HDLC协议在分析CTCS－3无线通信超时中的应用

王开锋 高尚勇 高 媛

CTCS－3级列控系统是我国时速300km及以上级别客运专线、高速铁路的重要技术装备，CTCS－3级列控系统基于GSM－R无线通信系统实现车－地信息双向传输，采用无线闭塞中心 （RBC）生成行车许可、轨道电路实现列车占用检查、应答器实现列车定位。在CTCS－3级线路中，采用CTCS－2级作为CTCS－3级的后备系统，当无线通信超时，转为CTCS－2级列控系统控制列车运行。CTCS－3降级至CTCS－2虽然不会影响列车安全，但会降低列车运行速度，影响铁路运营秩序。CTCS－3级列控系统的结构和功能较为复杂，涉及到通信和信号二个专业。当出现无线通信超时故障时，判断故障的归属、分析和定位故障的原因是电务部门日常运营维护的重点工作之一。

1 RBC与ATP之间通信接口

CTCS－3无线通信系统可划分为安全功能模块（SFM）和通信功能模块 （CFM），SFM提供安全相关传输系统的功能，CFM提供基于GSM－R网络的电路交换承载业务的通信系统功能，协议栈如图1所示。

图1 RBC与ATP之间通信协议栈

GSM－R网络为车－地之间安全相关数据的传输提供双向、实时数据传输通道，采用异步透明传输模式。GSM－R是一个开放的系统，不提供差错控制、流量控制、安全认证等功能，这些功能由上层协议来实现。

数据链路层采用HDLC协议，提供帧同步、差错控制、流量控制和链路管理功能，在二个通信实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理，保证数据完整、准确的传输，将GSM－R网络提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路。网络层主要提供B／Bm协议栈和信令协议栈之间的同步机制，必要时执行第三层的拆包／组包工作。传输层采用传输规程类型2（TP2），不使用差错检测及恢复，必要时执行第4层的拆包／组包。安全层提供安全连接建立功能和连接期间的安全数据传输功能，保证数据完整性和数据真实性。

从RBC与ATP通信协议栈可以看出，车地之间数据通信的完整性和正确性主要是由数据链路层提供的，数据链路层也是直接与GSM－R网络交互的层次，因此对HDLC协议进行深入研究，对于分析和定位CTCS－3无线通信超时的原因具有重要意义。

2 HDLC协议分析

在CTCS－3线路中，普遍配置了GSM－R网络Abis、A、PRI接口监测系统，这是目前CTCS－3无线通信超时的主要分析工具之一。该系统可以对二类信息进行采集和处理，一是来自Abis、A和PRI接口的网络信令，二是来自PRI接口的业务数据。因此，可以从网络信令和业务数据二个层面分析无线通信超时故障。

对于GSM－R网络问题引发的故障，通常在各接口信令有所体现，如通话质量差、接收电平低、移动台掉话、越区切换异常、拆线原因值异常等。然而，仅从网络信令层面上并不足以分析所有无线通信超时的原因。某铁路局管内高速铁路2014年第一季度CTCS－3降级情况统计结果显示，属于信号方面原因共计117次，占比61%；属于通信方面原因共计54次，占比28%，属于不明原因共计22次，占比11%。对于许多无线通信超时故障，从GSM－R网络信令过程及移动台测量报告上看并没有任何异常现象，此时需要对PRI接口的业务数据进行分析，而对其中数据链路层HDLC协议的分析是其中的重点。

2．1 链路的建立与释放

在CTCS－3中，HDLC层采用扩充异步平衡模式，链路两端的通信实体具有对等的能力，主叫系统 （即ATP）作为DTE，被叫系统 （即RBC）作为DCE，DTE负责链路的建立和释放。只有DTE可以发送SABME帧建立链路，但其他系统可以主动释放连接，通信流程如图2所示。

