基于自主化電臺的CTCS-3級列控系統無線通信超時分析

李志越

一直以來，CTCS-3級列控系統車載設備中的移動終端［1-2］（Mobile Terminal，MT）（也稱“車載電臺”）技術被國外廠家壟斷，造成核心技術受制于人，在問題的分析、新需求的跟進等方面對我國CTCS-3級列控系統的發展形成了嚴重的技術屏障。2015年，國鐵集團組織國內各設備廠家開展車載電臺技術攻關，目的是實現車載電臺自主化，并根據現實需求增加電臺日志記錄等功能，彌補現有國外電臺存在的不足。自主化電臺自2019年在天津電務段試用以來，為無線通信超時分析提供了有效的數據支撐，成為解決該問題的有力抓手，大大提升了電務段CTCS-3級列控系統的運維效率。本文主要介紹自主化電臺的日志記錄功能，該功能可方便追溯故障發生時網絡及電臺的狀態，有利于快速、精準地定位出無線通信超時的根本原因。

1 自主化電臺日志記錄功能

自主化電臺采用具有完全自主知識產權的GSM-R 協議棧，該協議棧框架見圖1，分為非接入層、接入層和物理層。其中，非接入層包含：①AT 子層，負責處理ATP 的AT 指令及向ATP回復響應；②CC子層，負責處理ATP呼叫請求或掛斷請求；③SIM 卡管理子層，為GSM-R 協議棧的各子層與SIM 卡交互提供讀、寫、查詢接口；④MM子層，實現網絡選擇、網絡注冊鑒權加密和連接管理功能。接入層主要是無線資源實體（Radio Resources entity，RR）子層，實現小區選擇、小區重選、小區切換、信道切換、信令解析及小區測量等功能，保證電臺和GSM-R 網絡間可靠的無線連接。物理層主要實現編/解碼、調制/解調、信道均衡、交織/去交織等功能。

圖1 自主化電臺GSM-R協議棧框架

電臺記錄的內容非常豐富，主要包括：①Igsm-r接口［3］上的命令和數據交互；②電臺與SIM 卡間的數據交互；③電臺與GSM-R 網絡間的Um接口上的數據交互；④電臺對GSM-R 網絡覆蓋情況的監測［4］等。自主化電臺將這些數據通過日志實時完整地保存，事后可通過日志準確查找和追溯無線通信超時的真實原因。

2 典型案例分析

2.1 干擾導致的單電臺故障

2021年4月16日，天津電務段配屬的CRH380 BL-5518動車組在擔當某次運行交路時，01 端在天津站停車待發時發生單電臺故障。結合電務段歷史統計數據，多年來不同車型列車在天津站都發生過無線通信超時故障，因故障呈現偶發性，也缺少電臺數據，無法深入分析原因，最后都判定為電臺性能異常所致。

此車裝有自主化電臺，MT2 掉網日志見表1。由表1 可以看出，電臺在14：06：31 正常注冊到BCCH 頻點為1006 的服務小區，駐網13 min 后，ATP 通過“AT+CREG？”查詢電臺狀態，電臺回復“+CREG 0，2”，表示掉網，ATP 報單電臺故障。

表1 MT2掉網日志

MT2 掉網前后監測到服務小區的下行信號強度及駐網狀態見表2。從表2 可以看出，電臺附著在BCCH 頻點為1006 的小區，并且測量到該小區下行信號強度在-51～-56 dBm 間變化：①當信號強度大于-53 dBm 時，ATP 查詢電臺狀態，電臺回復“+CREG：0，1”，ATP 報MT2 駐網成功；②當信號強度為-54 dBm 時，ATP 查詢電臺狀態，電臺回復“+CREG：0，1”，ATP 報MT2 駐網成功，但電臺下行鏈路失敗告警；③當信號強度低于-54 dBm 時，ATP 查詢電臺狀態，電臺回復“+CREG：0，2”，ATP報單電臺故障。

從表2 還可以看出，同時間段MT1 下行信號強度均高于-53 dBm，ATP查詢電臺狀態，電臺回復“+CREG：0，1”，ATP報MT1駐網成功。

表2 下行信號強度及駐網狀態

通過上述MT1和MT2在同時間段接收同一個基站的信號強度對比可得出：當服務小區（BCCH頻點為1006 的小區）下行信號低于-54 dBm 時，電臺解碼時誤碼率很高，導致電臺解析系統消息失敗而掉網。

按照3GPP 協議［5］，電臺掉網后，會啟動搜網流程重新搜網。MT2 電臺在BCCH 1006 小區掉網后，在4 MHz 的GSM-R 頻段內重新選擇6個信號強度最強的頻點去嘗試駐網，MT2 電臺2 次搜索到的最強8 個頻點為1000、1002、1003、1006、1007、1008、1009 和1016，見表3。電臺監測到這8 個頻點的信號強度基本相當，但這些頻點配置明顯不符合GSM-R 網絡要求，確定在BCCH 頻點為1006 的小區位置，整個GSM-R 頻段底噪被抬升，存在嚴重干擾，這種類型的干擾源一般是公網強信號阻塞干擾或基站發射雜散干擾［6］。

