高速鐵路車地寬帶通信軟切換技術(shù)研究

丁 元 鋒

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081)

2018年高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱高鐵)智能關(guān)鍵技術(shù)綜合試驗(yàn)[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(jìn)一步驗(yàn)證。450 MHz頻段適合低帶寬業(yè)務(wù)，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(huán)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(tǒng)傳輸要求。LTE小區(qū)合并、頻移補(bǔ)償?shù)雀倪M(jìn)技術(shù)，有提高但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最佳性能，LTE已商用10年多，問題仍然難于解決。

高鐵環(huán)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(qiáng)的寬載波技術(shù)。無法改變LTE硬切換，可以探尋實(shí)現(xiàn)軟切換的其他技術(shù)方向。研究發(fā)現(xiàn)，多協(xié)議標(biāo)記交換(Multiprotocol Label Switching, MPLS)及其快速重路由(Fast Reroute，F(xiàn)RR)[6]技術(shù)，與抗多普勒頻移的無線空口技術(shù)結(jié)合而成的移動(dòng)MPLS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無縫軟切換，可抑制或基本消除快衰落，可實(shí)現(xiàn)高鐵車地寬帶大通道。

1 GSM-R及其硬切換技術(shù)適配高鐵環(huán)境

中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已超過35 000 km。GSM-R是高鐵列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，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(xiàn)[7]顯示存在小于500 ms的切換縫隙，數(shù)據(jù)要丟包、業(yè)務(wù)要中斷。文獻(xiàn)[8-11]研究顯示切換縫隙大于800 ms，GSM切換工程經(jīng)驗(yàn)值3 s[12]以上。但該切換縫隙并不影響高鐵的正常運(yùn)行，原因在于：(1)列控系統(tǒng)有冗余機(jī)制，允許短時(shí)間中斷；(2)GSM站間距遠(yuǎn)大于LTE站間距；(3)GSM-R抗頻移能力強(qiáng)，可抵抗1 300 Hz[13]頻移，高鐵環(huán)境下最大頻移584 Hz左右，所以車地信道呈現(xiàn)慢衰落特性，不易發(fā)生快衰落，乒乓切換也不易發(fā)生；(4)GSM-R相鄰蜂窩采用不同頻點(diǎn)，沒有同頻干擾，乒乓切換不易發(fā)生，GSM-R越區(qū)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(yùn)營(yíng)。

2 LTE及其硬切換技術(shù)無法適配高鐵環(huán)境

LTE采用硬切換[15]，切換過程包含測(cè)量、上報(bào)、判決和執(zhí)行，“執(zhí)行”過程完成后進(jìn)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(shù)據(jù)要丟包、業(yè)務(wù)要中斷。運(yùn)營(yíng)商LTE已成功商用10年，專網(wǎng)LTE-M已成功應(yīng)用于地鐵信號(hào)系統(tǒng)，1.8 GHz LTE-R也成功應(yīng)用于朔黃運(yùn)煤專線，這說明LTE及其硬切換可以適應(yīng)上述環(huán)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(huán)境對(duì)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(huán)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(xiàn)為慢衰落特性，其他高頻段頻移均大于容限，表現(xiàn)為快衰落特性。LTE在1 ms子幀內(nèi)就會(huì)發(fā)生快衰落[16]，50 ms硬切換期間，會(huì)發(fā)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(wǎng)，切換區(qū)內(nèi)電平差很小，為抑制乒乓切換，只能增大切換遲滯時(shí)間(缺省為320 ms)，副作用是人為地延長(zhǎng)了硬切換周期，整體切換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 ms。中國(guó)移動(dòng)LTE高鐵專網(wǎng)漫游切換區(qū)長(zhǎng)達(dá)300 m以上，區(qū)域內(nèi)帶寬低，丟包率高。通常采用12小區(qū)合并為1個(gè)超級(jí)小區(qū)技術(shù)減少漫游切換次數(shù)，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(shù)是完善和成熟的，但無法適配高鐵環(huán)境，這是LTE硬切換的技術(shù)局限或弱點(diǎn)。

