铁路5G-R承载技术分析

铁路5G-R承载网络总体背景

        2020年，国铁集团发布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，为新时代铁路通信技术发展明确了方向。纲要中提出了“发展自主先进的技术装备技术体系”“提升基础设施装备技术水平”“以新型基础设施赋能智慧发展”等方面的主要任务。

        为进一步贯彻落实党中央加快5G网络等新型基础设施建设的决策部署，国铁集团制定了铁路5G专用移动通信系统（5G-R）建设的总体目标，5G-R将成为面向铁路生产运营的大规模5G专网。同时，随着铁路各业务IP化不断发展，网络智能运行、资源智能管理、系统智能维护、业务智能应用的发展目标日益明确，各方面对铁路下一代承载网技术提出新的需求，主要包括5G-R与行车相关的生产业务安全可靠通信、5G-R切片隔离、现有多业务综合承载、铁路专网可管可控等。

        为了更好地支撑铁路5G-R建设，根据5G-R关键需求和铁路业务综合承载的发展评估选择合适的承载技术方案，是当前阶段承载网络最重要的工作。在2022年IMT-2020 5G承载推进组由中国通号院牵头的关于5G-R承载方案研究项目中，对SPN、IPRAN和M-OTN三种技术方案均进行了相对全面的分析，当前SPN作为TDM和分组技术深度融合的自主标准化技术方案具备相对优势，有望成为5G-R接入回传和铁路综合承载的主要选择方案。

        SPN 1.0已经在运营商规模商用，当前正在从1.0向多业务综合承载的2.0阶段演进，通过具备10GE接口的10M FGU小颗粒硬隔离切片、E1/STM-1 CBR多业务承载，结合成熟的MTN大颗粒硬隔离切片、Inband OAM高精度性能测量和可管可控的传输特性，能够为5G-R和传统铁路通信业务提供从L1到L3的综合承载服务，具备同时满足现有SDH高隔离高可靠和可管可控的承载能力，契合铁路5G-R的承载需求。

5G-R承载网面临的主要挑战

        运营商5G建设已步入规模商用阶段，5G-R作为5G技术在铁路生产行业的专网技术，面临铁路生产运营的差异化需求。5G-R承载技术面临的主要挑战如下：

        - 传输特性L3组网：5G-R继承GSM-R的传输网络特性，相比现网的GSM-R，对现有SDH/MSTP传输网除了带宽要求外，主要引入灵活L3组网能力，同时尽量保持SDH/MSTP硬隔离、高可靠、可管可控的传输特性，具体包括L3双向连接、全网流量规划、完善的OAM和保护等，满足铁路专网的质量要求。

        - 安全隔离与可靠传输：5G-R系统需要承载调度通信、列车控制等铁路生产业务，同时也存在视频监控、线路巡检等运营辅助业务以及其他铁路应用，对生产业务和生产辅助业务要求提供传统SDH/MSTP相当甚至更高的安全可靠传输要求。生产业务和生产辅助业务以及其他应用之间提供TDM硬隔离。

        - 大规模专网管控：5G-R全国大规模专网对网络规划、建设、维护和优化要求更高，要基于全网业务可管可控，增强传输网管的管控能力，实现业务快部署、稳运行、易排障和智运维。因此，采用管控一体化架构继承现有SDH/MSTP的管控能力并持续演进是相对合理的方式。

5G-R承载技术分析

        5G网络设计阶段，IMT-2020 5G承载推进组2018年发布的白皮书《5G承载网络架构和技术方案》重点评估分析了三种5G承载技术：SPN、IPRAN 2.0和M-OTN，并对三种承载方案进行了分析。从技术发展的角度，三种技术方案均体现了传送技术和分组技术持续融合发展的结果，区别在于不同技术对传送和分组融合的层次和深度存在差别。对承载传送技术路线的发展简要分析如图1所示。

       从图1可以看出，不同承载技术对于5G-R承载挑战的技术支持度存在一些差异：

        - M-OTN沿用OTN专用接口，具备TDM硬隔离切片能力，但缺乏5G回传应用，无L3组网功能；

        - IPRAN 2.0具备L3组网能力，但是传送网增强能力不足，缺乏传输网TDM硬隔离和丰富的可管可控能力；

        - SPN同时具备TDM硬隔离和L3组网能力，已经规模承载了5G业务，具备丰富的可管可控功能。

        除了技术方面的分析，针对三种承载技术，运营商也开展了性能对比测试，测试数据分析显示，SPN技术在支持5G和综合业务承载的关键性能指标中领先，如图2所示。

        根据IMT-2020 5G承载推进组关于5G-R承载方案的研究报告，三种5G-R承载方案中SPN相对技术满足度更好。在刚刚结束的5G-R技术选型测试中，中兴通讯SPN顺利完成了所有的测试内容。

        目前，SPN 1.0技术在ITU-T已经发布系列国际标准，SPN 2.0 FGU小颗粒技术又取得了ITU-T国际标准立项突破。SPN产品目前已经大规模部署，现网设备量超过了40万端，逐步推广到电力、地铁、高速、矿山等生产专网，具备5G-R承载的成熟产业链。

        结合上述铁路5G-R承载网的主要挑战分析，以及当前承载网技术发展路线，采用SPN技术承载5G-R方案具备以下优势：

        - 基于SPN建设端到端5G-R回传L3网络，支持5G业务软硬隔离切片，实现专网业务可管可控；

        - 通过SPN TDM硬隔离通道，支持E1/STM-1 CBR承载能力，实现5G-R和铁路生产业务综合承载；

        - 发扬SPN标准自主和产业链优势，建设铁路下一代综合业务接入和承载平台，支撑5G-R交通强国的总体战略。

        从铁路5G-R总体建设目标来看，SPN 2.0技术标准以及产品非常匹配5G-R对承载的建设要求，技术能力具备相对优势。当前，国铁集团正在开展各项5G-R技术验证测试，中兴通讯SPN正积极配合支持测试工作的开展。中兴通讯已经将SPN 2.0满足5G-R承载作为重要的需求进行产品规划和研发，助力智慧铁路发展。