針對FRMR幀無線通信超時的電臺優化方案

楊 勝，方 怡，謝佳宜，高尚勇

CTCS-3級列車控制系統是高速鐵路核心技術裝備和安全關鍵系統，負責指揮列車運行、保證行車安全、提高鐵路運輸效率。目前CTCS-3級列車控制系統因FRMR幀［1-2］引起的無線通信超時故障時有發生，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據鏈路層數據異常所致，長期以來并無有效手段解決。為此，深入研究CTCS-3級列控系統中的電臺（MT），在不對車載ATP（列車超速防護系統）和地面RBC（無線閉塞中心）設備［3-4］做任何改動的情況下，僅對電臺小區切換流程進行優化，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 數據鏈路層

CTCS-3級列控系統數據鏈路層采用的是HDLC（高級數據鏈路控制）協議［6］。該協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ATP或者被叫系統RBC中任何一方在數據鏈路層發送FRMR幀，對方用DSIC幀響應，導致鏈路斷開，必然會引起無線通信超時［7］。

HDLC協議定義了4種類型的FRMR幀：①收到未定義的或不能實現的命令或響應控制字段；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，或收到具有不正確長度的監控幀。

CTCS-3級列控系統中，GSM-R小區切換是硬切換，數據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切換，MT、無線信道及GSM-R網絡作為數據鏈路層的透傳通道［8］，對ATP或者RBC在數據鏈路層是否發送FRMR幀有決定性影響。

1.2 FRMR幀

ATP或者RBC會將發送FRMR幀的原因值包含在FRMR幀中的信息比特字段，FRMR幀結構見圖1。

圖1 FRMR幀結構

其中，W、X、Y、Z對應FRMR幀的4種原因值（即4種狀態）。歸納當前由FRMR幀引起的CTCS-3級列控系統無線通信超時，絕大多數是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的ATP或RBC的最大設定容量；而Z=1，即所收到的并在1～8比特內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），引發該類型FRMR幀，有較明顯的特征，即在小區切換前很短的時間內ATP或者RBC向對端連續發送2個RR幀。RBC發送FRMR幀時的PRI［9］接口數據見表1。

提取FRMR幀中的信息位，其為018701 B0 BA 6708233D，解析后可知，RBC在收到車載發送的N（R）=89 RR幀后，又收到了N（R）=88的RR幀，RBC通過發送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發送R∶88和R∶89的RR幀后，電臺開始執行小區切換，此后ATP并未重復發送R∶88和R∶89的RR幀，但表1卻顯示RBC重復收到過2次，造成接收方認為收到的RR幀序號亂序。同理，車載側ATP在同樣條件下也會多次重復收到2個連續RR幀，引發RR幀序號亂序，導致ATP發起Z=1的FRMR拒絕幀。

圖2 MT電臺LOG日志記錄

表1 RBC發送FRMR幀時的PRI接口數據

2.2 對于Y=1的FRMR幀情況

對于Y=1的FRMR幀情況，場景也是發送方在小區切換時發送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，導致Ⅰ幀信息比特位超長，超過接收方設定的容量，這種情況下，即使接收方可通過CRC（循環冗余校驗）校驗失敗來確定該Ⅰ幀為無效幀，但HDLC還是會直接發送Y=1的FRMR幀，造成無線通信超時故障。

3 優化方案

FRMR幀是由數據鏈路層HDLC協議處理的，ATP或者RBC的上層軟件對該類故障無法優化。考慮電臺是透傳鏈路層數據，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。優化后的電臺小區切換流程見圖3。相較傳統的小區切換流程，優化方案中增加2個操作（圖3中紅色部分所示）。

圖3 電臺小區切換流程優化方案

電臺在收到網絡的Handover Command后，其內部增加掛起DS操作，可將ATP發送給電臺的數據鏈路層的數據在電臺內部緩存，不向網絡發送；同時對電臺此后接收到網絡下發的HDLC數據丟棄，不發送給ATP；電臺收到網絡下發恢復電臺和網絡數據連接的UA幀后，其內部增加恢復數據操作，以恢復電臺正常向網絡發送ATP HDLC數據，也恢復將電臺收到的HDLC數據透傳給ATP，這樣就可徹底解決在小區切換中因多種因素引起的數據鏈路層數據異常造成的FRMR幀問題。考慮到小區切換的時間一般在400 ms左右，該優化方案理論上小概率會丟失RR幀，但其可通過數據鏈路層自身的重傳機制恢復，不會影響CTCS-3級列控系統的正常業務。

4 測試驗證

表2是電臺小區切換流程優化前后FRMR故障對比：2019年3月—2020年7月期間，車1共發生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的電臺小區切換流程優化，經過半年的測試，2列車均未發生FRMR類型無線通信超時故障。

表2 電臺小區切換流程優化前后FRMR故障對比

從2021年2月始，陸續加大CTCS-3級列車測試數量，再未出現FRMR幀引起的無線通信超時，優化效果符合預期。

5 結論

本文針對CTCS-3級列控系統中產生FRMR幀的機理，在標準的無線通信協議下對電臺的小區切換流程進行優化，可大大降低CTCS-3級列控系統中FRMR幀引起的無線通信超時故障。如在基站側也做類似電臺的優化處理，既可在接收方杜絕因無線業務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部機制引發亂序的RR幀，從而理論上可完全杜絕FRMR幀引起的無線通信超時。在實際工程應用中，通過采用該電臺小區切換流程優化方案，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濟效益。