3 高鐵環(huán)境需要軟切換及相關(guān)技術(shù)來適配

(1) 高鐵車地通信需要寬載波技術(shù)。高鐵車地屬于典型的多普勒環(huán)境。多普勒效應(yīng)[17]包括：頻移后的接收信號(hào)頻率與本振頻率存在偏差，造成信號(hào)解調(diào)性能嚴(yán)重下降；車地信道變?yōu)榭鞎r(shí)變衰落信道，信道相干時(shí)間變小，但接收端的信道估計(jì)計(jì)算速度無法匹配信道衰落速度，造成符號(hào)檢測(cè)性能嚴(yán)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(qǐng)和獲取。頻移主要與車速和頻率等外在因素相關(guān)，歸一化多普勒頻移不僅與外在因素相關(guān)，還與內(nèi)在的空口技術(shù)緊密相關(guān)，比如子載波寬度。LTE采用15 kHz子載波，載波較窄，需要嚴(yán)格的時(shí)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(qiáng)。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(duì)較強(qiáng)，所以高鐵車地寬帶通信應(yīng)基于寬載波OFDM空中接口。

(2) 高鐵車地通信需要實(shí)時(shí)的信道估計(jì)算法。信道估計(jì)既要準(zhǔn)確，又要計(jì)算迅捷，這本身是矛盾的。車地信道相干時(shí)間小于1 ms，完成信道估計(jì)不能大于1 ms，否則不可能表現(xiàn)出最佳性能。

(3) 高鐵車地通信要盡量避免同頻組網(wǎng)。高鐵鏈狀拓?fù)渫l干擾影響鄰區(qū)，也跨鄰區(qū)干擾，甚至通過大氣波導(dǎo)干擾。

(4) 高鐵車地通信需要軟切換。LTE 50 ms硬切換縫隙內(nèi)會(huì)發(fā)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(jìn)行業(yè)務(wù)層的IP恢復(fù)，同頻組網(wǎng)需要加大切換遲滯時(shí)間，實(shí)際上又延長(zhǎng)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(fā)生的概率，再結(jié)合寬載波技術(shù)后，可抑制快衰落，消除乒乓切換。

高鐵環(huán)境給移動(dòng)通信提出了真正的挑戰(zhàn)，主要原因是移動(dòng)通信在制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，并沒有專門考慮高鐵高速場(chǎng)景。3GPP關(guān)于LTE的移動(dòng)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(shí)保持連接而不掉線。高鐵速度下無法展現(xiàn)最佳性能是符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的。所以需要另外尋找LTE以外的技術(shù)方案解決高鐵車地寬帶通信問題。

4 高鐵移動(dòng)切換技術(shù)的發(fā)展

移動(dòng)切換技術(shù)是高鐵車地通信的一個(gè)重要技術(shù)瓶頸。移動(dòng)通信技術(shù)從1G發(fā)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(shù)來研究和探討高鐵移動(dòng)切換技術(shù)的發(fā)展方向，客觀分析4G和5G硬切換特點(diǎn)，定位其無法適配高鐵的弱點(diǎn)，從而探尋出新的正確方向和合適的技術(shù)策略來解決問題。

4G和5G應(yīng)對(duì)高鐵切換問題的辦法是合并小區(qū)，目前支持最大12個(gè)小區(qū)的合并，如果能夠支持上千個(gè)小區(qū)的合并，就可以組建覆蓋整條高鐵線路的超級(jí)邏輯小區(qū)，也就無需漫游切換，這就是云無線接入網(wǎng)(Cloud-Radio Access Network, C-RAN)，但在高鐵線路上是不可能的。中國(guó)信息通信研究IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布了5G承載需求白皮書[18]，前傳接口需滿足3個(gè)技術(shù)指標(biāo)：(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(shí)延指標(biāo)要求<100 μs，光纖長(zhǎng)度一般不能超過10 km；(3)4G和5G的前傳時(shí)間同步要求<3 μs。顯然C-RAN架構(gòu)對(duì)傳輸要求極高，只適合小范圍內(nèi)組網(wǎng)要求，不適合高鐵線路組網(wǎng)需求。因此，大于12個(gè)小區(qū)的超級(jí)小區(qū)合并技術(shù)面臨承載技術(shù)無法支持的限制。4G和5G硬切換流程，邏輯嚴(yán)密，技術(shù)完善，只存在優(yōu)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(fā)展和提升空間。