图2 HDLC链路建立及释放

正常情况下，列车注册、CTCS－2级转CTCS－3级、RBC切换时会发起链路建立过程，列车注销、CTCS－3级转CTCS－2级、RBC切换时会发起链路释放过程。

2．2 数据的传送过程

除高优先级数据外，HDLC层使用I帧发送数据，Ⅰ帧包含了发送序号N （S）字段，取值范围为0－127。接收方收到Ⅰ帧后，需要对该信息帧进行确认，如果此时接收方有数据要发送可以使用Ⅰ帧捎带应答，否则使用S帧应答。I帧和S帧都包含接收序号N （R），N （R）表示期望接收帧的序号，同时暗含序号小于等于N （R）－1的帧都已正确无误的接收。HDLC采用滑动窗口协议，发送方不必等待确认便可连续发送数据，接收方可以对多个Ⅰ帧累积确认，通信流程如图3所示。

如果HDLC层数据传送正常，则可以反应出此时GSM－R能够正常的为上层提供服务，若此时通信的任何一方突然释放连接，进而引发无线通信超时，说明故障出现在协议栈的数据链路层或以上层次。

图3 正常数据传送过程

2．3 差错处理

GSM－R网络不为上层数据传输提供安全保证，数据在传输过程中面临丢失、重复、乱序、延迟等威胁，数据链路层则具备差错检测的能力，并采取措施对差错进行纠正。CTCS－3中采用选择重发策略实现数据重传，如图4（a）所示，当接收方检测到某帧数据丢失，发送SREJ帧要求发送方发送需要重传的I帧。

图4 HDLC差错处理

如果接收方的确认帧丢失或发送方短时间内没有数据要发送，发送方无法知道发送的数据帧是否被正确接收，进而导致传输过程停滞。为了避免这种情况，HDLC协议中设置了T1定时器，每发送1帧数据均启动T1定时器。如图4（b）所示，当T1定时器超时，发送方发送P位置1的监控命令帧探询接收方状态，接收方回复F位置1的监控响应帧，接收方随后重传超时的数据帧，最大重传次数为N2。CTCS－3中T1为0．8～2s，N2建议值为5。

由于GSM－R硬切换机制和无线环境易受干扰等因素的影响，通信的过程不可避免会的出现短时传输中断，如果此时数据链路层有数据帧正在发送，会导致数据帧丢失或出错，HDLC的差错处理机制可以实现数据重传和超时重发，正常情况下不会影响上层应用。如果车地通信的某一方或双方长时间无法正常传送数据帧，重传次数达到N2会导致数据链路层连接断开，进而导致CTCS－3无线通信超时，此时需要结合GSM－R网络信令和相关设备日志进一步分析故障原因。

HDLC协议中还有一个很有用的帧FRMR，CTCS－3中不允许连接重建，任何一方收到FRMR帧后用DISC帧响应，导致链路断开。HDLC协议中有4种情况会发送FRMR帧：①收到未定义的或不能实现的命令或响应帧控制字段；②收到信息字段超过设定的最大长度的I帧；③收到无效的N（R）；④收到不允许具有信息字段但却包含信息字段的帧。由此可见，收到FRMR帧导致的链路断开，一般是HDLC通信实体工作异常所致。

3 结束语

本文对RBC与ATP通信协议栈的数据链路层通信链路的建立、维持、释放和差错处理等机制进行了深入分析，阐述了在业务数据层面分析CTCS－3无线通信超时的方法，为CTCS－3无线通信超时故障的分析和定位提供了思路。

［1］ 中华人民共和国铁道部科学技术司．科技运［2008］34号．CTCS－3级列控系统总体技术方案（V1．0）［S］．2008．

［2］ 中华人民共和国铁道部．运基信号〔2010〕224号．CTCS－3级列控系统无线通信功能接口规范［S］．2010．

［3］ 丁建文，钟章队．基于 GSM－R的CTCS－3级列控系统安全数据传输通信协议栈分析［J］．铁道通信信号，2010，46（9）：8－11．

［4］ 邢小琴．高速铁路GSM－R网络检测／监测数据分析关键技术研究［D］．北京：中国铁道科学研究院博士研究生论文集，2014．