面向5G-R的下一代铁路SPN综合承载方案研究

        近年来，中国移动在全国各省地市对SPN进行大规模部署，实现5G公网的覆盖，现网设备存量超过100万端，部署规模远超其他5G承载方案。同时SPN技术由于其良好的刚性隔离能力及专线应用能力，已推广到电力、地铁、高速、矿山等生产专网，成为垂直行业可选的优秀解决方案，具备强大的产业链和生态规模。SPN技术经历了运营商大规模的5G业务承载商用，以及地铁等行业的应用承载验证，主要的核心标准由中国引领，是面向铁路5G-R的最佳承载方案。

铁路5G-R应用对承载网带来新的挑战

        随着5G-R系统研究规划试验的不断推进，现有承载网难以满足新需求。根据铁路应用场景中的业务特点及承载网发展规划，下一代承载网除了要满足5G-R业务的承载外，还需要满足铁路其他业务的承载，如调度通信、信号联锁相关业务及电力SCADA业务等。因此，面向5G-R的铁路下一代通信承载网一定是一张面向铁路多专业多业务的综合承载网。

        当前的铁路承载网在业务承载能力、东西向业务调度能力、智能运维管理及业务敏捷部署等方面能力较弱，难以满足新需求。随着相关应用业务和服务能力的组件模块化，铁路通信承载网面对的不再是单一业务的应用要求，而是组件化、统一化的综合应用需求。5G-R承载网需要具备的特征包括大带宽、超低时延、高精度时间同步传送、海量连接、灵活组网调度、高效软硬管道切片能力、敏捷业务部署、网络级的分层 OAM和保护能力、高可靠性、智能管控、智能运维等，因此，铁路5G-R需要承载网面向资源灵活配置和敏感度差异化的多种不同业务，提供传统的ICT服务、网络切片、网络安全等多种灵活适配性强的网络服务。

        铁路通信承载网包含传输网和数据通信网。数据通信网主要承载了铁路信息化数据业务及非涉及行车的监测业务等，主要应用系统有铁路运输管理信息系统、综合视频监控系统、铁路信号集中监测系统等系统。传输网主要承载行车相关业务及有刚性需求的专线业务。在5G-R时代，目前基于2100MHz的铁路5G-R主要承载与行车相关的业务，分为行车指挥及控制、运营维护两类，其需要具备一定刚性和确定性的网络要求。根据铁路5G专网业务和功能需求规范，5G专网业务数据类型包括语音、数据、视频。叠加应用业务场景后，又分为调度、行车、运维及应急的语音通信、数据传送和视频传送等；5G-R业务流向分为车地、车车、车厢和地面4类；5G-R优先级要求，根据与行车安全的相关程度，将各类铁路移动通信业务按照业务数据类型及场景划分不同的应用优先级级别，对于高优先级业务，无论网络是否拥塞，5G-R都应优先保障。5G-R业务模型如表1所示。

        面向5G的网络切片是提供特定网络能力的、端到端的逻辑专用网络。一个网络切片实例指满足特定网络功能和性能要求的一组物理或虚拟资源的集合，由无线、承载和核心网的子网络切片实例组成，并通过网络切片管理功能实现端到端切片的管理。

        综上考虑，针对5G-R不同类型和优先级的业务可以通过网络切片和优先级的结合运用实现差异化服务。同时考虑到铁路专网高安全的特性需求，这就要求面向5G-R的下一代承载网既要具备多业务灵活接入能力，又要具备端到端硬管道的刚性隔离能力，以及面向未来智慧铁路新型业务加载的高扩展性和高可靠性。

SPN面向5G-R的综合承载方案

        铁路通信应用场景对面向5G-R的下一代承载网提出了综合承载的相关能力要求，SPN兼备L1~L3的特征能力，具备综合承载的本征特性。基于转发多平面分离的架构，SPN的分组平面可以通过统计复用的方式有效解决L2~L3业务的承载，同时CBR平面可以支持E1、STM-1等CBR固定速率业务的承载功能，不仅能满足5G-R的回传需求，还可以满足铁路调度通信、GSM-R以及公安等专线业务的可靠传输需求。基于SPN的5G-R承载网络不仅适用于基站至核心网/MEC、基站之间通道，还可以满足铁路区间业务拉回至车站的业务承载，能有效满足不同应用场景承载需求，典型组网如图1所示。