4G和5G在高鐵環(huán)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(jí)小區(qū)合并技術(shù)極力擴(kuò)大單小區(qū)地理覆蓋范圍，減少切換次數(shù)，屬于水平方向的切換集中化管理。基站和核心網(wǎng)的移動(dòng)性管理實(shí)體主導(dǎo)著鏈路切換過程，核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)體主導(dǎo)著業(yè)務(wù)切換過程。切換過程包括鏈路切換和業(yè)務(wù)切換，先鏈路后業(yè)務(wù)，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(shù)的典型特點(diǎn)，但切換太慢，無法適配高鐵的高速度，無法取得與低速度環(huán)境下一樣或接近的車地通信性能。提升切換速度尤為關(guān)鍵，而集中化的切換管理，意味著低效，意味著切換時(shí)間長(zhǎng)。因此應(yīng)該反其道而為之，采用非集中化的切換管理，才可能實(shí)現(xiàn)快速切換。在水平方向?qū)嵤┓植际角袚Q，放棄小區(qū)合并技術(shù)，使切換限制于一個(gè)基本小區(qū)，即僅與高鐵車體發(fā)生關(guān)聯(lián)的地面小區(qū)及其相鄰小區(qū)有關(guān)，與其他小區(qū)無關(guān)，與車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，與地面網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，目的是極小化切換涉及的網(wǎng)元數(shù)量，為極簡(jiǎn)的高效切換創(chuàng)造條件。在垂直方向進(jìn)行功能分離或解耦：一是使鏈路切換過程由移動(dòng)路由器發(fā)起和主導(dǎo)，代替4G和5G網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)的切換，目的是放棄4G和5G標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜的冗長(zhǎng)切換流程，新建極簡(jiǎn)切換流程，實(shí)現(xiàn)快速切換；二是通過標(biāo)準(zhǔn)的承載技術(shù)對(duì)一體化的鏈路切換過程和業(yè)務(wù)切換過程進(jìn)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(wǎng)絡(luò)，目的也是構(gòu)建極簡(jiǎn)切換流程，實(shí)現(xiàn)快速切換；三是把鏈路切換問題轉(zhuǎn)化為路由保護(hù)問題，鏈路切換一般只能構(gòu)建硬切換環(huán)境，但利用快速路由保護(hù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層與高鐵漫游切換過程無關(guān)，取消業(yè)務(wù)切換過程，目的是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)無損、無感的切換?；谏鲜鏊枷雽?shí)現(xiàn)高鐵漫游切換，只能借助于MPLS及其系列技術(shù)。MPLS是與物理層技術(shù)無關(guān)的承載技術(shù)，可與光纖技術(shù)融合，也可與無線技術(shù)融合，當(dāng)然也可與抗頻移能力強(qiáng)的無線技術(shù)融合。所以移動(dòng)MPLS系統(tǒng)既解決了軟切換問題，又同時(shí)提高了抗頻移能力，適配高鐵環(huán)境，這是LTE自身無法解決的問題。

5 基于MPLS的高鐵移動(dòng)軟切換技術(shù)

5.1 MPLS技術(shù)

MPLS已廣泛應(yīng)用于承載網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)電信CN2采用MPLS承載綜合業(yè)務(wù)[19-20]。FRR可以對(duì)節(jié)點(diǎn)和鏈路進(jìn)行快速地保護(hù)切換[21-24]，CN2核心節(jié)點(diǎn)間采用FRR實(shí)現(xiàn)了50 ms保護(hù)切換。FRR觸發(fā)的前提是主用路由斷開，然后切換到預(yù)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(wǎng)絡(luò)，鏈路穩(wěn)定可靠，為避免鏈路中斷或節(jié)點(diǎn)中斷而設(shè)計(jì)了FRR，可滿足運(yùn)營(yíng)需求，根本不需要“先接通、后斷開”式的軟切換。因此，需要對(duì)MPLS進(jìn)行移動(dòng)化改造并且拓展其他功能，才有可能實(shí)現(xiàn)車地通信軟切換。

