高速鐵路車地寬帶通信軟切換技術研究

丁 元 鋒

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所， 北京 100081)

2018年高速鐵路(以下簡稱高鐵)智能關鍵技術綜合試驗[1]車地通信采用5 MHz信道的450 MHz頻段LTE，通信性能良好，局限性在于頻率資源特別緊張，潛在的干擾問題需要進一步驗證。450 MHz頻段適合低帶寬業務，難于滿足大帶寬需求。20 MHz信道的LTE峰值帶寬下行100 Mbps，上行50 Mbps[2-5]；1.8 GHz和2.6 GHz等高頻段在高鐵環境下，車地帶寬衰減到10%～20%以下，丟包率大于10%，無法滿足列控系統傳輸要求。LTE小區合并、頻移補償等改進技術，有提高但仍然遠遠低于最佳性能，LTE已商用10年多，問題仍然難于解決。

高鐵環境影響LTE性能的主要因素是多普勒頻移和硬切換。無法改變LTE的抗頻移能力，可以選用抗頻移能力強的寬載波技術。無法改變LTE硬切換，可以探尋實現軟切換的其他技術方向。研究發現，多協議標記交換(Multiprotocol Label Switching, MPLS)及其快速重路由(Fast Reroute，FRR)[6]技術，與抗多普勒頻移的無線空口技術結合而成的移動MPLS系統，可實現無縫軟切換，可抑制或基本消除快衰落，可實現高鐵車地寬帶大通道。

1 GSM-R及其硬切換技術適配高鐵環境

中國高鐵運營里程已超過35 000 km。GSM-R是高鐵列控系統的數據承載網絡，滿足了高鐵車地通信的要求。GSM-R采用硬切換，即“先斷開、后切換”。文獻[7]顯示存在小于500 ms的切換縫隙，數據要丟包、業務要中斷。文獻[8-11]研究顯示切換縫隙大于800 ms，GSM切換工程經驗值3 s[12]以上。但該切換縫隙并不影響高鐵的正常運行，原因在于：(1)列控系統有冗余機制，允許短時間中斷；(2)GSM站間距遠大于LTE站間距；(3)GSM-R抗頻移能力強，可抵抗1 300 Hz[13]頻移，高鐵環境下最大頻移584 Hz左右，所以車地信道呈現慢衰落特性，不易發生快衰落，乒乓切換也不易發生；(4)GSM-R相鄰蜂窩采用不同頻點，沒有同頻干擾，乒乓切換不易發生，GSM-R越區切換成功率>99.5%[14]。這些因素共同保證了基于硬切換的GSM-R的成功運營。

2 LTE及其硬切換技術無法適配高鐵環境

LTE采用硬切換[15]，切換過程包含測量、上報、判決和執行，“執行”過程完成后進行“切換完成”過程，用于IP地址更新。與GSM-R硬切換相同，LTE亦存在切換縫隙，切換期間數據要丟包、業務要中斷。運營商LTE已成功商用10年，專網LTE-M已成功應用于地鐵信號系統，1.8 GHz LTE-R也成功應用于朔黃運煤專線，這說明LTE及其硬切換可以適應上述環境。然而目前為止，還沒有LTE-R高鐵成功商用案例，顯然，高速環境對LTE通信性能造成了重大影響。

LTE最大允許頻移450～900 Hz[13]，350 km/h高鐵環境下，450 MHz頻段最大頻移292 Hz，1.8 GHz頻段最大頻移1 166 Hz，2.6 GHz頻段最大頻移1 686 Hz。只有450 MHz頻段的頻移低于容限，表現為慢衰落特性，其他高頻段頻移均大于容限，表現為快衰落特性。LTE在1 ms子幀內就會發生快衰落[16]，50 ms硬切換期間，會發生幾十次20～40 dB幅度的快衰落[12]，乒乓切換難于抑制或避免。LTE采用同頻組網，切換區內電平差很小，為抑制乒乓切換，只能增大切換遲滯時間(缺省為320 ms)，副作用是人為地延長了硬切換周期，整體切換時間遠遠大于50 ms。中國移動LTE高鐵專網漫游切換區長達300 m以上，區域內帶寬低，丟包率高。通常采用12小區合并為1個超級小區技術減少漫游切換次數，但并沒有解決硬切換問題，沒辦法抑制快衰落。LTE硬切換技術是完善和成熟的，但無法適配高鐵環境，這是LTE硬切換的技術局限或弱點。

