性、安全性等方面存在差异，为适配一张网络满足多种应用需求，需要在一张承载网上通过网络资源的软、硬管道隔离技术，为不同服务质量需求的业务提供所需的连接服务和性能保障。

（5）灵活组网需求。5G系统的一些应用对时延较为敏感，站间流量所占比例将越来越高，同时由于5G系统将采用超密集组网，站间协同更为密切［2］。

对于承载网来说，铁路5G专网带来的不仅仅是流量的大幅提升，同时承载网也面临超低时延、高可靠、高度灵活、智能化等方面的挑战。因此铁路5G专网承载网应具有大带宽、超低时延、高精度时间同步传送、海量连接、灵活组网调度、高效软硬管道能力、敏捷业务部署、网络级的分层OAM和保护能力等特性［3］。

2 铁路现有承载网技术

铁路现有承载网络设备类型繁多，主要采用OTN以及传统的MSTP技术组建传输网络，用于承载运输生产中安全可靠要求高的业务；采用BGP/MPLS VPN技术组建数据网络，用于承载生产经营中安全可靠要求较低的信息类业务。

2.1 MSTP

MSTP是目前铁路接入层传输网常用的光传输技术，MSTP在SDH基础上增加了对以太网业务、IP、ATM业务的支持；通过虚通道级联技术提供固定带宽来承载IP业务，但不能实现动态带宽分配和有效的带宽统计复用，因而造成带宽的浪费，承载效率低。

2.2 OTN

OTN技术结合了光域和电域处理的优势，提供巨大的传输容量、完全透明的端到端波长/子波长连接以及电信级的保护，是目前传送宽带大颗粒业务最优的技术。OTN技术是目前铁路传输网骨干层、汇聚层所使用的技术［4-5］。

2.3 BGP/MPLS VPN

基于MP-BGP的MPLS VPN技术是一种3层VPN技术，是在路由和交换设备上应用MPLS技术，简化路由选择方式，利用标签交换实现的IP虚拟专用网络（IP VPN），可把数据网络分解成逻辑上隔离的多个网络，满足各种业务对网络服务质量的要求。BGP/MPLS VPN技术是目前铁路数据通信网所使用的技术。

根据以上分析，铁路现有承载网中的MSTP已无法满足铁路5G专网对承载网的新需求。因此，必须引入新的承载网技术。

3 铁路5G专网承载网技术制式选择建议

3.1 技术制式

随着5G公网的部署，出现了SPN、IPRAN2.0、M-OTN等5G承载网技术。

3.1.1 SPN

SPN是PTN面向5G的演进，继承了PTN传输方案的功能特性，并进行了增强和创新，可满足低时延、大带宽业务传送需求，具有更强L3路由功能及硬管道切片功能，智能管控提升了网络资源利用率、业务快速布放、业务灵活调度以及网络开放可编程能力。

目前，SPN标准已在ITU-T立项，中国移动通信集团有限公司（简称中国移动）已发布SPN白皮书，并已大规模部署SPN设备［6］。

3.1.2 IPRAN2.0

IPRAN网络基于IP/MPLS技术标准体系，并且支持传送多协议标签交换MPLS-TP标准协议。IPRAN的关键技术主要包括分区域和多进程技术、网络保护技术、QoS技术、OAM技术、时钟同步技术等，与PTN技术类似。

IPRAN2.0是在IPRAN基础上，引入SR、EVPN等技术简化控制协议；引入FlexE降低传输时延；引入SDN提供IP和OTN的跨层统一控制和调度；叠加OTN后的带宽能力易于扩展。

IPRAN2.0技术以IETF RFC标准为主，中国联合网络通信集团有限公司（简称中国联通）、中国电信集团有限公司（简称中国电信）已广泛部署IPRAN2.0设备。

3.1.3 M-OTN

M-OTN基于传统OTN增强分组技术并简化OTN部分功能。通过ROADM应用及优化OTN映射、封装效率来降低时延；通过ODUflex、FlexO、ROADM/OXC等带宽灵活调度和调整技术，实现网络灵活调度需求；通过引入SDN实现端到端的网络综合管控，实现网络资源的最优配置和管道的最大利用效率，完成快速业务发放；增强路由转发功能，满足灵活组网方面的需求［7］。目前，M-OTN标准已在ITU-T立项，中国电信已经发布技术白皮书，但尚未在运营商应用。

3.2 建议

综上所述，基于5G网络的SPN、IPRAN2.0、M-OTN承载网技术在超低时延、大带宽接入、网络智能化、敏捷运维等方面比传统技术制式具有优势。SPN和增强IPRAN的分组化承载技术是基于IP/MPLS和电信级以太网增强轻量级TDM技术的演进，M-OTN是基于传统OTN增强分组技术并简化OTN的演进。但由于M-OTN标准不成熟，目前尚无应用。鉴于此，建议铁路5G专网承载网选择SPN、IPRAN2.0两种技术制式［8-9］。

4 铁路5G专网承载网技术架构建议

铁路5G专网承载网为铁路5G专网业务提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障，其技术架构建议包括转发平面、控制平面、同步网3个部分（见图2）。

图2 铁路5G专网承载网技术架构

（1）转发平面。采用具有切片功能的分组技术设备构建铁路局集团公司、车站、区间节点等的承载网络。承载网络分层组建，车站、区间节点间可组建1个或多个环网。

（2）控制平面。控制平面具备SDN架构，提供业务和网络资源的灵活配置能力，并具备自动化和智能化的网络运维能力。

（3）同步网。同步网支撑基本业务同步需求，满足协同业务高精度同步需求。例如根据协同业务场景选择下沉部署小型化BITS设备，通过跳数控制满足5G协同业务100 ns量级的高精度同步需求。

5 结束语

基于SPN或IPRAN2.0技术的铁路5G专网承载网，能提供大带宽承载管道，提供L0—L3的多层业务承载能力以及软硬管道分片，并通过SDN的集中管控，实现高效运维，将为铁路5G专网在带宽、时延、可靠性等方面提供保证。同时，随着承载网技术的不断发展，传输网技术和数据网技术也在逐步趋于融合，铁路5G专网承载网也将不止于仅承载5G专网业务，或将逐步向综合承载网络演进［10］。