浅析CTCS-3级列控系统无线通信超时中FRMR帧触发及优化建议

程亮，楚颖超

CTCS-3级列控系统基于GSM-R无线通信系统实现列控车载设备（ATP）与无线闭塞中心（RBC）的信息交互,ATP/RBC设备的通信功能模块包含了开放式系统互连参考模型的传输层、网络层和数据链路层［1］。其中,数据链路层遵循HDLC协议,提供了帧同步、差错控制、流量控制和链路管理功能,以保证GSM-R网络传递信息的完整性及正确性。现场发生的C3无线超时故障,部分情况是由设备故障引起,其他多为通信干扰或综合因素导致,并最终反映到数据链路层的信息交互异常上。通过对数据链路层协议的理解深入,结合现场的实际运用,认为数据链路层对FRMR帧的使用机制有改进空间,本文对此展开讨论。

1 FRMR帧的使用

GSM-R无线通信系统中ATP/RBC设备数据链路层HDLC协议主要由ISO/IEC7776:1995定义,根据该协议4.3.9节内容,FRMR帧由数据终端设备DTE（GSM-R无线通信系统中指ATP侧设备）或数据通信设备DCE（GSM-R无线通信系统中指RBC侧设备）通知对方通过重传相同帧也无法恢复的差错状态,即接收到了有效帧（CRC正确）,但不符合协议约束（参考下面FRMR帧信息字段含义）。FRMR帧结构见图1。

图1 FRMR帧结构

FRMR帧信息字段含义［2］如下。

1）被拒绝帧控制字段是引起帧拒绝的帧的控制字段。当被拒绝帧为无编号帧时,被拒绝帧的控制字段应位于1～8b,而9～16b置0。

2）N（S）是发送FRMR的DTE/DCE的当前发送状态变量值（18b为低位）。

3）C/R置1表示被拒绝的帧为响应帧,C/R置0表示被拒绝的帧为命令帧。

4）N（R）是发送FRMR的DTE/DCE的当前接收状态变量值（26b为低位）。

5）W置1表示接收到的且在1～16b送回的控制字段没有定义或不能实现。

6）X置1表示接收到的且在1～16b送回的控制字段被认为是无效的。该帧包含了不允许的信息字段,或是该帧是具有不正确长度的监控帧,W与X同时置1。

7）Y置1表示所收到的信息字段超过了DTE/DCE的最大设定容量。

8）Z置1表示所接收到的且在1～16b内送回的控制字段包含了无效的N（R）。

依据《CTCS-3级列控系统无线通信功能接口规范》（Q/CR 604—2017）8.2.2.7节:FRMR帧接收端应发送DISC进行响应,即在数据链路层直接触发拆链行为,以便尽快建立新的连接以恢复通信［3］。

2 C3无线通信中FRMR帧触发场景

基于全路2020年9月—2021年2月C3无线超时故障导致系统降级统计,某型号ATP设备因FRMR帧导致的无线超时降级共计63件,其中FRMR帧Z=1、N（R）编号无效引起的较多,其他类型的FRMR帧均有发生,但占比较低。

2.1 Z=1场景分析

小区切换阶段,ATP侧Igsm-r接口记录ATP上行方向发送RR监控帧,N（R）编号为109→110→111,ATP侧Um接口记录与Igsm-r接口记录一致,但PRI接口记录增加一条上行方向发送的RR监控帧N（R）=110,如图2所示,最终RBC接收到的N（R）编号为109→110→111→110,N（R）编号存在回退现象。因此,RBC发送FRMR帧（Z=1）,该类型问题在现场最为突出。

图2 FRMR帧（Z=1）示例

2.2 W=1场景分析

小区切换阶段,PRI接口记录RBC发送SREJ选择性拒绝帧（原始信息:7E 03 0D 12 43 AA 7E,地址为03）,要求ATP重传N（S）=9的Ⅰ帧,如图3所示。根据Q/CR604—2017 8.2.2.10节,SREJ选择性拒绝帧应仅作为响应帧发送。RBC发送响应帧时,地址位应为自身地址01而非ATP地址03,RBC发送的SREJ地址为03,会导致ATP参照命令帧格式识别控制字段时,判定控制字段为未定义,从而发送FRMR帧拒绝（W=1）。

图3 FRMR帧（W=1）示例

参考ISO/IEC 7776标准5.1节,数据帧地址位填充原则见表1。

表1 地址位填充原则

2.3 W=1，X=1场景分析

小区切换阶段,PRI接口记录RBC发送RR监控帧（原始信息:7E 01 01 16 7F F0 7E,RR监控帧固定长度7B）,准备接收N（S）=11的Ⅰ帧；但Igsm-r接口实际记录信息为7E 01 01 16 07 7E,对应长度变为6B,如图4所示,RR帧长度不符合要求（数据通过了CRC校验,即发生了CRC漏检［4-7］）。因此,ATP发送FRMR帧拒绝（W=1,X=1）。