3 高鐵環境需要軟切換及相關技術來適配

(1) 高鐵車地通信需要寬載波技術。高鐵車地屬于典型的多普勒環境。多普勒效應[17]包括：頻移后的接收信號頻率與本振頻率存在偏差，造成信號解調性能嚴重下降；車地信道變為快時變衰落信道，信道相干時間變小，但接收端的信道估計計算速度無法匹配信道衰落速度，造成符號檢測性能嚴重下降，誤比特率變大。多普勒頻移與頻率和車速成正比，頻段較低，頻移較小。但是低頻段的頻率資源極度緊張，不易申請和獲取。頻移主要與車速和頻率等外在因素相關，歸一化多普勒頻移不僅與外在因素相關，還與內在的空口技術緊密相關，比如子載波寬度。LTE采用15 kHz子載波，載波較窄，需要嚴格的時間同步和頻率同步，抗頻移能力弱。GSM-R采用200 kHz載波，載波較寬，抗頻移能力強。盡管OFDM的共同缺陷是抗頻移能力弱，但寬載波OFDM的抗頻移能力相對較強，所以高鐵車地寬帶通信應基于寬載波OFDM空中接口。

(2) 高鐵車地通信需要實時的信道估計算法。信道估計既要準確，又要計算迅捷，這本身是矛盾的。車地信道相干時間小于1 ms，完成信道估計不能大于1 ms，否則不可能表現出最佳性能。

(3) 高鐵車地通信要盡量避免同頻組網。高鐵鏈狀拓撲同頻干擾影響鄰區，也跨鄰區干擾，甚至通過大氣波導干擾。

(4) 高鐵車地通信需要軟切換。LTE 50 ms硬切換縫隙內會發生多次快衰落，無法抑制兵乓切換，鏈路層硬切換完成后還需要進行業務層的IP恢復，同頻組網需要加大切換遲滯時間，實際上又延長了切換周期，降低了通信性能。高鐵車地通信需要軟切換，消除切換縫隙，降低快衰落引起的乒乓切換發生的概率，再結合寬載波技術后，可抑制快衰落，消除乒乓切換。

高鐵環境給移動通信提出了真正的挑戰，主要原因是移動通信在制定規范和標準時，并沒有專門考慮高鐵高速場景。3GPP關于LTE的移動性定義：最佳性能速度為0～15 km/h，較好性能速度為15～120 km/h，120～350 km/h速度時保持連接而不掉線。高鐵速度下無法展現最佳性能是符合3GPP標準的。所以需要另外尋找LTE以外的技術方案解決高鐵車地寬帶通信問題。

4 高鐵移動切換技術的發展

移動切換技術是高鐵車地通信的一個重要技術瓶頸。移動通信技術從1G發展到5G，只有CDMA采用了軟切換，其他均采用了硬切換。但是CDMA無法解決帶寬通信的問題，所以只能立足于4G和5G所采用的硬切換技術來研究和探討高鐵移動切換技術的發展方向，客觀分析4G和5G硬切換特點，定位其無法適配高鐵的弱點，從而探尋出新的正確方向和合適的技術策略來解決問題。

4G和5G應對高鐵切換問題的辦法是合并小區，目前支持最大12個小區的合并，如果能夠支持上千個小區的合并，就可以組建覆蓋整條高鐵線路的超級邏輯小區，也就無需漫游切換，這就是云無線接入網(Cloud-Radio Access Network, C-RAN)，但在高鐵線路上是不可能的。中國信息通信研究IMT-2020(5G)推進組發布了5G承載需求白皮書[18]，前傳接口需滿足3個技術指標：(1)帶寬需求，4G的CPRI接口帶寬>n×2.5 Gbps，5G的eCPRI接口帶寬>n×25 Gbps；(2)前傳時延指標要求<100 μs，光纖長度一般不能超過10 km；(3)4G和5G的前傳時間同步要求<3 μs。顯然C-RAN架構對傳輸要求極高，只適合小范圍內組網要求，不適合高鐵線路組網需求。因此，大于12個小區的超級小區合并技術面臨承載技術無法支持的限制。4G和5G硬切換流程，邏輯嚴密，技術完善，只存在優化空間，不存在顯著提升空間?？傊?，4G和5G硬切換解決高鐵切換問題并沒有顯著的發展和提升空間。

