CTCS-3级列控系统无线超时问题分析

王 猛 周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

CTCS-3级列控系统无线超时问题分析

王 猛 周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

基于GSM-R网络实现车地信息传输的CTCS-3级列控系统在国内取得快速发展，现场运用中发现，无线超时是影响CTCS-3级列控系统运用质量的一类主要问题。从无线超时的原因分类出发，结合目前在用的接口监测系统，以及新加装的Datalogger和Um接口监测设备，以一些典型问题为例，详细介绍无线超时问题的分析方法，对指导无线超时问题的分析解决，提高CTCS-3级列控系统的运用质量，具有重大现实意义。

CTCS-3；无线超时；GSM-R网络

1 概述

在CTCS-3级列控系统中，车载设备通过控制无线模块，以GSM-R网络为传输媒介实时与轨旁设备进行信息交互，向RBC汇报列车位置等信息，从RBC获取移动授权、线路参数、临时限速等信息，按照目标-距离模式生成MRSP最不利限制曲线，进行超速防护，监控列车安全运行。因此，车地信息传输的可靠性和安全性对于CTCS-3级列控系统至关重要。

CTCS-3列控系统无线超时，即车载在T_ NVCONTACT时间内未收到任何来自RBC的应用层消息。无线超时发生后，车载ATP将通过DMI提示司机无线连接超时，同时控制列车输出最大常用制动。现场运用中发现，无线超时是影响CTCS-3级列控系统运用质量的一类主要问题。该类问题在国外ETCS 2级列控线路上也有发生，是目前国内外高速铁路面临的一个共同技术难题。CTCS-3级列控系统发生的无线超时，是CTCS-3列控线路中影响列车运行效率的重要因素之一。如何准确分析和定位“无线超时”故障的原因，是解决问题的前提。

随着武广、京沪、哈大、京石武、沪宁、沪杭、郑西等一系列高速铁路的开通和投入运营，积累了大量无线超时数据。但无线超时的故障定位和分析往往是信号侧和通信侧各自进行，对一些疑难问题的分析联动机制不够，故障分析定位、数据记录手段、分类及解决措施等还有待在实际工作中不断融合。

2 无线超时原因分类

CTCS-3级列控系统包括车载设备、GSM-R网络和地面设备3部分。GSM-R网络为车载设备和地面设备间的数据实时传输提供通道。CTCS-3级列控系统结构如图1所示。

GSM-R采用开放式的无线网络，安全数据在GSM-R网络上采用透明的电路域数据交换模式进行传输。由于车载与RBC之间的数据以无线方式传输，在传输过程中，一方面可能会因为外界的干扰信号，导致出现误码、丢包等现象；另一方面，无线数据在GSM-R网络传输时，未启用无线空中接口的加密功能，且由于频点受限，GSM-R网络没有引入跳频技术，无线数据在传输过程中存在被侦听、篡改和攻击的风险。传输的数据一旦遭到非法入侵，假冒给列车发送非法的行车许可信息，会给列车的稳定运行带来较为严重的安全隐患。

图1　CTCS-3级列控系统示意图

图2　GSM-R网络各子系统组成

CTCS-3级列控系统通过车载安全通信单元和RBC安全通信单元实现车地数据的安全、可靠传输。车载侧和地面侧采用相同的安全通信协议，实现对等层间的通信。CTCS-3级列控车载安全传输单元从功能上分为安全层、传输层、网络层、HDLC层和物理层。其中，安全层遵循ERTMS Subset-037协议，负责实现信源认证、端到端认证、安全连接管理、数据加密解密等功能。传输层遵循ITU-T X.224协议，主要在网络层的服务基础上向安全层提供有效、可靠的端到端连接服务，增强网络层提供的服务质量，具体功能包括连接建立、数据传输、释放连接、流量控制和差错控制。网络层遵循ITU-T T.70协议，主要完成网络连接的维护和管理。HDLC层遵循ISO 7776协议，主要完成链路连接的建立、拆除、分离，同时负责数据传输过程中的顺序控制、流量控制、差错检测及恢复。此外，还有一个GSM-R无线模块控制和管理模块，负责通过AT指令查询MT模块的工作状态，并根据工作状态选择合适的MT模块发起呼叫和挂断。

