CTCS-3級列控系統無線超時問題分析

王 猛 周宇暉

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

CTCS-3級列控系統無線超時問題分析

王 猛 周宇暉

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

基于GSM-R網絡實現車地信息傳輸的CTCS-3級列控系統在國內取得快速發展，現場運用中發現，無線超時是影響CTCS-3級列控系統運用質量的一類主要問題。從無線超時的原因分類出發，結合目前在用的接口監測系統，以及新加裝的Datalogger和Um接口監測設備，以一些典型問題為例，詳細介紹無線超時問題的分析方法，對指導無線超時問題的分析解決，提高CTCS-3級列控系統的運用質量，具有重大現實意義。

CTCS-3；無線超時；GSM-R網絡

1 概述

在CTCS-3級列控系統中，車載設備通過控制無線模塊，以GSM-R網絡為傳輸媒介實時與軌旁設備進行信息交互，向RBC匯報列車位置等信息，從RBC獲取移動授權、線路參數、臨時限速等信息，按照目標-距離模式生成MRSP最不利限制曲線，進行超速防護，監控列車安全運行。因此，車地信息傳輸的可靠性和安全性對于CTCS-3級列控系統至關重要。

CTCS-3列控系統無線超時，即車載在T_ NVCONTACT時間內未收到任何來自RBC的應用層消息。無線超時發生后，車載ATP將通過DMI提示司機無線連接超時，同時控制列車輸出最大常用制動。現場運用中發現，無線超時是影響CTCS-3級列控系統運用質量的一類主要問題。該類問題在國外ETCS 2級列控線路上也有發生，是目前國內外高速鐵路面臨的一個共同技術難題。CTCS-3級列控系統發生的無線超時，是CTCS-3列控線路中影響列車運行效率的重要因素之一。如何準確分析和定位“無線超時”故障的原因，是解決問題的前提。

隨著武廣、京滬、哈大、京石武、滬寧、滬杭、鄭西等一系列高速鐵路的開通和投入運營，積累了大量無線超時數據。但無線超時的故障定位和分析往往是信號側和通信側各自進行，對一些疑難問題的分析聯動機制不夠，故障分析定位、數據記錄手段、分類及解決措施等還有待在實際工作中不斷融合。

2 無線超時原因分類

CTCS-3級列控系統包括車載設備、GSM-R網絡和地面設備3部分。GSM-R網絡為車載設備和地面設備間的數據實時傳輸提供通道。CTCS-3級列控系統結構如圖1所示。

GSM-R采用開放式的無線網絡，安全數據在GSM-R網絡上采用透明的電路域數據交換模式進行傳輸。由于車載與RBC之間的數據以無線方式傳輸，在傳輸過程中，一方面可能會因為外界的干擾信號，導致出現誤碼、丟包等現象；另一方面，無線數據在GSM-R網絡傳輸時，未啟用無線空中接口的加密功能，且由于頻點受限，GSM-R網絡沒有引入跳頻技術，無線數據在傳輸過程中存在被偵聽、篡改和攻擊的風險。傳輸的數據一旦遭到非法入侵，假冒給列車發送非法的行車許可信息，會給列車的穩定運行帶來較為嚴重的安全隱患。

圖1　CTCS-3級列控系統示意圖

圖2　GSM-R網絡各子系統組成

CTCS-3級列控系統通過車載安全通信單元和RBC安全通信單元實現車地數據的安全、可靠傳輸。車載側和地面側采用相同的安全通信協議，實現對等層間的通信。CTCS-3級列控車載安全傳輸單元從功能上分為安全層、傳輸層、網絡層、HDLC層和物理層。其中，安全層遵循ERTMS Subset-037協議，負責實現信源認證、端到端認證、安全連接管理、數據加密解密等功能。傳輸層遵循ITU-T X.224協議，主要在網絡層的服務基礎上向安全層提供有效、可靠的端到端連接服務，增強網絡層提供的服務質量，具體功能包括連接建立、數據傳輸、釋放連接、流量控制和差錯控制。網絡層遵循ITU-T T.70協議，主要完成網絡連接的維護和管理。HDLC層遵循ISO 7776協議，主要完成鏈路連接的建立、拆除、分離，同時負責數據傳輸過程中的順序控制、流量控制、差錯檢測及恢復。此外，還有一個GSM-R無線模塊控制和管理模塊，負責通過AT指令查詢MT模塊的工作狀態，并根據工作狀態選擇合適的MT模塊發起呼叫和掛斷。