4G和5G在高鐵環境下基本上采用了集中化的切換管理思想，包括水平方向的集中化和垂直方向的集中化。超級小區合并技術極力擴大單小區地理覆蓋范圍，減少切換次數，屬于水平方向的切換集中化管理?；竞秃诵木W的移動性管理實體主導著鏈路切換過程，核心網網關實體主導著業務切換過程。切換過程包括鏈路切換和業務切換，先鏈路后業務，缺一不可，這屬于垂直方向的切換集中化或一體化管理。這是4G和5G切換技術的典型特點，但切換太慢，無法適配高鐵的高速度，無法取得與低速度環境下一樣或接近的車地通信性能。提升切換速度尤為關鍵，而集中化的切換管理，意味著低效，意味著切換時間長。因此應該反其道而為之，采用非集中化的切換管理，才可能實現快速切換。在水平方向實施分布式切換，放棄小區合并技術，使切換限制于一個基本小區，即僅與高鐵車體發生關聯的地面小區及其相鄰小區有關，與其他小區無關，與車內網絡無關，與地面網絡無關，目的是極小化切換涉及的網元數量，為極簡的高效切換創造條件。在垂直方向進行功能分離或解耦：一是使鏈路切換過程由移動路由器發起和主導，代替4G和5G網絡主導的切換，目的是放棄4G和5G標準的復雜的冗長切換流程，新建極簡切換流程，實現快速切換；二是通過標準的承載技術對一體化的鏈路切換過程和業務切換過程進行功能分離或解耦，使高鐵切換過程限制在物理層和鏈路層切換層面，不需要涉及上層網絡，目的也是構建極簡切換流程，實現快速切換；三是把鏈路切換問題轉化為路由保護問題，鏈路切換一般只能構建硬切換環境，但利用快速路由保護技術可實現軟切換，目的是消除切換縫隙，抑制乒乓切換，解決硬切換無法解決的問題；四是利用雙層承載技術，實現業務層與高鐵漫游切換過程無關，取消業務切換過程，目的是實現業務無損、無感的切換。基于上述思想實現高鐵漫游切換，只能借助于MPLS及其系列技術。MPLS是與物理層技術無關的承載技術，可與光纖技術融合，也可與無線技術融合，當然也可與抗頻移能力強的無線技術融合。所以移動MPLS系統既解決了軟切換問題，又同時提高了抗頻移能力，適配高鐵環境，這是LTE自身無法解決的問題。

5 基于MPLS的高鐵移動軟切換技術

5.1 MPLS技術

MPLS已廣泛應用于承載網絡，中國電信CN2采用MPLS承載綜合業務[19-20]。FRR可以對節點和鏈路進行快速地保護切換[21-24]，CN2核心節點間采用FRR實現了50 ms保護切換。FRR觸發的前提是主用路由斷開，然后切換到預先配置好的備用路由，“先斷開、后切換”，與LTE硬切換基本類似。MPLS源于有線網絡，鏈路穩定可靠，為避免鏈路中斷或節點中斷而設計了FRR，可滿足運營需求，根本不需要“先接通、后斷開”式的軟切換。因此，需要對MPLS進行移動化改造并且拓展其他功能，才有可能實現車地通信軟切換。

