中國鐵路5G移動通信承載網技術方案研究

胡 新

5G移動通信網建設是國家新型基礎設施建設的主要內容之一,也是中國鐵路確定的下一代移動通信技術制式［1］。鐵路通信下一代承載網應以鐵路5G移動通信網絡建設為核心需求進行構建,在近中期應首先圍繞5G通信技術的核心業務應用,即增強型移動寬帶（eMBB）業務,構建超大帶寬的回傳承載網絡；兼顧考慮中遠期滿足超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）業務應用需求［2］,提前預留網絡條件。

1 5G移動通信承載網需求簡析

1.1 5G移動通信網關鍵指標

5G移動通信技術將帶來eMBB、uRLLC、mMTC三大業務應用場景［3?5］,關鍵指標見表1。

表1 5G移動通信網關鍵指標定義

1.2 5G移動通信網及承載網構架

典型5G移動通信網由無線接入網和核心網兩部分組成。其中,無線接入網包括有源天線單元（AAU）、分布單元（DU）和中央單元（CU）［6］；核心網采用服務化構架定義功能模塊及統一的接口協議,總體上分為負責控制業務的控制面功能模塊和負責用戶業務轉發的用戶面功能模塊,各功能模塊采用云化平臺部署,軟件功能模塊間根據業務需要產生直接流量。

鐵路通信下一代承載網邏輯構架包括:控制平面、轉發平面和支撐平面［2］。其中,轉發平面是承載鐵路5G移動通信網的實體,分為骨干層、匯聚層和接入層,與5G移動通信網的承載需求對應關系見圖1。

圖1 5G移動通信網及承載網架構

1.3 承載網需求

基于5G網絡技術指標和組網結構,對承載網提出五大方面的新挑戰。

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）承載業務靈活調度需求。

4）高精度時間同步需求。

5）網絡切片及協同管控功能。

2 下一代承載網關鍵技術及制式比選分析

2.1 下一代承載網關鍵技術

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

2）以太層關鍵技術?；陟`活以太網（FlexE）技術的以太網切片技術,分為端口FlexE技術和交叉FlexE技術。前者實現在以太網接口上支持任意多個不同子接口,從而為不同業務提供端口側的切片隔離；后者采用66B碼塊的以太網信元作為交叉處理單元,通過交叉功能模塊,提供近似于傳統時隙交叉的轉發時延、抖動控制和硬管道隔離能力［7?8］。兩者組合運用,支持全程端到端硬管道切片隔離能力。

3）分組轉發關鍵技術。下一代承載網應能提供靈活連接調度和統計復用功能,實現一張網同時滿足面向連接的專線業務和面向統計復用的三層業務承載,通過L2和L3的分組轉發方式來實現,主要包括面向連接的多協議標簽交換（MPLS-TP）和分段路由（SR）等技術。

4）高精度時間同步技術。采用新一代IEEE 1588 V2.1協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償矯正機制等措施,提高系統內部同步精度對齊處理能力。

5）協同管控技術。采用軟件定義網絡（SDN）技術支撐端到端網絡和業務協同需求,具備自動化開通部署和智能運維調度功能［9］；采用網絡功能虛擬化（NFV）技術,將網絡功能軟件化,并以功能虛擬機的形式運行于通用的硬件設備或白盒上,實現網元實體在軟件功能和硬件設備的解耦,提高網絡資源的運用效率。

2.2 主要技術制式比選分析

5G通信承載網可選的新一代承載網技術制式包括切片分組網絡（SPN）和IP化的無線接入網（IPRAN）；可選的傳統承載網技術包括分組增強型光傳送網（POTN）和分組傳送網（PTN）等。

1）切片分組網絡。SPN技術是中國移動公司發起、主導、研究和完善的承載網技術標準體系,以分組傳送網（PTN）技術為基礎演進、發展的新一代承載網技術,通過通道層和段層技術,結合成熟的二層MPLS-TP技術和三層SR技術,為5G承載提供完善的技術解決方案。

2）IP化的無線接入網。IPRAN技術是以IP路由器技術為基礎演進、發展而來的新一代承載網技術,通過引入端口Flex技術和EVPN技術實現軟切片功能,采用SR技術提供面向連接的業務承載能力,是通信行業主流的5G承載技術。

