什么是 GSM-R 硬切换？
硬切换 是 GSM-R 网络中一种最基本、最核心的切换方式，其核心特点是 “先断开，后连接”。
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当一个移动台（通常是列车上的车载台）需要从当前服务的基站切换到另一个基站时，它必须先中断与当前基站的无线连接，然后再与目标基站建立新的无线连接，这个过程非常短暂,但连接确实会发生瞬间的中断。
这个过程可以通俗地想象成打电话时，你先对当前通话的人说“等一下，我换个信号更好的地方”，然后挂断当前电话，再拨打新的号码，虽然实际操作是自动的,但底层逻辑是类似的。
硬切换的核心流程（以BSC内切换为例）
硬切换的整个流程由网络中的多个实体协同完成，主要包括 移动台、基站 和 基站控制器,下面是简化的步骤：
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测量与报告
（图片来源网络，侵删）- 触发条件：列车在高速移动，当前服务基站的信号强度逐渐减弱,或者邻区的信号强度变得更好。
- 移动台操作：车载台持续监听当前服务基站的信号强度（如 RxLev），并按照 BSC 的配置,对预先配置的邻区进行测量。
- 报告：当测量结果满足 BSC 设定的触发门限 时，车载台会通过 SACCH（慢速随路控制信道） 将测量报告发送给当前服务基站，报告中包含了所有邻区的信号质量、信号强度等信息。
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切换判决
- BSC 操作：BSC 收到来自 MS 的测量报告后，会运行切换算法。
- 算法决策：算法会综合考虑多个因素，如：
- 目标基站的信号强度和质量。
- 当前业务信道的质量（误码率等）。
- 网络的负载情况（目标基站是否还有空闲信道）。
- 列车的位置和速度（如果网络支持）。
- 判决结果：如果算法判断切换是必要的且可行的，BSC 就会决定切换的目标基站，并向该目标基站申请一个空闲的无线信道。
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切换执行
- 信道分配：目标基站成功分配到一个空闲信道后，会通过 BSC 向当前基站发送一个“切换请求确认”消息。
- 指令下发：BSC 生成切换命令，通过当前基站发送给 MS，命令中包含了目标基站的频率、时隙等关键信息。
- MS 执行切换：MS 收到切换命令后，立即停止与当前基站的通信，调谐到目标频率,并在指定的时隙上向目标基站发起接入请求。
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切换完成与释放
- 目标基站应答：目标基站成功接收到 MS 的接入请求后，分配一个新的业务信道（可能与之前申请的时隙不同），并向 MS 发送物理信息,告知其新的信道信息。
- MS 确认：MS 收到物理信息后，开始在新的信道上进行通信，并向目标基站发送一个“切换完成”消息。
- 释放旧资源：目标基站将“切换完成”消息转发给 BSC，BSC 随即命令当前基站释放之前为 MS 分配的所有无线资源（包括业务信道和信令信道）,以便其他用户使用。
至此,一次完整的硬切换过程结束。
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GSM-R 硬切换的关键技术与特点
1 切换类型
GSM-R 的硬切换根据跨越的范围不同,主要分为两种：
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BSC 内部切换
- 场景：列车在同一个 BSC 管控的多个基站下移动。
- 流程：切换决策和执行都在 BSC 内部完成，流程最简单，速度最快，成功率最高,这是最常见的切换场景。
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BSC 间切换
- 场景：列车从一个 BSC 的覆盖范围移动到另一个 BSC 的覆盖范围。