5.2 MPLS移動化改造的技術挑戰

有線網絡環境，FRR通過雙向轉發檢測(Bidirectional Forwarding Detection，BFD)技術檢測UDP報文來判斷鏈路的通斷，有線鏈路穩定，只有鏈路斷開或節點故障的情況下才觸發啟動FRR。無線網絡具有時變特性，始終變化，高鐵車地鏈路更是瞬息萬變。BFD可識別報文但不能識別和處理物理層信號變化，不能及時精準地跟蹤、測量無線信道的劣化，在劣化的早期階段，帶寬下降，但丟包率并沒有明顯的劣化。所以BFD和FRR只能用于有線網絡的被動切換保護，不能用于可管、可控的主動的漫游切換或移動性切換。高鐵環境需要利用移動通信技術取代BFD功能改進MPLS路由器，助力FRR由被動切換變為主動切換。

高鐵車地網絡是一個龐大的MESH網絡。移動路由器從一個地面路由器漫游到下一個地面路由器時，整個MESH拓撲將發生改變，所有MPLS路由器的路由表必須進行更新。然而地面網絡規模龐大，路由表也龐大，實際更新時間是漫長的，是不可能實現快速漫游切換的。高鐵環境要求涉及漫游切換的路由器的路由表最小化。

MPLS技術支持數據包的快速路由，但并不支持移動性應用[25]。高鐵車地信道為快速時變衰落信道，50 ms FRR時間內可能會發生多次快衰落，因而無法抑制或避免乒乓切換。高鐵環境需要毫秒級的快速切換。

總之，把標準MPLS及FRR技術移植和拓展應用到高鐵車地環境，需解決以下問題：(1)實現由被動切換升級到主動切換，消除切換縫隙；(2)MPLS路由器無線側路由表最小化，使路由更新時間最小化；(3)消除業務恢復時間。總之，目的是把業務感知的整體切換縫隙降低到最小，可以抑制乒乓切換。

5.3 網絡重構創建車地通信硬切換環境

高鐵車地通信網絡，根據功能不同分為3個子網：地面固定網絡-100、車內固定網絡-200、車地網絡-300。采用網關進行隔離，所有跨越不同子網的流量均通過網關轉發，實現子網獨立，互不影響。地面路由器A和B分別為主、備固定網關，用于隔離地面固定網絡-100和車地網絡-300。移動路由器M尾和M頭分別為主、備移動網關，用于隔離車地網絡-300和車內網絡-200。網絡隔離完成后，互不影響、互不牽制。高鐵行駛時唯一變化的是車地網絡-300，而其他2個子網不受影響。這時高鐵的漫游問題就轉化為車地網絡-300的主備鏈路保護問題，由FRR完成，“先斷開、后連接”，屬于硬切換，見圖1。網關路由器無線側的路由表實現最小化，只有一條路由，尚不能滿足高鐵軟切換要求，還需進一步改進。

5.4 MPLS移動化改造創建車地通信軟切換環境

BFD技術，一個標準化的與介質和上層協議無關的快速故障檢測機制，通過UDP報文檢測鏈路的通斷，提供毫秒級檢測。UDP報文未收到就觸發FRR切換到備用鏈路，典型切換時間小于50 ms，屬于硬切換，也可稱為被動式的切換。UDP報文收不到，沒有辦法只能被動地切換到預先設置的備份鏈路。顯然基于BFD檢測的FRR無法滿足高鐵需求，高鐵需要主動式的鏈路切換以消除50 ms切換縫隙。

光纖鏈路穩定可靠，當光纖中斷時，BFD感知中斷，觸發FRR，保護承載的數據。車地為快速時變衰落無線信道，瞬息萬變。但是，高鐵為鏈狀拓撲，是標準蜂窩網絡的一種特殊拓撲，無線信道的衰落是有規律的，是可以預測的，車地鏈路既有缺點也有優點。移動通信技術可以及時、精準地跟蹤、測量無線信道參數。在信道劣化的早期階段，帶寬開始下降，但丟包率并沒有明顯的劣化，依然可利用。根據測量結果，可以主動地接入到備用鏈路，主動地實現MPLS數據包的疏導，代替BFD被動切換模式。這樣利用移動通信技術就實現了FRR技術的改進，把移動通信物理層信號測量技術與FRR技術結合起來。設置物理層無線參數的切換閾值，網關路由器無線接口，設置主動的周期性鏈路測量功能，滿足閾值條件后，既有鏈路保持不變，繼續通信。同時啟動備用無線鏈路測量，符合判決標準后，先建立新連接，MPLS數據包將開始通過新鏈路、新路由疏導，然后再斷開原有鏈路，實際上斷開之前原來的無線鏈路上已經沒有MPLS數據包需要傳送了，所以MPLS數據包在切換過程中并不會丟失，實現業務的無損切換。“先連接、后斷開”，實現軟切換。

