HDLC協議在分析CTCS－3無線通信超時中的應用

王開鋒 高尚勇 高 媛

CTCS－3級列控系統是我國時速300km及以上級別客運專線、高速鐵路的重要技術裝備，CTCS－3級列控系統基于GSM－R無線通信系統實現車－地信息雙向傳輸，采用無線閉塞中心 （RBC）生成行車許可、軌道電路實現列車占用檢查、應答器實現列車定位。在CTCS－3級線路中，采用CTCS－2級作為CTCS－3級的后備系統，當無線通信超時，轉為CTCS－2級列控系統控制列車運行。CTCS－3降級至CTCS－2雖然不會影響列車安全，但會降低列車運行速度，影響鐵路運營秩序。CTCS－3級列控系統的結構和功能較為復雜，涉及到通信和信號二個專業。當出現無線通信超時故障時，判斷故障的歸屬、分析和定位故障的原因是電務部門日常運營維護的重點工作之一。

1 RBC與ATP之間通信接口

CTCS－3無線通信系統可劃分為安全功能模塊（SFM）和通信功能模塊 （CFM），SFM提供安全相關傳輸系統的功能，CFM提供基于GSM－R網絡的電路交換承載業務的通信系統功能，協議棧如圖1所示。

圖1 RBC與ATP之間通信協議棧

GSM－R網絡為車－地之間安全相關數據的傳輸提供雙向、實時數據傳輸通道，采用異步透明傳輸模式。GSM－R是一個開放的系統，不提供差錯控制、流量控制、安全認證等功能，這些功能由上層協議來實現。

數據鏈路層采用HDLC協議，提供幀同步、差錯控制、流量控制和鏈路管理功能，在二個通信實體之間提供數據鏈路通路的建立、維持和釋放管理，保證數據完整、準確的傳輸，將GSM－R網絡提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數據鏈路。網絡層主要提供B／Bm協議棧和信令協議棧之間的同步機制，必要時執行第三層的拆包／組包工作。傳輸層采用傳輸規程類型2（TP2），不使用差錯檢測及恢復，必要時執行第4層的拆包／組包。安全層提供安全連接建立功能和連接期間的安全數據傳輸功能，保證數據完整性和數據真實性。

從RBC與ATP通信協議棧可以看出，車地之間數據通信的完整性和正確性主要是由數據鏈路層提供的，數據鏈路層也是直接與GSM－R網絡交互的層次，因此對HDLC協議進行深入研究，對于分析和定位CTCS－3無線通信超時的原因具有重要意義。

2 HDLC協議分析

在CTCS－3線路中，普遍配置了GSM－R網絡Abis、A、PRI接口監測系統，這是目前CTCS－3無線通信超時的主要分析工具之一。該系統可以對二類信息進行采集和處理，一是來自Abis、A和PRI接口的網絡信令，二是來自PRI接口的業務數據。因此，可以從網絡信令和業務數據二個層面分析無線通信超時故障。

對于GSM－R網絡問題引發的故障，通常在各接口信令有所體現，如通話質量差、接收電平低、移動臺掉話、越區切換異常、拆線原因值異常等。然而，僅從網絡信令層面上并不足以分析所有無線通信超時的原因。某鐵路局管內高速鐵路2014年第一季度CTCS－3降級情況統計結果顯示，屬于信號方面原因共計117次，占比61%；屬于通信方面原因共計54次，占比28%，屬于不明原因共計22次，占比11%。對于許多無線通信超時故障，從GSM－R網絡信令過程及移動臺測量報告上看并沒有任何異常現象，此時需要對PRI接口的業務數據進行分析，而對其中數據鏈路層HDLC協議的分析是其中的重點。

2．1 鏈路的建立與釋放

在CTCS－3中，HDLC層采用擴充異步平衡模式，鏈路兩端的通信實體具有對等的能力，主叫系統 （即ATP）作為DTE，被叫系統 （即RBC）作為DCE，DTE負責鏈路的建立和釋放。只有DTE可以發送SABME幀建立鏈路，但其他系統可以主動釋放連接，通信流程如圖2所示。

