由于人们对网络要求日渐严格，未来无线通信网络不仅要具有低延时、高移动性、高传输速率的特点，同时还需要满足节能环保、稳定等多种要求[10-12]，针对这些要求3GPP（第三代合作伙伴计划）组织提出了LTE 网络。LTE 系统网络架构呈扁平化，满足低通信延时的要求。而高铁通信场景具有沿线地形复杂、用户群体移动速度快等特点，公共通信网络显然不适用于这样的场景。为了适用高铁通信场景的特殊性，国际铁路联盟以公共通信网络为基础进行改进，提出了LTE-R 系统。LTE-R系统的基站分布在铁路沿线，各基站小区呈链状排布在铁路沿线。在无线通信网络中，基站的覆盖范围是有限的，这使得列车在行驶过程中，不断穿越不同基站信号覆盖区域，如图1.2 所示。为了保障良好的通信质量，移动终端需要不停地断开与当前服务基站的通信连接，然后与下一个基站建立连接，这种提供通信服务的基站发生改变的过程称为越区切换[13，14]，简称切换。
图1.2 频繁切换
当列车速度不断加快时，列车穿越基站小区用时更短，切换的发生就更加频繁。通信链路从一个基站转移至另一个基站需要一定时间，而高铁场景下列车穿越小区的时间缩短，为了保持与基站的通信链路，就要求在更短的时间内完成切换操作[15]。切换作为高速场景无线通信系统的重要环节，其目的是使移动终端设备与能提供良好的通信质量的基站建立连接[16]，因此耗时短、成功率高的切换算法对提高用户通信质量有很大的帮助。(www.xing528.com)
移动终端低速移动时，传统切换算法可以满足用户的通信需求，而高铁场景相对于低速运动场景面临更多的挑战，对切换算法也有了更高的要求。一方面，列车运行速度越快，多普勒效应对信号影响越大，同时由于信道快时变特性[17]，移动终端可能在相邻基站之间进行多次切换操作，这不仅会导致出现切换失败概率高、频谱利用率低等问题[18]，而且会导致通信中断增多。另一方面，随着智能手机的普及，用户对通信需求越来越高，传统切换算法存在切换成功率低、乒乓切换率高和通信中断率高等不足，无法满足用户高峰值率、宽频带和低延时的通信需求。此外，我国铁路沿线经历山区、丘陵、高原、平原、隧道和高架桥等复杂地形，导致高速铁路网络建设面临覆盖难度大的问题[19-21]，也对高铁场景下切换算法提出了更高的要求。
因此，研究在高速移动、通信环境恶劣、地形复杂的通信环境中具有优越性能的切换算法，成为高速铁路无线通信网络需要解决的重要问题。
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