GSM-R網絡設備大致可分為3大部分：網絡子系統（包含移動交換子系統SSS、智能網子系統IN、GPRS子系統）、基站和傳輸子系統（BSS）、運行和支持子系統（OSS）。各個子系統的組成如圖2所示，其中標有灰底色的部分是與CTCS-3級列控系統車地信息傳輸相關的設備。

CTCS-3級列控系統涉及的車地通信設備眾多，各個接口協議棧較為復雜，任何一個相關環節出現異常，都能導致車地傳輸超時問題的發生。按照設備類型，可將無線超時原因劃分為以下4大類：

1）車載相關問題，主要包括MT模塊軟硬件、車載安全通信單元、車載應用層、司機操作等問題；

2）GSM-R網絡相關問題，主要包括無線干擾類問題、BTS和BSC相關設備異常、MSC相關設備異常、傳輸子系統異常、用戶操作問題等；

3）地面信號設備相關問題，主要包括RBC安全通信單元問題、RBC應用層相關問題、聯鎖等RBC相關接口設備問題等；

4）其他結合部問題，主要包括MT模塊與SIM卡匹配類問題、MT模塊與GSM-R網絡適配類問題、其他未明原因的Um接口相關問題、MSC 與RBC側接口相關問題等。

3 無線超時問題的分析手段

自2007年青藏線基于GSM-R網絡實現車地通信的ITCS系統開通后，無線超時問題一直是影響和困擾列控系統無線傳輸可靠性的一大關鍵問題。

一方面，為解決列控系統無線超時問題，國內相關廠家先后研制Abis、A、PRI 3個接口監測系統，在各條線路投入使用，為CTCS-3線路的技術攻關、運行試驗、聯調聯試、運營維護、故障分析、網絡優化等工作提供了詳細數據支撐，是CTCS-3線路必不可少的分析診斷工具。通過傳統的PRI、Abis和A接口監測系統，以及RBC側記錄日志和車載設備安全通信單元、JRU記錄數據的分析，定位和解決了大量CTCS-3列控系統的無線超時問題。

另一方面，車載安全傳輸單元和MT模塊均為小型化的嵌入式設備，記錄功能較為有限。由于缺乏MT模塊相關的記錄以及車載相關的Igsm-r接口監測數據，傳統的3個接口監測設備尚未形成完整的數據閉環，導致部分MT模塊、Um接口相關的故障無法準確定位，部分問題無法區分是車載原因，還是GSM-R網絡相關原因。

2016年1月，鐵路總公司組織相關廠家發布CTCS-3級列控車載設備Igsm-r、Um接口監測系統技術條件，通過在既有動車組車載側逐步加裝相關監測設備，形成完善的CTCS-3級列控系統接口綜合監測系統，實現了對整個車-地數據傳輸過程的閉環監測。監測系統的總體結構如圖3所示。

通過Igsm-r接口、Um接口和Datalogger數據的采集，實現了對MT模塊和BTS側設備空口數據接收和發送情況的分析，能夠定位傳統3個接口監測設備無法解決的一些問題盲點。

圖3　CTCS-3級列控系統接口綜臺監測系統

4 傳統三接口監測數據分析定位超時問題

4.1車載相關問題：300T車載安全通信單元異常發送DISC拆鏈

該類問題發生時，Abis接口顯示上、下行接收質量和接收電平無明顯異常，PRI接口監測數據顯示車載應用層未發送Msg39且安全層未發送DI，通過HDLC層直接發送DISC幀，與RBC斷開連接，導致無線連接超時。該問題發生后，大部分情況下會導致后續交路無法正常轉回CTCS-3級運行。

通過車載側安全通信單元記錄數據分析，故障發生時報告安全通信單元內部的以太網通信出現異常。部分原因是由于安全通信單元的以太網接線問題導致，進行緊固或更換后解決；部分原因是由于安全通信單元內部通信異常導致，更新新版安全通信單元安全通信單元軟件后解決。

4.2RBC相關問題：移交過程中RBC-RBC通信超時

車載在RBC移交過程中，RBC-RBC間的通信超時，移交RBC不再向車載發送任何數據，導致無線連接超時。通過對RBC通信機制進行深入分析，在列車進行RBC-RBC交權過程中，會出現RBC之間交權信息因安全通信協議TTS校時失敗導致消息丟棄的情況，在消息丟棄后導致RBC之間交權通信超時。