MPLS路由器，不同WAN口連接不同網線或光纖，物理介質天然隔離，互不影響。但移動MPLS路由器，不同無線WAN口均依賴同一個自由空間，無法天然隔離，只能采用頻率隔離，采用不同的頻段或不同的無線信道進行隔離。雙無線MPLS路由器，存在著單點故障的隱患，而采用2臺獨立的單無線MPLS路由器則可以避免單點故障的隱患。在高鐵車地通信系統中，鑒于車頭和車尾要分別安裝獨立的路由器(M頭、M尾)，2臺互連的路由器可以共同形成獨立的車地主備雙路由，車頭路由和車尾路由進行主動的冗余保護。見圖2。

5.5 基于MPLS的車地通信軟切換流程

主備路由切換過程引用了移動通信的標準切換流程，包括切換測量、切換判決和切換執行3個階段。

切換測量階段：

(1) 檢索當前移動網關M尾和固定網關A之間的無線鏈路質量，低于標準或閾值，進入下一步。

(2) 掃描備用路由M頭和備用固定網關B之間的無線鏈路質量，完成后進入下一步。

切換判決階段：

(3) 判斷備用路由鏈路質量，若優于既有路由，啟動切換流程，通知M頭將作為移動網關。

切換執行階段(先接通、后斷開)：

(4) M頭將向路由器B發出切換請求消息REQ。

(5) 路由器B響應請求，發送響應消息RES到M頭，同時發送NOTIFY消息到路由器A。

(6) M頭收到RES消息后，向M尾發送NOTIFY消息(“先接通”完成)。

(7) 斷開M尾和固定網關A之間的無線鏈路(“后斷開”完成)。

“切換執行”過程的信息交互過程見圖3。

切換涉及的移動路由器M尾需在收到“NOTIFY”消息后進行MPLS路由表更新，與之唯一關聯的路由器是移動路由器M頭，即只需更新一條路由信息。切換涉及的路由器A的無線側在收到“NOTIFY”消息后要進行MPLS路由表更新，與之唯一關聯的路由器是路由器B，即只需更新一條路由信息?？傊?，MPLS路由表更新前后，MPLS數據包均可以正常從主用或備用路由轉發，影響數據包轉發的時間是原主用固定網關無線側MPLS路由表更新時間和原主用移動網關MPLS路由表的更新時間。

利用MPLS移動化改造實現“先接通、后斷開”軟切換，保證數據不丟包、業務不中斷；整個切換過程不涉及地面網絡，不涉及其他車地移動網絡，僅限于車地移動網絡-300的主備無線鏈路之間；固定網關和移動網關之間的握手協議只有一次交互，極其簡單，主備固定網關只有一條消息，主備移動網關之間也只有一條消息，所以網絡重構后的車地無線網絡的漫游切換時間在毫秒級以下并不困難，遠小于LTE的50 ms硬切換和FRR的50 ms路由保護切換。毫秒級漫游切換在軌道交通應用時可以實現，在運營商蜂窩網絡無法實現，這是基于對軌道交通車地通信獨特特性及天然優勢的充分認識和正確理解，也是源于對移動通信、MPLS、FRR以及網絡重構等技術的正確利用?？傊?，交叉利用和融合不同技術，實現軟切換，達到了縮小切換縫隙的目的。

5.6 MPLS標簽堆棧實現業務承載和漫游切換之間的解耦

MPLS實際上就是為不同的IP局域網之間搭建面向連接的邏輯隧道，所有承載的語音、數據、視頻和廣播等IP業務，進入MPLS隧道后將攜帶不同的MPLS標簽，MPLS路由器僅根據標簽進行快速地路由轉發，可達到L2層交換機的轉發速度，并且還可以快速地進行鏈路或節點冗余保護。MPLS支持運營級服務質量(QoS)[26]，根據不同業務類型映射到不同的EXP(3bit位，支持8種QoS定義)，端到端QoS。從綜合業務的角度看，MPLS是最佳承載技術。