表3 MT2電臺掉網后搜索到的信號強度最強的GSM-R頻點

為進一步確定干擾源，電務段聯合通信段、網絡設備廠商及電臺廠商共同進行現場排查。首先排查公網潛在干擾，對GSM900 公網頻段頻譜進行掃頻，掃頻結果見圖2。圖2中最強的信號強度為-60 dBm，這種強度的信號不會對鐵路GSM-R 頻段造成阻塞干擾；但發現整個GSM900公網頻段的底噪明顯異常，高達-70 dBm。其次排查GSM-R 網內潛在干擾，對GSM-R 頻段開展全頻譜掃描，掃描結果見圖3。由圖3可見，在GSM-R頻段內信號最強小區的頻點為1006，信號強度為-70 dBm，未見有同頻、鄰頻、阻塞和互調等干擾，但整個GSM-R 頻段也存在-75 dBm 的強底噪。最后測量列車尾部至列車頭部BCCH 1006小區的下行信號強度變化，以驗證電臺掉網與列車停靠位置間的關系，測量結果見圖4。從圖4 可以看出，BCCH 1006 小區的信號強度在列車頭部位置最弱，最容易受強底噪干擾［7］，導致電臺掉網，引發單電臺故障。

圖2 GSM900公網頻點信號強度分布

圖3 GSM-R頻點信號強度分布

圖4 BCCH 1006小區下行信號強度分布

因不同列車在股道內停靠位置存在些許差異，導致電臺在干擾強的位置接收的下行信號強度低于-54 dBm，引發電臺下行鏈路失敗造成無線通信超時，而在干擾弱的位置接收的信號強度超過-54 dBm，電臺駐網成功，這就造成多年來在此位置總是出現偶發性無線通信超時故障。

經對現場的發射源逐一排查，發現站內某一直放站工作異常，關閉該直放站后，底噪恢復正常，后續該位置未再發生無線通信超時。

2.2 網絡單通

2021 年9 月24 日，電務段配屬裝有自主化電臺的CR400BF-5111 動車組在擔當某次運行交路時，該車00端在K18+661處報無線通信超時。

發生故障時PRI 接口數據見圖5。由圖5 可以得出，在20：28：31—20：28：53 的22 s 內，無線閉塞中心RBC 正常向車載發送數據，但未收到車載發送的數據；在K18+661 處，20：28：53，電臺收到RBC 發送的正常拆鏈DISCONNECT 消息，造成無線通信超時。

圖5 PRI接口數據

對超時前網絡側接口數據進行分析，20：28：31，電臺從BCCH 1004 小區成功切換至BCCH 1010小區，電臺在BCCH 1010小區上/下行電平均正常，上/下行信號質量也均正常，未發現網絡設備異常。

因為當前網絡不具備記錄業務數據的功能，也沒有電臺的日志，電臺在完成小區切換后，PRI接口能夠記錄到RBC 給ATP 發送的數據，無ATP發送給RBC 的數據記錄；A/Abis 接口記錄到衡量網絡無線環境的參數（電平及質量）也均正常。故此類故障之前都被認定為電臺軟件異常，小區切換后不轉發業務數據［8］。

對電臺無線通信超時日志進行分析，見表4，電臺從BCCH 1004 小區切換至BCCH 1010 小區，下行信號及質量均正常，但切換至BCCH 1010 小區后，網絡通信狀態明顯異常，將電臺轉發RBC業務數據的業務信道（TCH）用作快速隨路控制信道（FACCH），在業務信道上長時間持續發送填充幀，造成網絡單通，電臺持續22 s 收不到RBC 發送的無線鏈路層（HDLC）數據［9］，車地數據交互異常，引發RBC 主動斷開通信連接，從而造成無線通信超時。

表4 電臺無線通信超時日志

3GPP 0406 協議［10］規定：如果基站（BTS）在專用控制信道（DCCH）上沒有數據幀發送，基站通過發送特殊格式的UI 幀（無編號信息幀）使專用控制信道保持激活狀態。該特殊格式的UI 幀為填充幀，按照圖6 中定義的填充幀類型，當基站需發送填充幀時，UI 幀中的C 必須設置為1，該UI 幀對應的格式為3 3 1 X X …，與自主化電臺捕獲到的3 3 1 2B 2B …一致。

圖6 填充幀類型定義

基站使用專用控制信道發送填充幀的前提條件是基站無業務數據發送給電臺。但在無線通信超時前，RBC是有發送業務數據的，說明GSM-R網絡中的基站控制器（BSC）并未將這些業務數據轉發給基站，基站發送大量的填充幀，以保證專用控制信道可用。后續通過排查，此次故障是基站控制器和基站間的傳輸異常所致，經過調整后，該基站未再發生此類故障。

3 結論及建議

當前對于多數CTCS-3級列控系統無線通信超時故障的分析，因缺少故障時車載側有效的數據記錄，事后僅通過網絡側數據難以對故障進行準確定位，有時只能預防性地更換電臺，但無法從根本上解決問題，而這又給現場帶來諸多次生作業風險。通過自主化電臺實時日志功能可準確回溯到無線通信超時故障時的狀態，在定位故障的準確性上優勢明顯，能大大提升CTCS-3 級列控系統的運維效率。

后續建議充分利用自主化電臺優勢，結合大數據、人工智能等先進技術，深挖日志數據價值，將全國范圍內GSM-R 網絡的參數配置、網絡覆蓋、小區切換位置、小區重選位置等與CTCS-3級列控系統無線通信超時關聯起來，給設備維護部門提供數據支持，將事后故障分析轉變為超前預防，為降低無線通信超時故障提供有力支撐。