中国铁路5G移动通信承载网技术方案研究

胡 新

5G移动通信网建设是国家新型基础设施建设的主要内容之一,也是中国铁路确定的下一代移动通信技术制式［1］。铁路通信下一代承载网应以铁路5G移动通信网络建设为核心需求进行构建,在近中期应首先围绕5G通信技术的核心业务应用,即增强型移动宽带（eMBB）业务,构建超大带宽的回传承载网络；兼顾考虑中远期满足超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）业务应用需求［2］,提前预留网络条件。

1 5G移动通信承载网需求简析

1.1 5G移动通信网关键指标

5G移动通信技术将带来eMBB、uRLLC、mMTC三大业务应用场景［3−5］,关键指标见表1。

表1 5G移动通信网关键指标定义

1.2 5G移动通信网及承载网构架

典型5G移动通信网由无线接入网和核心网两部分组成。其中,无线接入网包括有源天线单元（AAU）、分布单元（DU）和中央单元（CU）［6］；核心网采用服务化构架定义功能模块及统一的接口协议,总体上分为负责控制业务的控制面功能模块和负责用户业务转发的用户面功能模块,各功能模块采用云化平台部署,软件功能模块间根据业务需要产生直接流量。

铁路通信下一代承载网逻辑构架包括:控制平面、转发平面和支撑平面［2］。其中,转发平面是承载铁路5G移动通信网的实体,分为骨干层、汇聚层和接入层,与5G移动通信网的承载需求对应关系见图1。

图1 5G移动通信网及承载网架构

1.3 承载网需求

基于5G网络技术指标和组网结构,对承载网提出五大方面的新挑战。

1）增幅10～100倍的大带宽需求。

2）0.5～10 ms的空口时延（前传+中/回传）。

3）承载业务灵活调度需求。

4）高精度时间同步需求。

5）网络切片及协同管控功能。

2 下一代承载网关键技术及制式比选分析

2.1 下一代承载网关键技术

1）物理层关键技术。围绕承载网更高速率、更高效率这一永恒不变目标,为满足5G移动通信网对承载网的超高速、大带宽等需求,在调制、复用、纠错,以及灵活接口等方面发展的新技术主要包括:基于软判决的第三代前向纠错（SD-FEC）技术、4脉冲幅度调制（PAM 4）、偏振复用技术、ODU flex灵活封装技术,以及FlexO灵活互联接口技术。以上技术提高了下一代承载网的可靠性、通道容量、传输距离、频谱利用效率等核心指标,实现了N×100 Gbps单波速率及接口能力。

2）以太层关键技术。基于灵活以太网（FlexE）技术的以太网切片技术,分为端口FlexE技术和交叉FlexE技术。前者实现在以太网接口上支持任意多个不同子接口,从而为不同业务提供端口侧的切片隔离；后者采用66B码块的以太网信元作为交叉处理单元,通过交叉功能模块,提供近似于传统时隙交叉的转发时延、抖动控制和硬管道隔离能力［7−8］。两者组合运用,支持全程端到端硬管道切片隔离能力。

3）分组转发关键技术。下一代承载网应能提供灵活连接调度和统计复用功能,实现一张网同时满足面向连接的专线业务和面向统计复用的三层业务承载,通过L2和L3的分组转发方式来实现,主要包括面向连接的多协议标签交换（MPLS-TP）和分段路由（SR）等技术。

4）高精度时间同步技术。采用新一代IEEE 1588 V2.1协议支撑高精度时间同步传输需求。通过提高时间戳打戳精度、引入入口/出口时延处理、单纤双向传输和时延补偿矫正机制等措施,提高系统内部同步精度对齐处理能力。

5）协同管控技术。采用软件定义网络（SDN）技术支撑端到端网络和业务协同需求,具备自动化开通部署和智能运维调度功能［9］；采用网络功能虚拟化（NFV）技术,将网络功能软件化,并以功能虚拟机的形式运行于通用的硬件设备或白盒上,实现网元实体在软件功能和硬件设备的解耦,提高网络资源的运用效率。

2.2 主要技术制式比选分析

5G通信承载网可选的新一代承载网技术制式包括切片分组网络（SPN）和IP化的无线接入网（IPRAN）；可选的传统承载网技术包括分组增强型光传送网（POTN）和分组传送网（PTN）等。

1）切片分组网络。SPN技术是中国移动公司发起、主导、研究和完善的承载网技术标准体系,以分组传送网（PTN）技术为基础演进、发展的新一代承载网技术,通过通道层和段层技术,结合成熟的二层MPLS-TP技术和三层SR技术,为5G承载提供完善的技术解决方案。

2）IP化的无线接入网。IPRAN技术是以IP路由器技术为基础演进、发展而来的新一代承载网技术,通过引入端口Flex技术和EVPN技术实现软切片功能,采用SR技术提供面向连接的业务承载能力,是通信行业主流的5G承载技术。

