楊 勝，方 怡，謝佳宜，高尚勇

CTCS-3級列車控制系統(tǒng)是高速鐵路核心技術(shù)裝備和安全關(guān)鍵系統(tǒng)，負(fù)責(zé)指揮列車運行、保證行車安全、提高鐵路運輸效率。目前CTCS-3級列車控制系統(tǒng)因FRMR幀［1-2］引起的無線通信超時故障時有發(fā)生，且在同類故障中所占比例較高。該類故障基本都是由物理層或數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)異常所致，長期以來并無有效手段解決。為此，深入研究CTCS-3級列控系統(tǒng)中的電臺（MT），在不對車載ATP（列車超速防護系統(tǒng)）和地面RBC（無線閉塞中心）設(shè)備［3-4］做任何改動的情況下，僅對電臺小區(qū)切換流程進行優(yōu)化，可大幅度降低該類型無線通信超時故障［5］。

1 基本概念

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層

CTCS-3級列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層采用的是HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）協(xié)議［6］。該協(xié)議采用擴充異步平衡模式，提供幀同步、差錯控制、流量控制和鏈路管理功能；規(guī)定在收到FRMR幀（幀拒絕）的情況下不允許重建連接，故主叫系統(tǒng)ATP或者被叫系統(tǒng)RBC中任何一方在數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送FRMR幀，對方用DSIC幀響應(yīng)，導(dǎo)致鏈路斷開，必然會引起無線通信超時［7］。

HDLC協(xié)議定義了4種類型的FRMR幀：①收到未定義的或不能實現(xiàn)的命令或響應(yīng)控制字段；②收到信息字段超過設(shè)定的最大長度的Ⅰ幀；③收到無效的N（R）；④收到不允許具有信息字段但卻包含信息字段的幀，或收到具有不正確長度的監(jiān)控幀。

CTCS-3級列控系統(tǒng)中，GSM-R小區(qū)切換是硬切換，數(shù)據(jù)傳輸采用電路域的方式，以列車300 km/h的速度計算，平均每36 s就需要完成一次小區(qū)切換，MT、無線信道及GSM-R網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)鏈路層的透傳通道［8］，對ATP或者RBC在數(shù)據(jù)鏈路層是否發(fā)送FRMR幀有決定性影響。

1.2 FRMR幀

ATP或者RBC會將發(fā)送FRMR幀的原因值包含在FRMR幀中的信息比特字段，F(xiàn)RMR幀結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 FRMR幀結(jié)構(gòu)

其中，W、X、Y、Z對應(yīng)FRMR幀的4種原因值（即4種狀態(tài)）。歸納當(dāng)前由FRMR幀引起的CTCS-3級列控系統(tǒng)無線通信超時，絕大多數(shù)是Y=1和Z=1。Y=1，即收到的任何信息字段超過了報告拒絕狀態(tài)的ATP或RBC的最大設(shè)定容量；而Z=1，即所收到的并在1～8比特內(nèi)送回的控制字段包括了無效的N（R）。解決這2種情況將會大幅降低CTCS-3級列控系統(tǒng)的無線通信超時故障。

2 原因分析

2.1 對于Z=1的FRMR幀情況

對于Z=1的FRMR幀情況，基本都是收到亂序的RR幀后，接收方判斷為無效N（R），引發(fā)該類型FRMR幀，有較明顯的特征，即在小區(qū)切換前很短的時間內(nèi)ATP或者RBC向?qū)Χ诉B續(xù)發(fā)送2個RR幀。RBC發(fā)送FRMR幀時的PRI［9］接口數(shù)據(jù)見表1。

提取FRMR幀中的信息位，其為018701 B0 BA 6708233D，解析后可知，RBC在收到車載發(fā)送的N（R）=89 RR幀后，又收到了N（R）=88的RR幀，RBC通過發(fā)送Z=1的FRMR幀來表明其收到N（R）=88的無效N（R）幀。MT電臺LOG日志記錄［10］見圖2。

由圖2可以看出，ATP通過電臺向RBC發(fā)送R∶88和R∶89的RR幀后，電臺開始執(zhí)行小區(qū)切換，此后ATP并未重復(fù)發(fā)送R∶88和R∶89的RR幀，但表1卻顯示RBC重復(fù)收到過2次，造成接收方認(rèn)為收到的RR幀序號亂序。同理，車載側(cè)ATP在同樣條件下也會多次重復(fù)收到2個連續(xù)RR幀，引發(fā)RR幀序號亂序，導(dǎo)致ATP發(fā)起Z=1的FRMR拒絕幀。