GSM-R网络设备大致可分为3大部分：网络子系统（包含移动交换子系统SSS、智能网子系统IN、GPRS子系统）、基站和传输子系统（BSS）、运行和支持子系统（OSS）。各个子系统的组成如图2所示，其中标有灰底色的部分是与CTCS-3级列控系统车地信息传输相关的设备。

CTCS-3级列控系统涉及的车地通信设备众多，各个接口协议栈较为复杂，任何一个相关环节出现异常，都能导致车地传输超时问题的发生。按照设备类型，可将无线超时原因划分为以下4大类：

1）车载相关问题，主要包括MT模块软硬件、车载安全通信单元、车载应用层、司机操作等问题；

2）GSM-R网络相关问题，主要包括无线干扰类问题、BTS和BSC相关设备异常、MSC相关设备异常、传输子系统异常、用户操作问题等；

3）地面信号设备相关问题，主要包括RBC安全通信单元问题、RBC应用层相关问题、联锁等RBC相关接口设备问题等；

4）其他结合部问题，主要包括MT模块与SIM卡匹配类问题、MT模块与GSM-R网络适配类问题、其他未明原因的Um接口相关问题、MSC 与RBC侧接口相关问题等。

3 无线超时问题的分析手段

自2007年青藏线基于GSM-R网络实现车地通信的ITCS系统开通后，无线超时问题一直是影响和困扰列控系统无线传输可靠性的一大关键问题。

一方面，为解决列控系统无线超时问题，国内相关厂家先后研制Abis、A、PRI 3个接口监测系统，在各条线路投入使用，为CTCS-3线路的技术攻关、运行试验、联调联试、运营维护、故障分析、网络优化等工作提供了详细数据支撑，是CTCS-3线路必不可少的分析诊断工具。通过传统的PRI、Abis和A接口监测系统，以及RBC侧记录日志和车载设备安全通信单元、JRU记录数据的分析，定位和解决了大量CTCS-3列控系统的无线超时问题。

另一方面，车载安全传输单元和MT模块均为小型化的嵌入式设备，记录功能较为有限。由于缺乏MT模块相关的记录以及车载相关的Igsm-r接口监测数据，传统的3个接口监测设备尚未形成完整的数据闭环，导致部分MT模块、Um接口相关的故障无法准确定位，部分问题无法区分是车载原因，还是GSM-R网络相关原因。

2016年1月，铁路总公司组织相关厂家发布CTCS-3级列控车载设备Igsm-r、Um接口监测系统技术条件，通过在既有动车组车载侧逐步加装相关监测设备，形成完善的CTCS-3级列控系统接口综合监测系统，实现了对整个车-地数据传输过程的闭环监测。监测系统的总体结构如图3所示。

通过Igsm-r接口、Um接口和Datalogger数据的采集，实现了对MT模块和BTS侧设备空口数据接收和发送情况的分析，能够定位传统3个接口监测设备无法解决的一些问题盲点。

图3　CTCS-3级列控系统接口综台监测系统

4 传统三接口监测数据分析定位超时问题

4.1车载相关问题：300T车载安全通信单元异常发送DISC拆链

该类问题发生时，Abis接口显示上、下行接收质量和接收电平无明显异常，PRI接口监测数据显示车载应用层未发送Msg39且安全层未发送DI，通过HDLC层直接发送DISC帧，与RBC断开连接，导致无线连接超时。该问题发生后，大部分情况下会导致后续交路无法正常转回CTCS-3级运行。

通过车载侧安全通信单元记录数据分析，故障发生时报告安全通信单元内部的以太网通信出现异常。部分原因是由于安全通信单元的以太网接线问题导致，进行紧固或更换后解决；部分原因是由于安全通信单元内部通信异常导致，更新新版安全通信单元安全通信单元软件后解决。