標簽堆棧技術，主要用來解決MPLS多層網絡的問題。在高鐵車地通信系統中，使用雙層標簽進行堆棧，內層標簽用于封裝不同的IP承載業務，構建從車載路由器到控制中心核心路由器之間的內層MPLS網絡，承載業務；外層標簽用于二次封裝MPLS數據包，構建從車載路由器到地面軌旁路由器之間的外層MPLS網絡。通過雙層堆棧技術實現業務承載和漫游切換之間的解耦，見圖4。

5.7 內層標簽消除漫游切換后的IP業務恢復過程

LTE的硬切換，在“切換執行”過程完成后，還有“切換完成[15]”過程，用于IP的業務恢復。在“切換完成”過程中，無線鏈路的切換已完成，但是業務的切換還沒有完成，此時業務并不通。LTE通常講的50 ms切換時間是指鏈路的切換時間，并不是包含業務層面在內的整體切換時間，業務恢復另外需要時間，整體切換時間大于50 ms，中國移動4G高鐵專網的整體切換時間遠遠大于50 ms。

MPLS封裝IP數據包為攜帶標簽的MPLS數據包，IP數據包進入車載移動路由器-M或從反向進入中心核心路由器-O后，被封裝為帶有標簽的MPLS數據包。經過車地網絡完成漫游切換后，相關MPLS路由器的路由表需要更新，IP數據包的IP地址不需要更新。通過MPLS內層標簽的封裝，實際上構建了端到端的MPLS隧道，實現漫游切換與IP業務無關，與IP地址無關，業務對漫游切換與否沒有任何感知。通過上述辦法做到了無線MPLS鏈路完成切換的瞬間，業務切換也同步完成，徹底消滅了“切換完成”過程，整體切換時間就等于鏈路切換時間。

5.8 外層標簽使漫游切換后的MPLS路由表更新在毫秒內完成

采用MPLS雙層標簽堆棧技術，內層標簽負責封裝承載的各種IP業務，為IP業務構建端到端內層MPLS隧道；外層標簽負責二次封裝通過車地網絡的MPLS數據包，為內層MPLS隧道在通過車地之間時構建外層MPLS隧道。例如，列控CTCS系統和乘客信息系統(Passenger Information System, PIS)，PIS車載設備通往PIS服務器的IP數據包，在進入移動路由器M尾后，路由器根據數據包的IP地址，首先建立一條通往MPLS核心路由器O的隧道(LSP內)，IP數據包被封裝為MPLS數據包，攜帶標簽Label內層；其次建立通往固定網關路由器A的隧道，MPLS數據包的外部繼續封裝標簽Label外層，這樣在車地之間就完成了雙層隧道的構建。同樣道理，反向數據包，即從PIS服務器通往PIS車載設備的IP數據包，在地車之間也構建雙層隧道。外層車地MPLS網絡，通過上文提到的“先接通、后斷開”軟切換方式，消除主備車地隧道的切換縫隙，業務切換也同步完成。但是切換完成后，車地網絡包含的備用固定網關和備用移動網關的無線側路由表需分別進行更新，主用網關將發送一條消息NOTIFY到備用網關，根據NOTIFY更新路由表，該路由表只有1條路由，路由更新毫秒時間內完成見圖5。

6 MPLS軟切換高鐵車地寬帶通信系統

高鐵車地網絡與運營商移動網絡存在差異性，通過網絡重構手段簡化網絡，為應用MPLS創造條件。利用移動通信技術改進MPLS和FRR，使之支持移動化，構建“先接通、后斷開”軟切換環境；利用雙層標簽堆棧技術實現功能分離或解耦，使IP業務對切換無感知、IP業務不中斷，切換完成后IP業務不需要恢復、IP地址不需要更新。綜合利用上述技術實現毫秒級漫游軟切換，可基本消除切換縫隙，實現穩定可靠的車地寬帶通信。