5.2 MPLS移動(dòng)化改造的技術(shù)挑戰(zhàn)

有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，F(xiàn)RR通過雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)(Bidirectional Forwarding Detection，BFD)技術(shù)檢測(cè)UDP報(bào)文來判斷鏈路的通斷，有線鏈路穩(wěn)定，只有鏈路斷開或節(jié)點(diǎn)故障的情況下才觸發(fā)啟動(dòng)FRR。無線網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)變特性，始終變化，高鐵車地鏈路更是瞬息萬變。BFD可識(shí)別報(bào)文但不能識(shí)別和處理物理層信號(hào)變化，不能及時(shí)精準(zhǔn)地跟蹤、測(cè)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(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)切換保護(hù)，不能用于可管、可控的主動(dòng)的漫游切換或移動(dòng)性切換。高鐵環(huán)境需要利用移動(dòng)通信技術(shù)取代BFD功能改進(jìn)MPLS路由器，助力FRR由被動(dòng)切換變?yōu)橹鲃?dòng)切換。

高鐵車地網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)龐大的MESH網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)路由器從一個(gè)地面路由器漫游到下一個(gè)地面路由器時(shí)，整個(gè)MESH拓?fù)鋵l(fā)生改變，所有MPLS路由器的路由表必須進(jìn)行更新。然而地面網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，路由表也龐大，實(shí)際更新時(shí)間是漫長(zhǎng)的，是不可能實(shí)現(xiàn)快速漫游切換的。高鐵環(huán)境要求涉及漫游切換的路由器的路由表最小化。

MPLS技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)包的快速路由，但并不支持移動(dòng)性應(yīng)用[25]。高鐵車地信道為快速時(shí)變衰落信道，50 ms FRR時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生多次快衰落，因而無法抑制或避免乒乓切換。高鐵環(huán)境需要毫秒級(jí)的快速切換。

總之，把標(biāo)準(zhǔn)MPLS及FRR技術(shù)移植和拓展應(yīng)用到高鐵車地環(huán)境，需解決以下問題：(1)實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)切換升級(jí)到主動(dòng)切換，消除切換縫隙；(2)MPLS路由器無線側(cè)路由表最小化，使路由更新時(shí)間最小化；(3)消除業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間。總之，目的是把業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)重構(gòu)創(chuàng)建車地通信硬切換環(huán)境

高鐵車地通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)功能不同分為3個(gè)子網(wǎng)：地面固定網(wǎng)絡(luò)-100、車內(nèi)固定網(wǎng)絡(luò)-200、車地網(wǎng)絡(luò)-300。采用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行隔離，所有跨越不同子網(wǎng)的流量均通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)獨(dú)立，互不影響。地面路由器A和B分別為主、備固定網(wǎng)關(guān)，用于隔離地面固定網(wǎng)絡(luò)-100和車地網(wǎng)絡(luò)-300。移動(dòng)路由器M尾和M頭分別為主、備移動(dòng)網(wǎng)關(guān)，用于隔離車地網(wǎng)絡(luò)-300和車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)-200。網(wǎng)絡(luò)隔離完成后，互不影響、互不牽制。高鐵行駛時(shí)唯一變化的是車地網(wǎng)絡(luò)-300，而其他2個(gè)子網(wǎng)不受影響。這時(shí)高鐵的漫游問題就轉(zhuǎn)化為車地網(wǎng)絡(luò)-300的主備鏈路保護(hù)問題，由FRR完成，“先斷開、后連接”，屬于硬切換，見圖1。網(wǎng)關(guān)路由器無線側(cè)的路由表實(shí)現(xiàn)最小化，只有一條路由，尚不能滿足高鐵軟切換要求，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

5.4 MPLS移動(dòng)化改造創(chuàng)建車地通信軟切換環(huán)境

BFD技術(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的與介質(zhì)和上層協(xié)議無關(guān)的快速故障檢測(cè)機(jī)制，通過UDP報(bào)文檢測(cè)鏈路的通斷，提供毫秒級(jí)檢測(cè)。UDP報(bào)文未收到就觸發(fā)FRR切換到備用鏈路，典型切換時(shí)間小于50 ms，屬于硬切換，也可稱為被動(dòng)式的切換。UDP報(bào)文收不到，沒有辦法只能被動(dòng)地切換到預(yù)先設(shè)置的備份鏈路。顯然基于BFD檢測(cè)的FRR無法滿足高鐵需求，高鐵需要主動(dòng)式的鏈路切換以消除50 ms切換縫隙。