图4 FRMR帧（W=1，X=1）示例

2.4 Y=1场景分析

小区切换阶段,PRI接口记录RBC发送N（S）=48的I帧（原始信息:7E 03 60 D2 01 80 85 90 E0 1A 47 0C 61 C0 1B 8E 1A C3 83 E5 1C 39 87 03 34 38 79 0E 05 8C 71 06 1C 17 A0 E2 2C 38 80 DA 7E,长度为41B,解析为Addr=3,N（S）=48,N（R）=105,P/F=0）,ATP侧Igsm-r接口实际记录信息为:7E 03 60 D2 01 80 85 90 E0 1A 47 0C 61 C0 1B 8E 1A C3 83 E5 1C 40 04 02 84 30 84 10 E7 24 47 71 32 44 F2 25 96 0D 12 49 01 00 34 41 C4 98 70 65 63 40 B0 E2 A8 37 90 00 01 43 89 79 00 18 D3 05 95 AE 05 06 3B 03 88 FC 05 07 3E 9D 7E,长度为77B,如图5所示,长度超过最大限制值（数据通过了CRC校验）。因此,ATP发送FRMR帧拒绝（Y=1）。

图5 FRMR帧（Y=1）示例

3 FRMR帧拒绝机制的改进

3.1 HDLC协议差错处理机制

GSM-R无线通信链路涉及诸多环节,考虑频繁的小区切换、通信干扰等因素,在通信过程中不可避免地会出现数据帧丢失或出错,在HDLC协议中可通过T1定时器及SREJ帧实现数据的重传,以ATP侧为例进行说明。

1）T1定时器机制。ATP发送I帧后,会启用T1定时器（时间配置范围0.8～2 s,实际运用中配置为2 s）。在T1定时器超时前,若接收到RBC的确认,如ATP无其他I帧需RBC确认,则停止T1定时器；如ATP尚有其他I帧未得到RBC确认,则复位T1定时器,继续监督已发的紧邻I帧。如T1定时器超时,则ATP向RBC发送P=1的RR探寻帧,待接收到来自RBC的F=1的RR响应帧后,根据N（R）编号,ATP重传所有未确认的I帧。如果T1定时器连续尝试N2次（实际运用中配置为5次）后仍未恢复,ATP执行拆链行为。

2）SREJ帧使用机制。当ATP从RBC接收到的信息帧N（S）编号不连续时,将向RBC发送SREJ帧,要求重传中间缺失的信息帧。

3.2 上层协议差错处理机制

1）ATP/RBC的传输层会对传输协议数据单元（TPDU）的包号、类型、参数等信息进行检查,出现异常后传输层向对方发送差错TPDU（ER）,由对方发起拆链请求。

2）ATP/RBC的安全层会对安全协议数据单元（SaPDU）的长度、消息验证码（MAC）进行检查,出现异常后安全层向对方发送DI信息触发拆链。

3）ATP应用层依据《CTCS-3级列控车载设备技术规范》（Q/CR 744—2020）对接收到的无线报文进行消息一致性检查［8］,当检测到异常时丢弃该消息；当连续T_NVCONTACT（时间配置范围10～20 s,当前配置为20 s）未接收到RBC发送的无线消息时,ATP输出最大常用制动,如底层连接尚未断开,则安全层发送DI信息触发拆链,并尝试建立新的无线连接。

3.3 FRMR帧拒绝机制

CTCS-3级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功能［9］。如图6所示,数据链路层归属于CFM模块,对该层协议进行修改不涉及安全层、应用层等上层安全功能模块。

图6 ATP/RBC之间协议栈

基于HDLC协议既有的纠错处理机制和上层协议的防护,数据链路层当前因FRMR帧拒绝机制触发的直接拆链行为降低了系统可用性,建议改进如下:设置合适的阈值,当数据链路层监测到FRMR帧触发时进行计数,如计数值不大于阈值,ATP/RBC设备增加报警信息并记录接收到的异常信息帧,但不使用该异常信息帧且不向对方发送FRMR帧触发拆链,依靠T1定时器机制或发送SREJ帧重新获取正常信息,通信恢复正常后复位计数值；如计数值超过阈值,则向对方发送FRMR帧触发拆链。

4 结束语

作为中国国家铁路集团有限公司重点整治问题之一的CTCS-3级列控系统无线超时问题,是一个系统性问题,涉及车载、通信、地面设备诸多环节。本文对由于数据链路层FRMR帧拒绝机制触发拆链的场景进行了归纳,从HDLC协议的角度提出优化建议,现已组织相关设备厂家进行研究,以期解决因FRMR帧拒绝引发的无线超时问题。