圖2 MT電臺LOG日志記錄

表1 RBC發(fā)送FRMR幀時的PRI接口數(shù)據(jù)

2.2 對于Y=1的FRMR幀情況

對于Y=1的FRMR幀情況，場景也是發(fā)送方在小區(qū)切換時發(fā)送Ⅰ幀，接收方接收到該Ⅰ幀（信息幀）的信息比特位中含有大量亂碼，導(dǎo)致Ⅰ幀信息比特位超長，超過接收方設(shè)定的容量，這種情況下，即使接收方可通過CRC（循環(huán)冗余校驗）校驗失敗來確定該Ⅰ幀為無效幀，但HDLC還是會直接發(fā)送Y=1的FRMR幀，造成無線通信超時故障。

3 優(yōu)化方案

FRMR幀是由數(shù)據(jù)鏈路層HDLC協(xié)議處理的，ATP或者RBC的上層軟件對該類故障無法優(yōu)化?？紤]電臺是透傳鏈路層數(shù)據(jù)，是連接無線通信和有線通信的傳輸管道，故可對電臺切換流程做定制化的修改，從而降低由FRMR幀引起的無線通信超時。優(yōu)化后的電臺小區(qū)切換流程見圖3。相較傳統(tǒng)的小區(qū)切換流程，優(yōu)化方案中增加2個操作（圖3中紅色部分所示）。

圖3 電臺小區(qū)切換流程優(yōu)化方案

電臺在收到網(wǎng)絡(luò)的Handover Command后，其內(nèi)部增加掛起DS操作，可將ATP發(fā)送給電臺的數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)在電臺內(nèi)部緩存，不向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；同時對電臺此后接收到網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的HDLC數(shù)據(jù)丟棄，不發(fā)送給ATP；電臺收到網(wǎng)絡(luò)下發(fā)恢復(fù)電臺和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接的UA幀后，其內(nèi)部增加恢復(fù)數(shù)據(jù)操作，以恢復(fù)電臺正常向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送ATP HDLC數(shù)據(jù)，也恢復(fù)將電臺收到的HDLC數(shù)據(jù)透傳給ATP，這樣就可徹底解決在小區(qū)切換中因多種因素引起的數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)異常造成的FRMR幀問題。考慮到小區(qū)切換的時間一般在400 ms左右，該優(yōu)化方案理論上小概率會丟失RR幀，但其可通過數(shù)據(jù)鏈路層自身的重傳機制恢復(fù)，不會影響CTCS-3級列控系統(tǒng)的正常業(yè)務(wù)。

4 測試驗證

表2是電臺小區(qū)切換流程優(yōu)化前后FRMR故障對比：2019年3月—2020年7月期間，車1共發(fā)生3次FRMR類型幀無線超時，其中Y=1的類型1次，Z=1的類型2次；車2共發(fā)生4次FRMR類型幀無線超時，其中Y=1的類型1次，Z=1的類型3次；2020年7月中旬完成車1和車2的電臺小區(qū)切換流程優(yōu)化，經(jīng)過半年的測試，2列車均未發(fā)生FRMR類型無線通信超時故障。

表2 電臺小區(qū)切換流程優(yōu)化前后FRMR故障對比

從2021年2月始，陸續(xù)加大CTCS-3級列車測試數(shù)量，再未出現(xiàn)FRMR幀引起的無線通信超時，優(yōu)化效果符合預(yù)期。

5 結(jié)論

本文針對CTCS-3級列控系統(tǒng)中產(chǎn)生FRMR幀的機理，在標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議下對電臺的小區(qū)切換流程進行優(yōu)化，可大大降低CTCS-3級列控系統(tǒng)中FRMR幀引起的無線通信超時故障。如在基站側(cè)也做類似電臺的優(yōu)化處理，既可在接收方杜絕因無線業(yè)務(wù)信道硬切換引入的含大量亂碼的超長Ⅰ幀，也可杜絕因電臺或基站內(nèi)部機制引發(fā)亂序的RR幀，從而理論上可完全杜絕FRMR幀引起的無線通信超時。在實際工程應(yīng)用中，通過采用該電臺小區(qū)切換流程優(yōu)化方案，可以大幅降低無線通信超時故障率，進而提高鐵路運營效率和經(jīng)濟效益。