基于自主化电台的CTCS-3级列控系统无线通信超时分析

李志越

一直以来，CTCS-3级列控系统车载设备中的移动终端［1-2］（Mobile Terminal，MT）（也称“车载电台”）技术被国外厂家垄断，造成核心技术受制于人，在问题的分析、新需求的跟进等方面对我国CTCS-3级列控系统的发展形成了严重的技术屏障。2015年，国铁集团组织国内各设备厂家开展车载电台技术攻关，目的是实现车载电台自主化，并根据现实需求增加电台日志记录等功能，弥补现有国外电台存在的不足。自主化电台自2019年在天津电务段试用以来，为无线通信超时分析提供了有效的数据支撑，成为解决该问题的有力抓手，大大提升了电务段CTCS-3级列控系统的运维效率。本文主要介绍自主化电台的日志记录功能，该功能可方便追溯故障发生时网络及电台的状态，有利于快速、精准地定位出无线通信超时的根本原因。

1 自主化电台日志记录功能

自主化电台采用具有完全自主知识产权的GSM-R 协议栈，该协议栈框架见图1，分为非接入层、接入层和物理层。其中，非接入层包含：①AT 子层，负责处理ATP 的AT 指令及向ATP回复响应；②CC子层，负责处理ATP呼叫请求或挂断请求；③SIM 卡管理子层，为GSM-R 协议栈的各子层与SIM 卡交互提供读、写、查询接口；④MM子层，实现网络选择、网络注册鉴权加密和连接管理功能。接入层主要是无线资源实体（Radio Resources entity，RR）子层，实现小区选择、小区重选、小区切换、信道切换、信令解析及小区测量等功能，保证电台和GSM-R 网络间可靠的无线连接。物理层主要实现编/解码、调制/解调、信道均衡、交织/去交织等功能。

图1 自主化电台GSM-R协议栈框架

电台记录的内容非常丰富，主要包括：①Igsm-r接口［3］上的命令和数据交互；②电台与SIM 卡间的数据交互；③电台与GSM-R 网络间的Um接口上的数据交互；④电台对GSM-R 网络覆盖情况的监测［4］等。自主化电台将这些数据通过日志实时完整地保存，事后可通过日志准确查找和追溯无线通信超时的真实原因。

2 典型案例分析

2.1 干扰导致的单电台故障

2021年4月16日，天津电务段配属的CRH380 BL-5518动车组在担当某次运行交路时，01 端在天津站停车待发时发生单电台故障。结合电务段历史统计数据，多年来不同车型列车在天津站都发生过无线通信超时故障，因故障呈现偶发性，也缺少电台数据，无法深入分析原因，最后都判定为电台性能异常所致。

此车装有自主化电台，MT2 掉网日志见表1。由表1 可以看出，电台在14：06：31 正常注册到BCCH 频点为1006 的服务小区，驻网13 min 后，ATP 通过“AT+CREG？”查询电台状态，电台回复“+CREG 0，2”，表示掉网，ATP 报单电台故障。

表1 MT2掉网日志

MT2 掉网前后监测到服务小区的下行信号强度及驻网状态见表2。从表2 可以看出，电台附着在BCCH 频点为1006 的小区，并且测量到该小区下行信号强度在-51～-56 dBm 间变化：①当信号强度大于-53 dBm 时，ATP 查询电台状态，电台回复“+CREG：0，1”，ATP 报MT2 驻网成功；②当信号强度为-54 dBm 时，ATP 查询电台状态，电台回复“+CREG：0，1”，ATP 报MT2 驻网成功，但电台下行链路失败告警；③当信号强度低于-54 dBm 时，ATP 查询电台状态，电台回复“+CREG：0，2”，ATP报单电台故障。

从表2 还可以看出，同时间段MT1 下行信号强度均高于-53 dBm，ATP查询电台状态，电台回复“+CREG：0，1”，ATP报MT1驻网成功。

表2 下行信号强度及驻网状态

通过上述MT1和MT2在同时间段接收同一个基站的信号强度对比可得出：当服务小区（BCCH频点为1006 的小区）下行信号低于-54 dBm 时，电台解码时误码率很高，导致电台解析系统消息失败而掉网。

按照3GPP 协议［5］，电台掉网后，会启动搜网流程重新搜网。MT2 电台在BCCH 1006 小区掉网后，在4 MHz 的GSM-R 频段内重新选择6个信号强度最强的频点去尝试驻网，MT2 电台2 次搜索到的最强8 个频点为1000、1002、1003、1006、1007、1008、1009 和1016，见表3。电台监测到这8 个频点的信号强度基本相当，但这些频点配置明显不符合GSM-R 网络要求，确定在BCCH 频点为1006 的小区位置，整个GSM-R 频段底噪被抬升，存在严重干扰，这种类型的干扰源一般是公网强信号阻塞干扰或基站发射杂散干扰［6］。