按照RBC側的設計，當RBC之間交權通信超時后，移交RBC為了避免列車無法正常行駛通過交權邊界，移交RBC會停止向列車發送任何應用消息，最終造成列車無線超時降級CTCS-2級運行。在京滬開通時，該問題發生概率較高。結合京滬通信超時的數據分析，認為通信網絡的延遲存在波動，且RBC內部配置參數過于嚴格，造成RBC之間的消息有效性檢查失敗，因此將RBC中的延遲參數從0修改為50。按照該參數修改實施后，該現象得到有效抑制，但未徹底解決。

針對該問題進一步分析，發現延遲參數改成50的分析只考慮了網絡延遲波動影響，而忽略了RBC時間參數機制影響。根據RBC處理消息周期內時間偏差分析情況，初步確定對延遲參數重新進行補償，將延遲參數從50調整為100，可解決該問題。

4.3GSM-R網絡相關問題：基站單通類問題

該類問題發生時，Abis接口顯示上、下行接收質量和接收電平無明顯異常。PRI接口監測數據顯示RBC側安全通信單元連續發送多個RR命令幀（參數一般配置為5），均未收到車載的回復，而后連續發送SABME幀，均未收到車載的回復，RBC側安全通信單元發送Disconnect斷開連接，且在一段時間內不同車體在同一個小區會多次發生該問題。

經GSM-R網絡側深入分析，該類超時發生時，相關呼叫均使用同一Abis接口傳輸子時隙，確認為基站設備問題導致單通，即RBC側發送的數據能夠正常通過GSM-R網絡送達車載側，但車載發送的數據無法正常送達RBC側，將相應基站的故障時隙鎖閉后，恢復正常。

5 Datalogger和Um監測數據深入分析結合部問題

隨著部分車體逐步加裝Datalogger、Igsm-r 或Um接口監測設備，實現對車載側相關記錄數據的采集。通過相關記錄數據分析，查明了部分多發的車地信息超時問題的原因并采取措施解決，部分問題有待進一步深入分析。

5.1MT模塊與GSM-R網絡間包含BCCH分配信息的系統消息適配問題

2011年7月，廣深港客專聯調聯試期間發現，采用Funkwerk MT模塊的300T車載無線超時問題較為突出。通過Abis監測數據分析，大部分問題是由于MT模塊上報給基站的測量報告中往往不包含前方需接入基站的下行BCCH信號，無法正常執行越區切換，最終導致無線連接中斷。該問題在之前開通的武廣、京滬等線路未曾發生。

通過加裝MT模塊Datalogger記錄數據分析，發現故障原因與華為和諾西GSM-R網絡下發的含有相鄰小區BCCH分配信息的系統消息不同有關。具體對比如表1所示。

表1　不同GSM-R網絡分配鄰小區BCCH的系統消息對比表

根據3GPP協議0408 Phase2+的規定，系統消息2和系統消息5必須發送，通過相關bit指示是否下發了2 bis/5 bis消息。國內GSM-R為E-GSM頻段，在系統消息2/5或2 bis/5 bis下發鄰區信息都是正確的。系統消息2ter/5ter作為系統消息2/5或2 bis/5 bis的擴展鄰區信息指示，屬可選消息，即無論是否發送2ter/5ter系統消息，都符合3GPP相關規范的規定。

通過實驗室測試分析確認和現場驗證，華為GSM-R網絡側關閉了系統消息2ter和5ter，解決了該問題。而后MT模塊側組織對軟件進行更新，增強了對不同BCCH信息分配的適應性，該問題在后續開通的線路中未再發生。

5.2MT模塊與SIM卡間的匹配性問題

通過采集Igsm-r接口監測數據分析，部分MT模塊在運行過程中，無法成功檢測到SIM卡或報告SIM卡錯誤，單MT工作導致在RBC移交位置發生無線超時。該類問題的故障現象如下。