選擇OFDM寬子載波技術，比如200 kHz、300 kHz，甚至更寬的單載波技術，協調好多普勒頻移和多徑時延的關系，可大幅降低高鐵車地信道衰落速度，可為高鐵拓展更多可用頻段資源，抑制多普勒影響，實現車地寬帶通信。

“先接通、后斷開”模式允許異頻組網，并不影響快速切換效果，避免了同頻組網自干擾，大幅縮小切換區域，減少鄰區干擾，提高邊界帶寬，抑制乒乓切換的影響，實現車地寬帶通信。

既有的移動通信信道估計算法，突出問題是計算速度太慢，無法同步車地信道的時變性，利用人工智能和機器學習技術可顯著提高信道估計的實時性和準確性，大幅提高帶寬能力，實現高鐵車地寬帶通信。

在列車速度350 m/h環境下，構建穩定可靠的車地寬帶大通道，必須要解決與高速直接相關的幾大問題，即快速漫游切換、容忍多普勒頻移、實時信道估計以及同頻干擾。制定LTE標準時并沒有把高速移動場景作為典型場景，所以無法兼顧多徑和高速場景，上述幾大問題沒有根本的解決辦法。其實這不是LTE本身的問題，只是LTE技術的局限性。LTE的先進性、標準化和產業化的成功不容置疑。在推廣使用LTE時一般認為LTE是萬能的，容易忽視LTE與高鐵環境的不匹配性，在高鐵環境使用LTE是“揚短避長”。中國鐵路一直希望LTE-R可以升級替代GSM-R網絡，然而LTE-R在列車速度350 km/h環境下，帶寬低，丟包率高。其實并不需要顛覆性技術，只要立足高鐵環境，以問題為本，選擇合適的先進、成熟技術，進行組合創新和應用創新，可構建基于移動MPLS軟切換的高鐵車地寬帶通信系統。

7 MPLS軟切換高鐵車地寬帶通信系統驗證

MPLS軟切換技術于2017年首先在圣彼得堡地鐵試驗成功，目前6條線路合計里程380 km，已經全部實現運營。2019年莫斯科14條地鐵，合計里程480 km，線路開始全部采用MPLS軟切換技術來實現對既有車地無線系統的升級換代。車地最低帶寬250 Mbps以上，相對于LTE車地帶寬提高10倍。不僅滿足了地鐵的綜合業務需求，還滿足了移動運營商地鐵車廂內安裝4G小基站所需的車地移動傳輸需求，構建了“移動光纖”品質的MPLS承載網絡。

基于MPLS軟切換的車地寬帶通信系統成功完成高鐵試驗。試驗在意大利米蘭—都靈之間70 km的線路上進行，高鐵機車型號為ETR500，運行速度300 km/h，設備安裝在沿線GSM-R鐵塔之上，不需要進入高鐵線路進行施工，不會影響高鐵的正常運營，與我國高鐵線路和GSM-R等既有資源完全匹配。高鐵試驗效果與地鐵保持一致，在列車速度300 km/h下，漫游切換數據不丟包、業務不中斷，與LTE網絡相比在車地帶寬、綜合業務的管理和疏導、用戶體驗等方面都有根本性的提高。試驗證明，移動MPLS軟切換及其關聯技術可以有效地解決高鐵車地寬帶通信問題。

8 結束語

高鐵環境給LTE提出了真正技術挑戰，包括頻移、硬切換、實時信道估計以及同頻干擾等，在普通網絡環境下不是問題，但在高鐵環境下問題很突出、矛盾很尖銳，因而可稱為高鐵專門問題。MPLS經過移動化改造，可構建“先接通、后斷開”軟切換模式，可消除切換縫隙，可實現業務無損切換。結合寬載波無線技術和異頻組網方式，借力于人工智能和機器學習技術實現實時地信道估計，就可以構建車地寬帶大通道和值得信賴的MPLS車地承載網絡，可有效地疏導和管理高鐵車地綜合多業務，還可與450 MHz LTE-R異構組網，在技術、頻率、帶寬、投資經濟性等多方面互為補充和備份，為保障高鐵的正常運行以及智能高鐵建設提供新的技術選擇。