表3 MT2电台掉网后搜索到的信号强度最强的GSM-R频点

为进一步确定干扰源，电务段联合通信段、网络设备厂商及电台厂商共同进行现场排查。首先排查公网潜在干扰，对GSM900 公网频段频谱进行扫频，扫频结果见图2。图2中最强的信号强度为-60 dBm，这种强度的信号不会对铁路GSM-R 频段造成阻塞干扰；但发现整个GSM900公网频段的底噪明显异常，高达-70 dBm。其次排查GSM-R 网内潜在干扰，对GSM-R 频段开展全频谱扫描，扫描结果见图3。由图3可见，在GSM-R频段内信号最强小区的频点为1006，信号强度为-70 dBm，未见有同频、邻频、阻塞和互调等干扰，但整个GSM-R 频段也存在-75 dBm 的强底噪。最后测量列车尾部至列车头部BCCH 1006小区的下行信号强度变化，以验证电台掉网与列车停靠位置间的关系，测量结果见图4。从图4 可以看出，BCCH 1006 小区的信号强度在列车头部位置最弱，最容易受强底噪干扰［7］，导致电台掉网，引发单电台故障。

图2 GSM900公网频点信号强度分布

图3 GSM-R频点信号强度分布

图4 BCCH 1006小区下行信号强度分布

因不同列车在股道内停靠位置存在些许差异，导致电台在干扰强的位置接收的下行信号强度低于-54 dBm，引发电台下行链路失败造成无线通信超时，而在干扰弱的位置接收的信号强度超过-54 dBm，电台驻网成功，这就造成多年来在此位置总是出现偶发性无线通信超时故障。

经对现场的发射源逐一排查，发现站内某一直放站工作异常，关闭该直放站后，底噪恢复正常，后续该位置未再发生无线通信超时。

2.2 网络单通

2021 年9 月24 日，电务段配属装有自主化电台的CR400BF-5111 动车组在担当某次运行交路时，该车00端在K18+661处报无线通信超时。

发生故障时PRI 接口数据见图5。由图5 可以得出，在20：28：31—20：28：53 的22 s 内，无线闭塞中心RBC 正常向车载发送数据，但未收到车载发送的数据；在K18+661 处，20：28：53，电台收到RBC 发送的正常拆链DISCONNECT 消息，造成无线通信超时。

图5 PRI接口数据

对超时前网络侧接口数据进行分析，20：28：31，电台从BCCH 1004 小区成功切换至BCCH 1010小区，电台在BCCH 1010小区上/下行电平均正常，上/下行信号质量也均正常，未发现网络设备异常。

因为当前网络不具备记录业务数据的功能，也没有电台的日志，电台在完成小区切换后，PRI接口能够记录到RBC 给ATP 发送的数据，无ATP发送给RBC 的数据记录；A/Abis 接口记录到衡量网络无线环境的参数（电平及质量）也均正常。故此类故障之前都被认定为电台软件异常，小区切换后不转发业务数据［8］。

对电台无线通信超时日志进行分析，见表4，电台从BCCH 1004 小区切换至BCCH 1010 小区，下行信号及质量均正常，但切换至BCCH 1010 小区后，网络通信状态明显异常，将电台转发RBC业务数据的业务信道（TCH）用作快速随路控制信道（FACCH），在业务信道上长时间持续发送填充帧，造成网络单通，电台持续22 s 收不到RBC 发送的无线链路层（HDLC）数据［9］，车地数据交互异常，引发RBC 主动断开通信连接，从而造成无线通信超时。

表4 电台无线通信超时日志

3GPP 0406 协议［10］规定：如果基站（BTS）在专用控制信道（DCCH）上没有数据帧发送，基站通过发送特殊格式的UI 帧（无编号信息帧）使专用控制信道保持激活状态。该特殊格式的UI 帧为填充帧，按照图6 中定义的填充帧类型，当基站需发送填充帧时，UI 帧中的C 必须设置为1，该UI 帧对应的格式为3 3 1 X X …，与自主化电台捕获到的3 3 1 2B 2B …一致。

图6 填充帧类型定义

基站使用专用控制信道发送填充帧的前提条件是基站无业务数据发送给电台。但在无线通信超时前，RBC是有发送业务数据的，说明GSM-R网络中的基站控制器（BSC）并未将这些业务数据转发给基站，基站发送大量的填充帧，以保证专用控制信道可用。后续通过排查，此次故障是基站控制器和基站间的传输异常所致，经过调整后，该基站未再发生此类故障。

3 结论及建议

当前对于多数CTCS-3级列控系统无线通信超时故障的分析，因缺少故障时车载侧有效的数据记录，事后仅通过网络侧数据难以对故障进行准确定位，有时只能预防性地更换电台，但无法从根本上解决问题，而这又给现场带来诸多次生作业风险。通过自主化电台实时日志功能可准确回溯到无线通信超时故障时的状态，在定位故障的准确性上优势明显，能大大提升CTCS-3 级列控系统的运维效率。

后续建议充分利用自主化电台优势，结合大数据、人工智能等先进技术，深挖日志数据价值，将全国范围内GSM-R 网络的参数配置、网络覆盖、小区切换位置、小区重选位置等与CTCS-3级列控系统无线通信超时关联起来，给设备维护部门提供数据支持，将事后故障分析转变为超前预防，为降低无线通信超时故障提供有力支撑。