4.2RBC相关问题：移交过程中RBC-RBC通信超时

车载在RBC移交过程中，RBC-RBC间的通信超时，移交RBC不再向车载发送任何数据，导致无线连接超时。通过对RBC通信机制进行深入分析，在列车进行RBC-RBC交权过程中，会出现RBC之间交权信息因安全通信协议TTS校时失败导致消息丢弃的情况，在消息丢弃后导致RBC之间交权通信超时。

按照RBC侧的设计，当RBC之间交权通信超时后，移交RBC为了避免列车无法正常行驶通过交权边界，移交RBC会停止向列车发送任何应用消息，最终造成列车无线超时降级CTCS-2级运行。在京沪开通时，该问题发生概率较高。结合京沪通信超时的数据分析，认为通信网络的延迟存在波动，且RBC内部配置参数过于严格，造成RBC之间的消息有效性检查失败，因此将RBC中的延迟参数从0修改为50。按照该参数修改实施后，该现象得到有效抑制，但未彻底解决。

针对该问题进一步分析，发现延迟参数改成50的分析只考虑了网络延迟波动影响，而忽略了RBC时间参数机制影响。根据RBC处理消息周期内时间偏差分析情况，初步确定对延迟参数重新进行补偿，将延迟参数从50调整为100，可解决该问题。

4.3GSM-R网络相关问题：基站单通类问题

该类问题发生时，Abis接口显示上、下行接收质量和接收电平无明显异常。PRI接口监测数据显示RBC侧安全通信单元连续发送多个RR命令帧（参数一般配置为5），均未收到车载的回复，而后连续发送SABME帧，均未收到车载的回复，RBC侧安全通信单元发送Disconnect断开连接，且在一段时间内不同车体在同一个小区会多次发生该问题。

经GSM-R网络侧深入分析，该类超时发生时，相关呼叫均使用同一Abis接口传输子时隙，确认为基站设备问题导致单通，即RBC侧发送的数据能够正常通过GSM-R网络送达车载侧，但车载发送的数据无法正常送达RBC侧，将相应基站的故障时隙锁闭后，恢复正常。

5 Datalogger和Um监测数据深入分析结合部问题

随着部分车体逐步加装Datalogger、Igsm-r 或Um接口监测设备，实现对车载侧相关记录数据的采集。通过相关记录数据分析，查明了部分多发的车地信息超时问题的原因并采取措施解决，部分问题有待进一步深入分析。

5.1MT模块与GSM-R网络间包含BCCH分配信息的系统消息适配问题

2011年7月，广深港客专联调联试期间发现，采用Funkwerk MT模块的300T车载无线超时问题较为突出。通过Abis监测数据分析，大部分问题是由于MT模块上报给基站的测量报告中往往不包含前方需接入基站的下行BCCH信号，无法正常执行越区切换，最终导致无线连接中断。该问题在之前开通的武广、京沪等线路未曾发生。

通过加装MT模块Datalogger记录数据分析，发现故障原因与华为和诺西GSM-R网络下发的含有相邻小区BCCH分配信息的系统消息不同有关。具体对比如表1所示。

表1　不同GSM-R网络分配邻小区BCCH的系统消息对比表

根据3GPP协议0408 Phase2+的规定，系统消息2和系统消息5必须发送，通过相关bit指示是否下发了2 bis/5 bis消息。国内GSM-R为E-GSM频段，在系统消息2/5或2 bis/5 bis下发邻区信息都是正确的。系统消息2ter/5ter作为系统消息2/5或2 bis/5 bis的扩展邻区信息指示，属可选消息，即无论是否发送2ter/5ter系统消息，都符合3GPP相关规范的规定。

通过实验室测试分析确认和现场验证，华为GSM-R网络侧关闭了系统消息2ter和5ter，解决了该问题。而后MT模块侧组织对软件进行更新，增强了对不同BCCH信息分配的适应性，该问题在后续开通的线路中未再发生。

5.2MT模块与SIM卡间的匹配性问题

通过采集Igsm-r接口监测数据分析，部分MT模块在运行过程中，无法成功检测到SIM卡或报告SIM卡错误，单MT工作导致在RBC移交位置发生无线超时。该类问题的故障现象如下。