光纖鏈路穩(wěn)定可靠，當(dāng)光纖中斷時(shí)，BFD感知中斷，觸發(fā)FRR，保護(hù)承載的數(shù)據(jù)。車地為快速時(shí)變衰落無線信道，瞬息萬變。但是，高鐵為鏈狀拓?fù)?，是?biāo)準(zhǔn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一種特殊拓?fù)?，無線信道的衰落是有規(guī)律的，是可以預(yù)測(cè)的，車地鏈路既有缺點(diǎn)也有優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)通信技術(shù)可以及時(shí)、精準(zhǔn)地跟蹤、測(cè)量無線信道參數(shù)。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(jù)測(cè)量結(jié)果，可以主動(dòng)地接入到備用鏈路，主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)MPLS數(shù)據(jù)包的疏導(dǎo)，代替BFD被動(dòng)切換模式。這樣利用移動(dòng)通信技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了FRR技術(shù)的改進(jìn)，把移動(dòng)通信物理層信號(hào)測(cè)量技術(shù)與FRR技術(shù)結(jié)合起來。設(shè)置物理層無線參數(shù)的切換閾值，網(wǎng)關(guān)路由器無線接口，設(shè)置主動(dòng)的周期性鏈路測(cè)量功能，滿足閾值條件后，既有鏈路保持不變，繼續(xù)通信。同時(shí)啟動(dòng)備用無線鏈路測(cè)量，符合判決標(biāo)準(zhǔn)后，先建立新連接，MPLS數(shù)據(jù)包將開始通過新鏈路、新路由疏導(dǎo)，然后再斷開原有鏈路，實(shí)際上斷開之前原來的無線鏈路上已經(jīng)沒有MPLS數(shù)據(jù)包需要傳送了，所以MPLS數(shù)據(jù)包在切換過程中并不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的無損切換?！跋冗B接、后斷開”，實(shí)現(xiàn)軟切換。

MPLS路由器，不同WAN口連接不同網(wǎng)線或光纖，物理介質(zhì)天然隔離，互不影響。但移動(dòng)MPLS路由器，不同無線WAN口均依賴同一個(gè)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(jìn)行隔離。雙無線MPLS路由器，存在著單點(diǎn)故障的隱患，而采用2臺(tái)獨(dú)立的單無線MPLS路由器則可以避免單點(diǎn)故障的隱患。在高鐵車地通信系統(tǒng)中，鑒于車頭和車尾要分別安裝獨(dú)立的路由器(M頭、M尾)，2臺(tái)互連的路由器可以共同形成獨(dú)立的車地主備雙路由，車頭路由和車尾路由進(jìn)行主動(dòng)的冗余保護(hù)。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(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)切換流程，包括切換測(cè)量、切換判決和切換執(zhí)行3個(gè)階段。

切換測(cè)量階段：

(1) 檢索當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)關(guān)M尾和固定網(wǎng)關(guān)A之間的無線鏈路質(zhì)量，低于標(biāo)準(zhǔn)或閾值，進(jìn)入下一步。

(2) 掃描備用路由M頭和備用固定網(wǎng)關(guān)B之間的無線鏈路質(zhì)量，完成后進(jìn)入下一步。

切換判決階段：

(3) 判斷備用路由鏈路質(zhì)量，若優(yōu)于既有路由，啟動(dòng)切換流程，通知M頭將作為移動(dòng)網(wǎng)關(guān)。

切換執(zhí)行階段(先接通、后斷開)：

(4) M頭將向路由器B發(fā)出切換請(qǐng)求消息REQ。

(5) 路由器B響應(yīng)請(qǐng)求，發(fā)送響應(yīng)消息RES到M頭，同時(shí)發(fā)送NOTIFY消息到路由器A。

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

(7) 斷開M尾和固定網(wǎng)關(guān)A之間的無線鏈路(“后斷開”完成)。

“切換執(zhí)行”過程的信息交互過程見圖3。

切換涉及的移動(dòng)路由器M尾需在收到“NOTIFY”消息后進(jìn)行MPLS路由表更新，與之唯一關(guān)聯(lián)的路由器是移動(dòng)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(cè)在收到“NOTIFY”消息后要進(jìn)行MPLS路由表更新，與之唯一關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)包均可以正常從主用或備用路由轉(zhuǎn)發(fā)，影響數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間是原主用固定網(wǎng)關(guān)無線側(cè)MPLS路由表更新時(shí)間和原主用移動(dòng)網(wǎng)關(guān)MPLS路由表的更新時(shí)間。