- 流程：切换决策需要两个 BSC 以及它们之间的MSC（移动交换中心）协同完成，流程更复杂，信令交互更多，时延也更大，需要通过 A 接口 进行信令交换。
2 硬切换的关键参数
BSC 通过调整以下参数来精确控制切换行为,这是网络优化的核心：
- 小区重选偏移：影响 MS 的小区选择和重选,是切换的基础。
- 触发门限：当邻区信号强度超过此门限时，MS 才会向 BSC 发送测量报告，设置过低会导致频繁切换,设置过高会导致切换不及时。
- 切换候选小区：BSC 告诉 MS 需要测量哪些邻区，对于铁路场景，这个列表非常明确,就是沿线的基站。
- 切换惩罚：一个非常重要的参数，如果某个邻区在短时间内信号波动很大，BSC 可以给它一个“惩罚值”，降低其被选为切换目标的优先级，避免乒乓切换（在两个小区间来回切换）。
3 特点总结
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优点：
- 实现简单：是 GSM 系统原生支持的技术，逻辑清晰,实现成本相对较低。
- 同步要求低：由于是先断后连,对两个基站之间的同步没有严格要求。
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缺点：
- 连接中断：这是最致命的缺点，虽然中断时间很短（通常在几百毫秒），但对于铁路的关键业务（如列车控制信号 EIRENE/FS 75017）任何中断都是不可接受的。
- 掉话风险：如果在切换过程中，MS 未能成功接入新基站，或者信号中断时间过长,就会导致掉话。
- 用户体验差：对于语音通话，用户会听到“咔嗒”声或短暂的静音。
硬切换在 GSM-R 中的挑战与演进
尽管硬切换是 GSM-R 的基石，但其固有的缺点给铁路通信带来了巨大挑战,尤其是在高速铁路场景下。
1 高速铁路带来的挑战
- 多普勒效应：列车速度越快，信号频率偏移越大，导致 MS 更难准确接收和解调基站信号,增加了切换难度和掉话风险。
- 切换区域变小：列车速度越快，在单个基站下的驻留时间越短，为了保持连续覆盖,切换必须更加频繁和迅速。
- 信号快速衰落：列车高速穿过复杂地形（如隧道、山区、桥梁）时，信号变化剧烈,对切换算法的实时性和准确性提出了极高要求。
2 演进方向：从硬切换到软切换
为了彻底解决硬切换带来的中断问题，GSM-R 的演进技术 GSM-R (E) 或 FRMCS（未来铁路移动通信系统） 正在研究和引入更先进的切换技术，核心就是 软切换。
- 软切换：其核心是 “先连接，后断开”，MS 可以同时与两个或多个基站保持通信，网络会选择信号最好的链路来接收数据，只有在确认新基站连接稳定后,才会逐步减少或断开与旧基站的连接。
- 优势：
- 无连接中断：从根本上消除了硬切换带来的中断和掉话风险。
- 宏分集增益：多个基站同时为 MS 服务，可以克服信号衰落,提高通信的可靠性。
- 更适合高速移动：是应对高铁、超高铁场景的理想技术。
- 实现方式：软切换是 CDMA（码分多址） 技术的标志性特征，因此在 GSM-R 的演进中，可能会引入基于 LTE 或 5G 的技术方案，因为 LTE/5G 也支持更平滑的切换技术（如更先进的硬切换和连接态移动性管理）。
| 特性 | GSM-R 硬切换 | 软切换 (演进方向) |
|---|---|---|
| 核心原理 | 先断开，后连接 | 先连接，后断开 |
| 连接中断 | 有，是固有缺点 | 无 |
| 掉话风险 | 相对较高 | 极低 |
| 实现复杂度 | 较低，GSM 原生支持 | 较高，需要更复杂的网络架构（如CDMA/LTE/5G） |
| 适用场景 | 传统GSM-R网络，低速场景 | 高速铁路、关键任务通信、FRMCS |
| 关键技术 | 测量报告、切换算法、BSC决策 | 宏分集、快速功控、多基站协同 |
GSM-R 硬切换是保障列车运行安全的基础性技术，它通过“先断后连”的方式实现了列车在不同基站间的无缝移动，其固有的连接中断问题使其在高速铁路时代面临巨大挑战，未来的铁路移动通信系统必将朝着无中断、高可靠性的软切换或更先进的移动性管理技术演进。