1）部分故障在通信侧Abis接口监测能够看到IMSI DETACH INDICATION信令。

2）Datalogger或Igsmr设备监测到+CME ERROR：10（SIM卡未插入）或+CME ERROR：15（SIM卡错误）。

该问题属于SIM卡与MT模块间的匹配性问题，在各个型号的车载MT模块都有发生。故障原因可能有：

1）MT模块卡槽与SIM卡匹配不良，导致SIM卡松动；

2）SIM卡长时间工作后出现异常，导致无法与MT正常进行数据交互；

3）MT模块与SIM卡交互部分工作异常。

经MT模块厂家多次沟通确认，MT模块SIM卡槽符合UIC相关规范的规定，在国外应用中未发现该类问题。针对该问题，与路局沟通，在现场大多数MT模块SIM卡槽上增加不干胶贴纸，提高MT模块与SIM卡的匹配性，但加装后问题未完全消除。

针对该问题，需组织开展MT模块和SIM卡的兼容性测试和拷机测试，分析高、低温等环境条件下SIM卡与MT模块的匹配性，同时建议相关厂家加强对GSM-R网络专用SIM卡物理性能的检测分析和出厂管理。

5.3未明原因类无线链路失败问题

该类问题在武广线发生较多，在各型车载设备上均有发生，可分为两大类。

1）小区切换前后未知原因的无线链路失败

该类问题又可以结合故障现象，分为以下两个子类：

小区切换后上行质量7级，但上行电平正常，在广铁管内LDN-SYB11小区最为突出，2015年6 至12月累计共发生6次；

小区切换后下行质量7级，但下行电平正常，在广铁管内HSX-HYD12小区最为突出，2015年6至12月累计共发生11次。

该问题与MT模块和基站间的空口交互有关，目前尚未采集到有效的Datalogger或空口数据，无法定位准确原因。

2）非小区切换前后未知原因的无线链路失败

接口监测数据显示无线连接异常中断，原因为“Radio link failure”，该类问题未发生在越区切换失败过程中。经分析，原因可能有：

BTS侧上行无线链路失败导致通信中断，MS 侧MM层连接保持，重新建立呼叫；

BTS侧上行无线链路失败导致通信中断，MS 侧RLTO定时器超时，MS退出专用模式，在BTS无线链路释放后，发起位置更新或IMSI附着；

MS侧下行无线链路故障，RLTO定时器超时导致通信中断，BTS侧上行无线链路失败，MS退出专用模式，在BTS无线链路释放前，发起位置更新或IMSI附着；

BTS侧上行无线链路失败，MS退出专用模式，但因缺少空口监测数据无法判断上下行无线链路故障的先后顺序。

该问题同样需要采集Datalogger或空口数据，进一步深入分析。

6 结语

通过长期的数据积累分析，通信、信号侧的无线超时分析及问题处理水平不断提升，车载设备、GSM-R网络和RBC侧也都经过努力，解决了一批频繁发生的导致无线超时问题，使得国内无线超时数量逐年下降，呈现收敛趋势。

我国的高速铁路从北到南，横跨了多个气候带，各类设备的工作环境差异较大，地形地貌的复杂性也加剧了GSM-R无线网络环境的复杂度。由于无线超时涉及的环节众多，通信协议复杂，在监测数据未形成闭环的情况下，部分问题难以得到准确定位。近年随着监测手段的不断增强，前期因监测数据不足难以定位和解决的部分问题，深层次的原因也逐渐浮出水面，为问题的解决指明了方向。随着分析和整治工作的不断深入，可以预见，我国CTCS-3级列控系统的无线超时问题必然能够得到有效控制，运营质量也将处于世界领先水平。

［1］铁总运［2016］15号 CTCS-3级列控车载设备Igsmr、Um接口监测系统技术条件（V1.0）［S］.

［2］郭媛忠.CTCS-3级列车运行控制系统无线超时故障分析［J］.铁道通信信号，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

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题项目（2015X001-C）

2016-04-21）