1）部分故障在通信側Abis接口監測能夠看到IMSI DETACH INDICATION信令。

2）Datalogger或Igsmr設備監測到+CME ERROR：10（SIM卡未插入）或+CME ERROR：15（SIM卡錯誤）。

該問題屬于SIM卡與MT模塊間的匹配性問題，在各個型號的車載MT模塊都有發生。故障原因可能有：

1）MT模塊卡槽與SIM卡匹配不良，導致SIM卡松動；

2）SIM卡長時間工作后出現異常，導致無法與MT正常進行數據交互；

3）MT模塊與SIM卡交互部分工作異常。

經MT模塊廠家多次溝通確認，MT模塊SIM卡槽符合UIC相關規范的規定，在國外應用中未發現該類問題。針對該問題，與路局溝通，在現場大多數MT模塊SIM卡槽上增加不干膠貼紙，提高MT模塊與SIM卡的匹配性，但加裝后問題未完全消除。

針對該問題，需組織開展MT模塊和SIM卡的兼容性測試和拷機測試，分析高、低溫等環境條件下SIM卡與MT模塊的匹配性，同時建議相關廠家加強對GSM-R網絡專用SIM卡物理性能的檢測分析和出廠管理。

5.3未明原因類無線鏈路失敗問題

該類問題在武廣線發生較多，在各型車載設備上均有發生，可分為兩大類。

1）小區切換前后未知原因的無線鏈路失敗

該類問題又可以結合故障現象，分為以下兩個子類：

小區切換后上行質量7級，但上行電平正常，在廣鐵管內LDN-SYB11小區最為突出，2015年6 至12月累計共發生6次；

小區切換后下行質量7級，但下行電平正常，在廣鐵管內HSX-HYD12小區最為突出，2015年6至12月累計共發生11次。

該問題與MT模塊和基站間的空口交互有關，目前尚未采集到有效的Datalogger或空口數據，無法定位準確原因。

2）非小區切換前后未知原因的無線鏈路失敗

接口監測數據顯示無線連接異常中斷，原因為“Radio link failure”，該類問題未發生在越區切換失敗過程中。經分析，原因可能有：

BTS側上行無線鏈路失敗導致通信中斷，MS 側MM層連接保持，重新建立呼叫；

BTS側上行無線鏈路失敗導致通信中斷，MS 側RLTO定時器超時，MS退出專用模式，在BTS無線鏈路釋放后，發起位置更新或IMSI附著；

MS側下行無線鏈路故障，RLTO定時器超時導致通信中斷，BTS側上行無線鏈路失敗，MS退出專用模式，在BTS無線鏈路釋放前，發起位置更新或IMSI附著；

BTS側上行無線鏈路失敗，MS退出專用模式，但因缺少空口監測數據無法判斷上下行無線鏈路故障的先后順序。

該問題同樣需要采集Datalogger或空口數據，進一步深入分析。

6 結語

通過長期的數據積累分析，通信、信號側的無線超時分析及問題處理水平不斷提升，車載設備、GSM-R網絡和RBC側也都經過努力，解決了一批頻繁發生的導致無線超時問題，使得國內無線超時數量逐年下降，呈現收斂趨勢。

我國的高速鐵路從北到南，橫跨了多個氣候帶，各類設備的工作環境差異較大，地形地貌的復雜性也加劇了GSM-R無線網絡環境的復雜度。由于無線超時涉及的環節眾多，通信協議復雜，在監測數據未形成閉環的情況下，部分問題難以得到準確定位。近年隨著監測手段的不斷增強，前期因監測數據不足難以定位和解決的部分問題，深層次的原因也逐漸浮出水面，為問題的解決指明了方向。隨著分析和整治工作的不斷深入，可以預見，我國CTCS-3級列控系統的無線超時問題必然能夠得到有效控制，運營質量也將處于世界領先水平。

［1］鐵總運［2016］15號 CTCS-3級列控車載設備Igsmr、Um接口監測系統技術條件（V1.0）［S］.

［2］郭媛忠.CTCS-3級列車運行控制系統無線超時故障分析［J］.鐵道通信信號，2014，（7）：73-75。

GSM-R network is now widely used for train-ground information transmission in CTCS-3 systems. It is found that radio overtime is a kind of main problems affecting operational quality of the CTCS-3 system. The paper introduces the problem analysis idea and situation of the radio overtime problem and describes some typical problems found during the analysis， partial problems that have been solved， as well as some suspense problems need further study， which can provide reference for solve radio overtime problems in practical applications.

CTCS-3 system； overtime in transmission； GSM-R network

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.008

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題項目（2015X001-C）

2016-04-21）