3）分組增強型光傳送網和分組傳送網。分組增強型光傳送網是基于信元為單位進行交叉調度的統一交換矩陣,實現對光傳送網（OTN）的ODUK數據單元、同步數字體系（SDH）的VC數據單元及分組網絡的PKT數據單元的統一適配和靈活調度；分組傳送網是以基于分組網絡的PKT數據單元為交叉調度信元,實現面向連接的轉發技術。

各技術制式對比分析見表2。

表2 承載網技術制式對比分析

綜合對比分析各技術制式的先進性、業務適配能力、產業鏈支撐和產品成熟度等因素,鐵路下一代承載網的技術制式可采用OTN類+SPN或OTN類+增強型IPRAN技術。

3 鐵路5G移動通信承載網技術方案

3.1 鐵路5G移動通信網模型

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

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 前傳承載技術方案

基站采用BBU+RRU組網模式時,BBU與RRU間采用CPRI接口,最大接口速率約為10 Gbps。根據前傳帶寬計算標準規定,當基帶帶寬20 MHz時:

CPRI接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數×IFFT點數×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點數=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基站前傳網絡應采用光纖直驅方式連接,可采用星型組網或最多不大于4級的級聯組網,支持10～20 km的傳輸距離；考慮雙端口連接冗余保護時,區間光纖最大截面需求為16芯。前傳組網結構見圖2。

圖2 前傳組網結構

3.3 回傳及核心網承載技術方案

1）接入層:負責區間基站的接入。

取RRU站間距約3 km,每BBU下聯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,估算區間基站數量8個；接入層采用奇數基站、偶數基站雙平面環型組網結構。接入層組網結構示意見圖3。

圖3 接入層組網結構示意

系統最大截面帶寬計算如下:

單基站峰值帶寬=小區數×單小區峰值下行速率=5×440 Mbps=2 200 Mbps

系統最大截面帶寬=4×單基站峰值帶寬=8 800 Mbps≈10 Gbps

2）局干/匯聚層:負責匯聚區間基站流量,承載基站至核心網回傳流量。

考慮5G移動通信網的控制面時延不宜超過10 ms的要求,回傳網絡應不超過650 km及15跳。其中,接入部分分配10 km和5跳,局干/匯聚層應不超過640 km及10跳。按照站間距70 km估算,匯聚層節點數量按最大值10個考慮,系統最大截面帶寬計算如下:

系統最大截面帶寬=接入環帶寬×接入環數量×匯聚節點數量×收斂比=8 800 Mbps×2×10×1/2=88 000 Mbps≈100 Gbps

為提高系統可靠性,匯聚層應采用1+1雙平面結構,采用1+1復用段保護的鏈型組網結構,或利用上層骨干層進行環型組網,單平面系統帶寬100 Gbps。局干匯聚層組網結構見圖4。

圖4 局干匯聚層組網結構示意

3）骨干層:負責路局核心網、全路核心網間數據流量承載,負責路局核心網用戶面與鐵路數據中心間流量承載。

假定各鐵路局集團公司平均10條5G通信網絡覆蓋的鐵路線路,按照收斂比4∶1考慮,出局/局內流量比為4∶1,則:

局集團公司出局帶寬=接入線路帶寬×線路數量×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平均接入6個局集團公司計算,則:

系統最大截面帶寬=接入路局數×局集團公司出局帶寬×收斂比=6×200 Gbps×1/2=600 Gbps

為提高系統可靠性,骨干層應采用雙平面組網結構。考慮滿足一定的冗余性需求,初期單平面帶寬需求為400 Gbps。

4 結論

為了滿足鐵路5G移動通信網的新需求,鐵路下一代承載網應具備大帶寬、超低時延、高精度時間傳送、靈活組網調度、軟硬管道切片、智能協同管控等特性；組網結構要充分考慮鐵路通信的可靠性要求,實現雙平面組網；在此基礎上,綜合考慮運輸調度、公安、客票、信息等其他方面的業務需求,逐步向移動系統、專線電路、寬帶數據通信等綜合承載演進。