利用MPLS移動(dòng)化改造實(shí)現(xiàn)“先接通、后斷開”軟切換，保證數(shù)據(jù)不丟包、業(yè)務(wù)不中斷；整個(gè)切換過程不涉及地面網(wǎng)絡(luò)，不涉及其他車地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，僅限于車地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)-300的主備無線鏈路之間；固定網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)網(wǎng)關(guān)之間的握手協(xié)議只有一次交互，極其簡(jiǎn)單，主備固定網(wǎng)關(guān)只有一條消息，主備移動(dòng)網(wǎng)關(guān)之間也只有一條消息，所以網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的漫游切換時(shí)間在毫秒級(jí)以下并不困難，遠(yuǎn)小于LTE的50 ms硬切換和FRR的50 ms路由保護(hù)切換。毫秒級(jí)漫游切換在軌道交通應(yīng)用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)營(yíng)商蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)，這是基于對(duì)軌道交通車地通信獨(dú)特特性及天然優(yōu)勢(shì)的充分認(rèn)識(shí)和正確理解，也是源于對(duì)移動(dòng)通信、MPLS、FRR以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等技術(shù)的正確利用。總之，交叉利用和融合不同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟切換，達(dá)到了縮小切換縫隙的目的。

5.6 MPLS標(biāo)簽堆棧實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載和漫游切換之間的解耦

MPLS實(shí)際上就是為不同的IP局域網(wǎng)之間搭建面向連接的邏輯隧道，所有承載的語音、數(shù)據(jù)、視頻和廣播等IP業(yè)務(wù)，進(jìn)入MPLS隧道后將攜帶不同的MPLS標(biāo)簽，MPLS路由器僅根據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行快速地路由轉(zhuǎn)發(fā)，可達(dá)到L2層交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速度，并且還可以快速地進(jìn)行鏈路或節(jié)點(diǎn)冗余保護(hù)。MPLS支持運(yùn)營(yíng)級(jí)服務(wù)質(zhì)量(QoS)[26]，根據(jù)不同業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)的角度看，MPLS是最佳承載技術(shù)。

標(biāo)簽堆棧技術(shù)，主要用來解決MPLS多層網(wǎng)絡(luò)的問題。在高鐵車地通信系統(tǒng)中，使用雙層標(biāo)簽進(jìn)行堆棧，內(nèi)層標(biāo)簽用于封裝不同的IP承載業(yè)務(wù)，構(gòu)建從車載路由器到控制中心核心路由器之間的內(nèi)層MPLS網(wǎng)絡(luò)，承載業(yè)務(wù)；外層標(biāo)簽用于二次封裝MPLS數(shù)據(jù)包，構(gòu)建從車載路由器到地面軌旁路由器之間的外層MPLS網(wǎng)絡(luò)。通過雙層堆棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)承載和漫游切換之間的解耦，見圖4。

5.7 內(nèi)層標(biāo)簽消除漫游切換后的IP業(yè)務(wù)恢復(fù)過程

LTE的硬切換，在“切換執(zhí)行”過程完成后，還有“切換完成[15]”過程，用于IP的業(yè)務(wù)恢復(fù)。在“切換完成”過程中，無線鏈路的切換已完成，但是業(yè)務(wù)的切換還沒有完成，此時(shí)業(yè)務(wù)并不通。LTE通常講的50 ms切換時(shí)間是指鏈路的切換時(shí)間，并不是包含業(yè)務(wù)層面在內(nèi)的整體切換時(shí)間，業(yè)務(wù)恢復(fù)另外需要時(shí)間，整體切換時(shí)間大于50 ms，中國(guó)移動(dòng)4G高鐵專網(wǎng)的整體切換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 ms。

