下一代鐵路通信承載網方案研究

中鐵工程設計咨詢集團有限公司 林 霖

目前5G技術在各行業展開應用，5G相對于GSM-R網絡具備不可比擬的大帶寬、低時延優勢。高速鐵路5G無線通信技術呼之欲出，如何解決當下業務承載需求又可提供5G通信新技術應用成為亟待考慮的問題。

1 現有技術體制

目前鐵路傳輸架構采用MSTP（接入、匯聚層）+OTN（骨干層）的組合。對于未來5G-R大帶寬、低時延的回傳需求，接入層和匯聚層采用的MSTP時延無法滿足，需要選用新型承載技術。

目前滿足5G主流承載技術有SPN、增強型IPRAN、M-OTN等技術，主要技術對比如表1所示。

表1 基于5G主流承載技術比較

目前聯通、電信選用增強型IP RAN承載，移動選用SPN承載，M-OTN目前沒有大規模應用，暫無參考案例。本次創新設計方案在增強型IP RAN技術和SPN技術進行應用場景比較。

1.1 增強型IP RAN技術簡介

增強型IP RAN技術是基于IP技術的移動業務承載網，經過多年發展已成為穩定高效的承載網絡，適配5G網絡不同場景連接需求。引入SDN提高網絡智能降低運營商運營及維護成本，引入FlexE接口保證獨立帶寬和時延。

目前國鐵存在數字調度、信號CTC、公安、電化廣域保護、應急通信等TDM硬性管道業務需求，增強型IP RAN技術對TDM通道暫未確定，無法與既有MSTP設備直接互聯。且無法做硬性網絡切片，所以增強型IP RAN技術更適合運營商網絡承載應用場景。

1.2 SPN技術簡介

SPN技術主要由PTN技術演進而來，技術架構分層包括切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）、切片傳送層（STL），以及時間/時鐘同步功能模塊和管理/控制功能模塊組成。SPN系統如圖1所示。

●SPN采用SE切片以太網技術將以太網切片到L1層。因此SPN網絡具備適應多種業務單獨切片組網需求。

●SPN通過FlexE技術實現多光口靈活整合，實現數據接口速率可調。

●SPN采用SE-XC技術，業務流進行隙交叉方式轉發替代原先存儲再轉發方式，經過網絡各節點無須進行MAC、MPLS解碼，單站點的業務時延一般在3-10us左右，抖動小于1us，端到端時延最低可以達到1ms，滿足5G、繼電保護時延要求。

●SPN采用SR隧道技術，是對MPLS技術的升級，通過攜帶整個路由標簽高效實現端到端路由鏈路。

●SPN采用L3VPN技術，確保大網各業務獨立劃分三層VPN，實現各運營維護部分業務相互隔離，與現有數據網系統平滑過渡。

綜上說述，下一代承載網建議采用SPN（接入、匯聚層）+OTN（骨干層）方式。

2 鐵路通信承載網系統架構

（1）骨干層

骨干層OTN建議按照40波100Gb/s純相干網絡設計，初期可根據本線業務需求開通2～4波，后續可根據需求開通更多100Gb/s波道數。利用兩條不同物理徑路的光纜構成OLP 1+1保護。

（2）匯聚層

匯聚層采用SPN雙平面（A/B）組網，各車站信號新設2套SPN 50Gb/s設備。利用兩條不同物理徑路的光纜構成1+1鏈型組網。

（3）接入層

沿線各區間基站、線路所、動車所采用雙平片（A/B）組網，在各通信機械室新設2套SPN 10Gb/s設備。沿線電氣化所亭、信號中繼站等機構采用SPN單平面組網，各新設1套SPN 10Gb/s設備。

利用線路兩側干線光纜中的各4芯光纖構成4個環網（基站A平面環、基站B平面環、電牽信號環1、電牽信號環2）。基站A平面環和電牽信號環1采用10GE(O)接口與相鄰車站信號樓SPN 50Gb/s設備A進行互聯，基站B平面環和電牽信號環2采用10GE(O)接口與相鄰車站信號樓SPN 50Gb/s設備B進行互聯。

站內配電所、綜合維修工區（車間）、公安派出所等各新設1套SPN 10Gb/s設備，通過地區光纜環分別接入信號樓2套SPN 50Gb/s設備。承載網系統如圖2所示。

圖2 承載網系統示意圖

（4）網絡切片

根據上述鐵路承載業務分析，分別將匯聚層、接入層SPN設備按業務類型進行硬切片，確保數據網、5G、綜合視頻分別、TDM等業務分別承載于獨立的網絡切片中，并提供獨立的保護通道。匯聚層及接入層網絡切片如表2、表3所示。

表2 匯聚層SPN硬切片表

表3 接入層SPN硬切片表

（5）與既有系統互聯

SPN系統無法提供STM-N(N＞1)接口，無法與既有樞紐MSTP骨干環互聯，各局樞紐環組建還需結合實際情況要進一步的深化。

目前運營商5G網絡承載方案已經成熟，為高速鐵路5G方案提供借鑒參考，鐵路向高時速、AI智能、大帶寬、低時延發展是必然趨勢。SPN為下一代承載網提供了可靠支撐，將在未來的高速鐵路中取得廣泛應用。