3）分组增强型光传送网和分组传送网。分组增强型光传送网是基于信元为单位进行交叉调度的统一交换矩阵,实现对光传送网（OTN）的ODUK数据单元、同步数字体系（SDH）的VC数据单元及分组网络的PKT数据单元的统一适配和灵活调度；分组传送网是以基于分组网络的PKT数据单元为交叉调度信元,实现面向连接的转发技术。

各技术制式对比分析见表2。

表2 承载网技术制式对比分析

综合对比分析各技术制式的先进性、业务适配能力、产业链支撑和产品成熟度等因素,铁路下一代承载网的技术制式可采用OTN类+SPN或OTN类+增强型IPRAN技术。

3 铁路5G移动通信承载网技术方案

3.1 铁路5G移动通信网模型

通过对铁路5G移动通信网进行研究,中国铁路拟使用n1频段的上、下行各10 MHz作为铁路5G移动通信网的无线频率,采用频分双工（FDD）模式。在此目标频段下,铁路无线接入网（RAN）天线阵列应以4T 4R为主,基站采用室内基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）的组网模式。

在该模型下,取定频谱效率40 bit/Hz,封装开销10%,则:

单小区峰值下行速率=频宽×频谱效率×（1+封装开销）［10−12］=10 MHz×40 bit/Hz× （1+10%）=440 Mbps

3.2 前传承载技术方案

基站采用BBU+RRU组网模式时,BBU与RRU间采用CPRI接口,最大接口速率约为10 Gbps。根据前传带宽计算标准规定,当基带带宽20 MHz时:

CPRI接口带宽峰值比特率=基站天线阵子数×IFFT点数×子载波间隔×比特宽度×控制字开销率×线路编码开销率

采用4T 4R天线,取IFFT点数=2 048、子载波间隔=15 kHz时,取定比特宽度=30、控制字开销率=16/15、线路编码开销率=10/8,则:

CPRI接口带宽峰值比特率=4×1 228.8 Mbps=4915.2Mbps

由于采样频率与基带带宽成比例,因此基带带宽10 MHz时:

CPRI接口带宽峰值比特率=2 457.6 Mbps

综上,铁路5G基站前传网络应采用光纤直驱方式连接,可采用星型组网或最多不大于4级的级联组网,支持10～20 km的传输距离；考虑双端口连接冗余保护时,区间光纤最大截面需求为16芯。前传组网结构见图2。

图2 前传组网结构

3.3 回传及核心网承载技术方案

1）接入层:负责区间基站的接入。

取RRU站间距约3 km,每BBU下联5个RRU计算,每个基站覆盖线路里程约10 km；车站间距按最大70 km考虑,估算区间基站数量8个；接入层采用奇数基站、偶数基站双平面环型组网结构。接入层组网结构示意见图3。

图3 接入层组网结构示意

系统最大截面带宽计算如下:

单基站峰值带宽=小区数×单小区峰值下行速率=5×440 Mbps=2 200 Mbps

系统最大截面带宽=4×单基站峰值带宽=8 800 Mbps≈10 Gbps

2）局干/汇聚层:负责汇聚区间基站流量,承载基站至核心网回传流量。

考虑5G移动通信网的控制面时延不宜超过10 ms的要求,回传网络应不超过650 km及15跳。其中,接入部分分配10 km和5跳,局干/汇聚层应不超过640 km及10跳。按照站间距70 km估算,汇聚层节点数量按最大值10个考虑,系统最大截面带宽计算如下:

系统最大截面带宽=接入环带宽×接入环数量×汇聚节点数量×收敛比=8 800 Mbps×2×10×1/2=88 000 Mbps≈100 Gbps

为提高系统可靠性,汇聚层应采用1+1双平面结构,采用1+1复用段保护的链型组网结构,或利用上层骨干层进行环型组网,单平面系统带宽100 Gbps。局干汇聚层组网结构见图4。

图4 局干汇聚层组网结构示意

3）骨干层:负责路局核心网、全路核心网间数据流量承载,负责路局核心网用户面与铁路数据中心间流量承载。

假定各铁路局集团公司平均10条5G通信网络覆盖的铁路线路,按照收敛比4∶1考虑,出局/局内流量比为4∶1,则:

局集团公司出局带宽=接入线路带宽×线路数量×收敛比×出局流量比=100 Gbps×10×1/4×4/5=200 Gbps

按照每套骨干层传输系统平均接入6个局集团公司计算,则:

系统最大截面带宽=接入路局数×局集团公司出局带宽×收敛比=6×200 Gbps×1/2=600 Gbps

为提高系统可靠性,骨干层应采用双平面组网结构。考虑满足一定的冗余性需求,初期单平面带宽需求为400 Gbps。

4 结论

为了满足铁路5G移动通信网的新需求,铁路下一代承载网应具备大带宽、超低时延、高精度时间传送、灵活组网调度、软硬管道切片、智能协同管控等特性；组网结构要充分考虑铁路通信的可靠性要求,实现双平面组网；在此基础上,综合考虑运输调度、公安、客票、信息等其他方面的业务需求,逐步向移动系统、专线电路、宽带数据通信等综合承载演进。