MPLS封裝IP數(shù)據(jù)包為攜帶標(biāo)簽的MPLS數(shù)據(jù)包，IP數(shù)據(jù)包進(jìn)入車載移動(dòng)路由器-M或從反向進(jìn)入中心核心路由器-O后，被封裝為帶有標(biāo)簽的MPLS數(shù)據(jù)包。經(jīng)過車地網(wǎng)絡(luò)完成漫游切換后，相關(guān)MPLS路由器的路由表需要更新，IP數(shù)據(jù)包的IP地址不需要更新。通過MPLS內(nèi)層標(biāo)簽的封裝，實(shí)際上構(gòu)建了端到端的MPLS隧道，實(shí)現(xiàn)漫游切換與IP業(yè)務(wù)無關(guān)，與IP地址無關(guān)，業(yè)務(wù)對(duì)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(yè)務(wù)切換也同步完成，徹底消滅了“切換完成”過程，整體切換時(shí)間就等于鏈路切換時(shí)間。

5.8 外層標(biāo)簽使漫游切換后的MPLS路由表更新在毫秒內(nèi)完成

采用MPLS雙層標(biāo)簽堆棧技術(shù)，內(nèi)層標(biāo)簽負(fù)責(zé)封裝承載的各種IP業(yè)務(wù)，為IP業(yè)務(wù)構(gòu)建端到端內(nèi)層MPLS隧道；外層標(biāo)簽負(fù)責(zé)二次封裝通過車地網(wǎng)絡(luò)的MPLS數(shù)據(jù)包，為內(nèi)層MPLS隧道在通過車地之間時(shí)構(gòu)建外層MPLS隧道。例如，列控CTCS系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System, PIS)，PIS車載設(shè)備通往PIS服務(wù)器的IP數(shù)據(jù)包，在進(jìn)入移動(dòng)路由器M尾后，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)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(nèi))，IP數(shù)據(jù)包被封裝為MPLS數(shù)據(jù)包，攜帶標(biāo)簽Label內(nèi)層；其次建立通往固定網(wǎng)關(guān)路由器A的隧道，MPLS數(shù)據(jù)包的外部繼續(xù)封裝標(biāo)簽Label外層，這樣在車地之間就完成了雙層隧道的構(gòu)建。同樣道理，反向數(shù)據(jù)包，即從PIS服務(wù)器通往PIS車載設(shè)備的IP數(shù)據(jù)包，在地車之間也構(gòu)建雙層隧道。外層車地MPLS網(wǎng)絡(luò)，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(yè)務(wù)切換也同步完成。但是切換完成后，車地網(wǎng)絡(luò)包含的備用固定網(wǎng)關(guān)和備用移動(dòng)網(wǎng)關(guān)的無線側(cè)路由表需分別進(jìn)行更新，主用網(wǎng)關(guān)將發(fā)送一條消息NOTIFY到備用網(wǎng)關(guān)，根據(jù)NOTIFY更新路由表，該路由表只有1條路由，路由更新毫秒時(shí)間內(nèi)完成見圖5。

6 MPLS軟切換高鐵車地寬帶通信系統(tǒng)

高鐵車地網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)存在差異性，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)手段簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用MPLS創(chuàng)造條件。利用移動(dòng)通信技術(shù)改進(jìn)MPLS和FRR，使之支持移動(dòng)化，構(gòu)建“先接通、后斷開”軟切換環(huán)境；利用雙層標(biāo)簽堆棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能分離或解耦，使IP業(yè)務(wù)對(duì)切換無感知、IP業(yè)務(wù)不中斷，切換完成后IP業(yè)務(wù)不需要恢復(fù)、IP地址不需要更新。綜合利用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)漫游軟切換，可基本消除切換縫隙，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的車地寬帶通信。

選擇OFDM寬子載波技術(shù)，比如200 kHz、300 kHz，甚至更寬的單載波技術(shù)，協(xié)調(diào)好多普勒頻移和多徑時(shí)延的關(guān)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(shí)現(xiàn)車地寬帶通信。

“先接通、后斷開”模式允許異頻組網(wǎng)，并不影響快速切換效果，避免了同頻組網(wǎng)自干擾，大幅縮小切換區(qū)域，減少鄰區(qū)干擾，提高邊界帶寬，抑制乒乓切換的影響，實(shí)現(xiàn)車地寬帶通信。

既有的移動(dòng)通信信道估計(jì)算法，突出問題是計(jì)算速度太慢，無法同步車地信道的時(shí)變性，利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可顯著提高信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，大幅提高帶寬能力，實(shí)現(xiàn)高鐵車地寬帶通信。

