铁路通信现状
铁路是我国交通的大动脉，截止到2021年底，全国铁路营业里程突破15万千米，其中高速铁路超过4万千米，而铁路通信对行车安全有重要的保障作用。我国约6万千米普速铁路仍然在使用传统的450MHz无线列调通信系统，2012年起工信部已停止核准450MHz频段，该系统也存在易被外界干扰、语音质量不高、业务有限等问题。2008年起，新（改）建铁路几乎全部采用GSM-R作为专用无线通信系统，总里程约9万千米。GSM-R以语音业务为主，窄带数据带宽有限，面对铁路智能化和未来演进力不从心，难以承载多媒体等新业务，也面临全球产业链逐步萎缩的困境。
5G-R承载需求
目前，国铁集团正在积极开展5G-R技术研究，并在申请铁路5G-R专用频段。与GSM-R相比，5G-R单终端数据传输带宽由几十kbps提升到几十Mbps，提升了上千倍，数据传输延时由几百毫秒缩短到不足一百毫秒；同时，5G技术的频谱效率更高，支持网络切片、边缘计算、用户面和控制面分离等，具有高宽带、广连接、高可靠等应用特性，可为铁路关键业务提供服务质量保障。相应地，对配套的承载网也提出了更多要求，主要体现在以下方面：
- 大带宽。铁路5G-R无线接入网典型组网方式为BBU/CU+DU合设且分布部署在车站/区间，RRU/AAU拉远部署，当接入3～5个RRU/AAU时单个BBU/CU+DU回传带宽需求为1.32Gbps～2.2Gbps（根据《铁路下一代承载网应用技术白皮书2020》），业务核心节点之间的带宽需求为1Gbps~10Gbps，如考虑到铁路现网业务的综合承载，带宽需求更大。
- 灵活组网。5G-R系统的核心网云化部署、MEC下沉，同时基站密集组网，站间协同更为密切，这些都带来多点到多点的灵活连接的需要。
网络切片。5G-R系统需要同时承载调度通信、列车控制、移动视频、物联网等各类业务应用。这些业务在带宽、时延、可靠性、安全性等方面需求差异较大，需要承载网支持网络切片技术，支持网络资源和传输管道的物理隔离、逻辑隔离等技术，为不同的业务提供SLA保障。
- 高精度时间同步。5G技术的基本业务时间同步需求为±1.5µs，5G基站的带内非连续载波聚合和带间载波聚合的同步要求是±130ns，带内连续载波聚合的同步要求是±65ns，MIMO的同步要求是±32.5ns。
除了5G-R业务以外，铁路通信中还存在大量传统的TDM业务、分组业务，特别是承载调度通信、TDCS（铁路列车调度指挥系统）/CTC（调度集中系统）等的E1 TDM业务，对传输通道的时延、安全隔离等有更高的需求。
主流传送网技术比选
目前铁路GSM-R业务的承载主要是MSTP设备，但MSTP设备的最大线路侧带宽只有10Gbps，而且其刚性管道不适合承载分组业务，同时EOS（Ethernet over SDH）机制也存在汇聚比的限制，难以完成大数量的分组业务的汇聚；MSTP只支持时钟同步，无法支持高精度时间同步，也不支持L3层的转发，同时MSTP的标准推进基本停止，产业链逐渐萎缩。总体上看MSTP无法满足未来5G-R的承载需求。
公众电信运营商主流的5G承载方案是SPN和IPRAN 2.0技术。IPRAN 2.0和SPN的总体架构和关键技术类似，但IPRAN 2.0的硬切片主要基于FlexE端口技术，不能提供端到端的硬切片通道，可以用于铁路图像通信等非安全、非控制类业务的站区、区间延伸。相对IPRAN，SPN基于增强的OAM、双向连接及保护等功能，提高了分组网络的可管可控能力，满足5G-R业务对安全性、可靠性要求的同时，能够兼顾车站、区间TDM等重要业务。因此SPN是承载5G-R业务接入的合适选择。
基于SPN承载5G-R业务接入的组网方案
选择SPN作为铁路5G-R接入层承载网，可为铁路5G-R系统提供大带宽接入、高精度时间同步、高可靠性、灵活连接等方面的功能性能保障，并可兼顾既有铁路通信业务的综合承载，其总体架构如图1所示。
图1 基于SPN承载5G-R业务接入组网示意图
5G-R业务的回传承载网采用接入、汇聚、核心三层架构的组网方式。对于铁路干线的接入环，线路侧初期可以采用GE或10GE；回传网汇聚环可采用10GE速率，而连接铁路局和铁路大站的回传核心环至少采用10GE组网，满足现有及未来业务带宽的需求。5G-R基站会同时接入行车控制、调度通信、移动客票、视频图像、检测监测等业务，这些业务对安全性、可靠性等要求不同，可以在SPN网络中建立端到端的切片通道，对于行车控制、调度通信等重要业务可采用独立的硬切片通道承载，保证业务通道的物理隔离和安全；对于其他业务可采用软切片方式共享硬管道，提高业务通道的承载效率。
5G基站需要提供高精度时间同步，可以自铁路时间同步网一、二级时间同步节点接引主用、备用时间源，通过OTN或SPN网络完成超高精度时间信息的传输，在接入SPN设备处，可通过PTP接口或1PPS+ToD接口方式将时间信号传递给5G-R基站。通过地面链路提供的时间信号，可与GNSS（北斗）时间信号共同保证5G-R基站高精度时间同步的安全可靠。
铁路站场场景包括铁路车站、物流中心、编组站、动车段（所）、机务段、车辆段等铁路作业区域。这些场景特点是通信作业范围为面状区域，作业人员和车辆密集且业务量大，调车控制、自动驾驶、无线检票、机器控制等业务对低时延需求相对较高，对生产作业过程中的数据安全和隐私性要求较高。MEC边缘计算技术可满足站场的上述需求。如图1所示，MEC部署在站场接入汇聚机房，与SPN回传网接入环的汇聚设备对接。SPN设备通过灵活转发功能，打通MEC到5GC、到站场5G-R基站的链路。MEC将铁路站场的应用业务分流到站场服务器，满足站场业务的低时延和数据安全需求，也减少了大容量数据回传对承载网的压力。
对于现网中既有的CTC等传统分组业务和数据通信网区间业务延伸，可采用L2VPN映射SR-TP/MPLS-TP的方式，通过SR-TP/MPLS-TP的严格路径等特性保障业务的QoS；基于SDN控制器的SR-TP重路由特性，可保证传输网络中多点失效的情况下业务仍能正常工作，可以提供不低于原有MSTP网络的可靠性。对于有通道硬隔离需求的分组业务，可以采用L2VPN映射SR-TP/MPLS-TP over MTN/细颗粒的方式承载，基于端到端的物理隔离通道，保证业务的安全可靠。对于传统的E1业务，可以把业务直接映射到SPN的10Mbps细颗粒上，端到端的细颗粒路径可以提高业务通道的承载效率，同时保证业务全路径的安全隔离、业务双向路径的时延一致等特性。
5G-R的部署将分阶段分区域逐步推进，既有铁路通信业务和5G-R业务将逐步过渡到统一的接入层传输网来承载。SPN可提供丰富的业务接口，具有大带宽、低时延、灵活接入等特性，并通过SDN的集中管控，实现高效智能运维。
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