SPN多业务综合承载方案

        在铁路5G-R承载场景下，SPN凭借其L1~L3的灵活调度能力，可以实现多业务的综合承载。

        - 高安全生产类业务承载

        采用N×10M细粒度硬管道承载小带宽生产类业务（包括以太网业务和E1 CBR业务），可实现业务间的硬管道隔离以及带宽无损调整。

        - 5G-R回传业务承载

        基站Xn业务采用SR-BE隧道承载就近转发快速终结，满足突发业务的低时延快速转发和灵活连接；基站NG业务利用SR-TP隧道，结合其丰富的OAM和双向路径一致的特性，为业务提供隧道层的保护及标识，结合切片技术，实现业务隔离的同时实现流量的灵活调度和快速转发。

        针对三层业务，采用基于SR-MPLS的L3VPN承载，业务之间支持N×10M/N×5G软/硬切片隔离或基于隧道层面的业务隔离。

        针对二层业务，采用基于SR-TP/MPLS-TP的L2 VPN承载，利用E-Line、E-LAN、 E-Tree技术可支持点到点、点到多点、组播业务，业务之间支持N×5G/N×10M软/硬切片隔离或基于隧道层面的业务隔离。

        - 一般分组业务综合承载

        一方面可以采用L2/L3VPN技术承载IP分组业务，采用端口切片及L3VPN灵活调度实现视频等大带宽数据业务的承载及SLA保障，设置为A平面。另一方面，对某些重要的数据通信网业务，考虑到SPN也具备L3分组交换能力，可以在SPN承载网上设置逃生业务路径，设置成B平面。因此面向较为重要的分组业务时，如既有通过传输网承载的（承载在A平面）铁路客票业务，未来客票系统7.0业务将逐步迁移至数据通信网承载，可通过这种A/B平面互为备份的网络架构来提高业务的可靠性及容灾的鲁棒性。正常工作时A/B平面相互独立运行，如果单一网络平面出现大面积故障时，A/B平面又可以互为备份保护，更好地保障此类重要业务的可靠性及安全性。

        - 传输特性的集中管控

        采用SPN集中控制器实现网络的智能运维与管控。

综合承载切片方案

        根据上述铁路承载业务分析，分别将汇聚层、接入层SPN设备按业务类型划分切片，可考虑使用100G MTN接口划分细粒度N×10M切片或大颗粒N×5G切片，以确保不同SLA级的业务按需分别承载于独立的网络切片中，并提供独立的保护通道。行车控制、调度通信、移动客票、视频图像、检测监测等业务对安全性、可靠性等要求不同，可以在SPN网络中构建不同的切片通道，对于行车控制、调度通信等重要业务采用独立的硬切片通道承载，引入S-XC或FGS-XC交叉功能实现基于L1的调度交叉模式，构造端到端的硬管道，保证业务通道的硬隔离和物理安全；对于其他业务可采用隧道over MTN接口（软切片方式）共享硬管道，提高业务通道的承载效率。

        基于SPN的铁路承载网络切片划分方案建议见表2。

        基于SPN的E1 CBR业务与5G-R业务切片综合承载方案如图2所示，业务在SPN网络的网络侧可以是完全相同的路径，实现综合承载。实际为满足不同类型业务的需要，如弹性分组复用型、CBR高隔离要求型，可通过在SPN网络中部署切片，利用切片间物理隔离的特性，实现综合承载。

        综合承载方案举例建议说明：

        - 1个100G线路侧端口，部署3个切片，配置切片带宽为50Gbps、40Gbps、10Gbps，其中50G带宽切片用于承载5G-R业务，10G带宽切片用于承载E1 CBR业务，40G带宽切片用于承载其他类型的业务，每个切片带宽可根据工程实际情况及业务需求灵活调整。

        - 5G-R业务属于分组业务，其中NG业务为南北向流量，Xn业务为东西向流量，可采用逐跳的切片技术。

        - E1 CBR业务属于固定速率业务，通常为专线业务，可以采用端到端的FGU channel来承载。

SPN是铁路5G-R综合承载的优异解决方案

        随着国铁集团主导的5G-R研究规划以及东郊环行铁道5G专用移动通信系统技术试验的不断推进，SPN技术的5G-R承载能力在实验室验证阶段得到了验证。经过前期国铁集团主导的环形道静态测试、动态测试的验证证明，SPN技术具备为5G-R和传统铁路通信业务提供支持L1~L3的综合承载服务的能力，结合5G-R差异化需求，从承载网技术路线演进的角度分析，SPN技术在细粒度切片灵活承载、确定性低时延和抖动、高精度时间同步及频率同步能力、高可靠网络保护恢复能力等方面优势明显，同时又能支持动静结合的L3业务，使其具备优秀的综合承载能力，为铁路5G-R承载提供优异的解决方案。