在列車速度350 m/h環(huán)境下，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的車地寬帶大通道，必須要解決與高速直接相關(guān)的幾大問題，即快速漫游切換、容忍多普勒頻移、實(shí)時(shí)信道估計(jì)以及同頻干擾。制定LTE標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并沒有把高速移動(dòng)場(chǎng)景作為典型場(chǎng)景，所以無法兼顧多徑和高速場(chǎng)景，上述幾大問題沒有根本的解決辦法。其實(shí)這不是LTE本身的問題，只是LTE技術(shù)的局限性。LTE的先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的成功不容置疑。在推廣使用LTE時(shí)一般認(rèn)為L(zhǎng)TE是萬能的，容易忽視LTE與高鐵環(huán)境的不匹配性，在高鐵環(huán)境使用LTE是“揚(yáng)短避長(zhǎng)”。中國(guó)鐵路一直希望LTE-R可以升級(jí)替代GSM-R網(wǎng)絡(luò)，然而LTE-R在列車速度350 km/h環(huán)境下，帶寬低，丟包率高。其實(shí)并不需要顛覆性技術(shù)，只要立足高鐵環(huán)境，以問題為本，選擇合適的先進(jìn)、成熟技術(shù)，進(jìn)行組合創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，可構(gòu)建基于移動(dòng)MPLS軟切換的高鐵車地寬帶通信系統(tǒng)。

7 MPLS軟切換高鐵車地寬帶通信系統(tǒng)驗(yàn)證

MPLS軟切換技術(shù)于2017年首先在圣彼得堡地鐵試驗(yàn)成功，目前6條線路合計(jì)里程380 km，已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)。2019年莫斯科14條地鐵，合計(jì)里程480 km，線路開始全部采用MPLS軟切換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)既有車地?zé)o線系統(tǒng)的升級(jí)換代。車地最低帶寬250 Mbps以上，相對(duì)于LTE車地帶寬提高10倍。不僅滿足了地鐵的綜合業(yè)務(wù)需求，還滿足了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商地鐵車廂內(nèi)安裝4G小基站所需的車地移動(dòng)傳輸需求，構(gòu)建了“移動(dòng)光纖”品質(zhì)的MPLS承載網(wǎng)絡(luò)。

基于MPLS軟切換的車地寬帶通信系統(tǒng)成功完成高鐵試驗(yàn)。試驗(yàn)在意大利米蘭—都靈之間70 km的線路上進(jìn)行，高鐵機(jī)車型號(hào)為ETR500，運(yùn)行速度300 km/h，設(shè)備安裝在沿線GSM-R鐵塔之上，不需要進(jìn)入高鐵線路進(jìn)行施工，不會(huì)影響高鐵的正常運(yùn)營(yíng)，與我國(guó)高鐵線路和GSM-R等既有資源完全匹配。高鐵試驗(yàn)效果與地鐵保持一致，在列車速度300 km/h下，漫游切換數(shù)據(jù)不丟包、業(yè)務(wù)不中斷，與LTE網(wǎng)絡(luò)相比在車地帶寬、綜合業(yè)務(wù)的管理和疏導(dǎo)、用戶體驗(yàn)等方面都有根本性的提高。試驗(yàn)證明，移動(dòng)MPLS軟切換及其關(guān)聯(lián)技術(shù)可以有效地解決高鐵車地寬帶通信問題。

8 結(jié)束語

高鐵環(huán)境給LTE提出了真正技術(shù)挑戰(zhàn)，包括頻移、硬切換、實(shí)時(shí)信道估計(jì)以及同頻干擾等，在普通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不是問題，但在高鐵環(huán)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(jīng)過移動(dòng)化改造，可構(gòu)建“先接通、后斷開”軟切換模式，可消除切換縫隙，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)無損切換。結(jié)合寬載波無線技術(shù)和異頻組網(wǎng)方式，借力于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地信道估計(jì)，就可以構(gòu)建車地寬帶大通道和值得信賴的MPLS車地承載網(wǎng)絡(luò)，可有效地疏導(dǎo)和管理高鐵車地綜合多業(yè)務(wù)，還可與450 MHz LTE-R異構(gòu)組網(wǎng)，在技術(shù)、頻率、帶寬、投資經(jīng)濟(jì)性等多方面互為補(bǔ)充和備份，為保障高鐵的正常運(yùn)行以及智能高鐵建設(shè)提供新的技術(shù)選擇。