圖2 HDLC鏈路建立及釋放

正常情況下，列車注冊、CTCS－2級轉CTCS－3級、RBC切換時會發起鏈路建立過程，列車注銷、CTCS－3級轉CTCS－2級、RBC切換時會發起鏈路釋放過程。

2．2 數據的傳送過程

除高優先級數據外，HDLC層使用I幀發送數據，Ⅰ幀包含了發送序號N （S）字段，取值范圍為0－127。接收方收到Ⅰ幀后，需要對該信息幀進行確認，如果此時接收方有數據要發送可以使用Ⅰ幀捎帶應答，否則使用S幀應答。I幀和S幀都包含接收序號N （R），N （R）表示期望接收幀的序號，同時暗含序號小于等于N （R）－1的幀都已正確無誤的接收。HDLC采用滑動窗口協議，發送方不必等待確認便可連續發送數據，接收方可以對多個Ⅰ幀累積確認，通信流程如圖3所示。

如果HDLC層數據傳送正常，則可以反應出此時GSM－R能夠正常的為上層提供服務，若此時通信的任何一方突然釋放連接，進而引發無線通信超時，說明故障出現在協議棧的數據鏈路層或以上層次。

圖3 正常數據傳送過程

2．3 差錯處理

GSM－R網絡不為上層數據傳輸提供安全保證，數據在傳輸過程中面臨丟失、重復、亂序、延遲等威脅，數據鏈路層則具備差錯檢測的能力，并采取措施對差錯進行糾正。CTCS－3中采用選擇重發策略實現數據重傳，如圖4（a）所示，當接收方檢測到某幀數據丟失，發送SREJ幀要求發送方發送需要重傳的I幀。

圖4 HDLC差錯處理

如果接收方的確認幀丟失或發送方短時間內沒有數據要發送，發送方無法知道發送的數據幀是否被正確接收，進而導致傳輸過程停滯。為了避免這種情況，HDLC協議中設置了T1定時器，每發送1幀數據均啟動T1定時器。如圖4（b）所示，當T1定時器超時，發送方發送P位置1的監控命令幀探詢接收方狀態，接收方回復F位置1的監控響應幀，接收方隨后重傳超時的數據幀，最大重傳次數為N2。CTCS－3中T1為0．8～2s，N2建議值為5。

由于GSM－R硬切換機制和無線環境易受干擾等因素的影響，通信的過程不可避免會的出現短時傳輸中斷，如果此時數據鏈路層有數據幀正在發送，會導致數據幀丟失或出錯，HDLC的差錯處理機制可以實現數據重傳和超時重發，正常情況下不會影響上層應用。如果車地通信的某一方或雙方長時間無法正常傳送數據幀，重傳次數達到N2會導致數據鏈路層連接斷開，進而導致CTCS－3無線通信超時，此時需要結合GSM－R網絡信令和相關設備日志進一步分析故障原因。

HDLC協議中還有一個很有用的幀FRMR，CTCS－3中不允許連接重建，任何一方收到FRMR幀后用DISC幀響應，導致鏈路斷開。HDLC協議中有4種情況會發送FRMR幀：①收到未定義的或不能實現的命令或響應幀控制字段；②收到信息字段超過設定的最大長度的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。由此可見，收到FRMR幀導致的鏈路斷開，一般是HDLC通信實體工作異常所致。

3 結束語

本文對RBC與ATP通信協議棧的數據鏈路層通信鏈路的建立、維持、釋放和差錯處理等機制進行了深入分析，闡述了在業務數據層面分析CTCS－3無線通信超時的方法，為CTCS－3無線通信超時故障的分析和定位提供了思路。

［1］ 中華人民共和國鐵道部科學技術司．科技運［2008］34號．CTCS－3級列控系統總體技術方案（V1．0）［S］．2008．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．運基信號〔2010〕224號．CTCS－3級列控系統無線通信功能接口規范［S］．2010．

［3］ 丁建文，鐘章隊．基于 GSM－R的CTCS－3級列控系統安全數據傳輸通信協議棧分析［J］．鐵道通信信號，2010，46（9）：8－11．

［4］ 邢小琴．高速鐵路GSM－R網絡檢測／監測數據分析關鍵技術研究［D］．北京：中國鐵道科學研究院博士研究生論文集，2014．