HDLC協(xié)議在分析CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)中的應(yīng)用

王開(kāi)鋒 高尚勇 高 媛

CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)是我國(guó)時(shí)速300km及以上級(jí)別客運(yùn)專線、高速鐵路的重要技術(shù)裝備，CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)基于GSM－R無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)－地信息雙向傳輸，采用無(wú)線閉塞中心 （RBC）生成行車(chē)許可、軌道電路實(shí)現(xiàn)列車(chē)占用檢查、應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。在CTCS－3級(jí)線路中，采用CTCS－2級(jí)作為CTCS－3級(jí)的后備系統(tǒng)，當(dāng)無(wú)線通信超時(shí)，轉(zhuǎn)為CTCS－2級(jí)列控系統(tǒng)控制列車(chē)運(yùn)行。CTCS－3降級(jí)至CTCS－2雖然不會(huì)影響列車(chē)安全，但會(huì)降低列車(chē)運(yùn)行速度，影響鐵路運(yùn)營(yíng)秩序。CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能較為復(fù)雜，涉及到通信和信號(hào)二個(gè)專業(yè)。當(dāng)出現(xiàn)無(wú)線通信超時(shí)故障時(shí)，判斷故障的歸屬、分析和定位故障的原因是電務(wù)部門(mén)日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)的重點(diǎn)工作之一。

1 RBC與ATP之間通信接口

CTCS－3無(wú)線通信系統(tǒng)可劃分為安全功能模塊（SFM）和通信功能模塊 （CFM），SFM提供安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)的功能，CFM提供基于GSM－R網(wǎng)絡(luò)的電路交換承載業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)功能，協(xié)議棧如圖1所示。

圖1 RBC與ATP之間通信協(xié)議棧

GSM－R網(wǎng)絡(luò)為車(chē)－地之間安全相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸提供雙向、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通道，采用異步透明傳輸模式。GSM－R是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，不提供差錯(cuò)控制、流量控制、安全認(rèn)證等功能，這些功能由上層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC協(xié)議，提供幀同步、差錯(cuò)控制、流量控制和鏈路管理功能，在二個(gè)通信實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)鏈路通路的建立、維持和釋放管理，保證數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確的傳輸，將GSM－R網(wǎng)絡(luò)提供的可能出錯(cuò)的物理連接改造成為邏輯上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。網(wǎng)絡(luò)層主要提供B／Bm協(xié)議棧和信令協(xié)議棧之間的同步機(jī)制，必要時(shí)執(zhí)行第三層的拆包／組包工作。傳輸層采用傳輸規(guī)程類型2（TP2），不使用差錯(cuò)檢測(cè)及恢復(fù)，必要時(shí)執(zhí)行第4層的拆包／組包。安全層提供安全連接建立功能和連接期間的安全數(shù)據(jù)傳輸功能，保證數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)真實(shí)性。

從RBC與ATP通信協(xié)議?？梢钥闯?，車(chē)地之間數(shù)據(jù)通信的完整性和正確性主要是由數(shù)據(jù)鏈路層提供的，數(shù)據(jù)鏈路層也是直接與GSM－R網(wǎng)絡(luò)交互的層次，因此對(duì)HDLC協(xié)議進(jìn)行深入研究，對(duì)于分析和定位CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)的原因具有重要意義。

2 HDLC協(xié)議分析

在CTCS－3線路中，普遍配置了GSM－R網(wǎng)絡(luò)Abis、A、PRI接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這是目前CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)的主要分析工具之一。該系統(tǒng)可以對(duì)二類信息進(jìn)行采集和處理，一是來(lái)自Abis、A和PRI接口的網(wǎng)絡(luò)信令，二是來(lái)自PRI接口的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。因此，可以從網(wǎng)絡(luò)信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)二個(gè)層面分析無(wú)線通信超時(shí)故障。

對(duì)于GSM－R網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題引發(fā)的故障，通常在各接口信令有所體現(xiàn)，如通話質(zhì)量差、接收電平低、移動(dòng)臺(tái)掉話、越區(qū)切換異常、拆線原因值異常等。然而，僅從網(wǎng)絡(luò)信令層面上并不足以分析所有無(wú)線通信超時(shí)的原因。某鐵路局管內(nèi)高速鐵路2014年第一季度CTCS－3降級(jí)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，屬于信號(hào)方面原因共計(jì)117次，占比61%；屬于通信方面原因共計(jì)54次，占比28%，屬于不明原因共計(jì)22次，占比11%。對(duì)于許多無(wú)線通信超時(shí)故障，從GSM－R網(wǎng)絡(luò)信令過(guò)程及移動(dòng)臺(tái)測(cè)量報(bào)告上看并沒(méi)有任何異?，F(xiàn)象，此時(shí)需要對(duì)PRI接口的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而對(duì)其中數(shù)據(jù)鏈路層HDLC協(xié)議的分析是其中的重點(diǎn)。

2．1 鏈路的建立與釋放

在CTCS－3中，HDLC層采用擴(kuò)充異步平衡模式，鏈路兩端的通信實(shí)體具有對(duì)等的能力，主叫系統(tǒng) （即ATP）作為DTE，被叫系統(tǒng) （即RBC）作為DCE，DTE負(fù)責(zé)鏈路的建立和釋放。只有DTE可以發(fā)送SABME幀建立鏈路，但其他系統(tǒng)可以主動(dòng)釋放連接，通信流程如圖2所示。

圖2 HDLC鏈路建立及釋放

正常情況下，列車(chē)注冊(cè)、CTCS－2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS－3級(jí)、RBC切換時(shí)會(huì)發(fā)起鏈路建立過(guò)程，列車(chē)注銷、CTCS－3級(jí)轉(zhuǎn)CTCS－2級(jí)、RBC切換時(shí)會(huì)發(fā)起鏈路釋放過(guò)程。

2．2 數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程

除高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)外，HDLC層使用I幀發(fā)送數(shù)據(jù)，Ⅰ幀包含了發(fā)送序號(hào)N （S）字段，取值范圍為0－127。接收方收到Ⅰ幀后，需要對(duì)該信息幀進(jìn)行確認(rèn)，如果此時(shí)接收方有數(shù)據(jù)要發(fā)送可以使用Ⅰ幀捎帶應(yīng)答，否則使用S幀應(yīng)答。I幀和S幀都包含接收序號(hào)N （R），N （R）表示期望接收幀的序號(hào)，同時(shí)暗含序號(hào)小于等于N （R）－1的幀都已正確無(wú)誤的接收。HDLC采用滑動(dòng)窗口協(xié)議，發(fā)送方不必等待確認(rèn)便可連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方可以對(duì)多個(gè)Ⅰ幀累積確認(rèn)，通信流程如圖3所示。

如果HDLC層數(shù)據(jù)傳送正常，則可以反應(yīng)出此時(shí)GSM－R能夠正常的為上層提供服務(wù)，若此時(shí)通信的任何一方突然釋放連接，進(jìn)而引發(fā)無(wú)線通信超時(shí)，說(shuō)明故障出現(xiàn)在協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層或以上層次。

圖3 正常數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

2．3 差錯(cuò)處理

GSM－R網(wǎng)絡(luò)不為上層數(shù)據(jù)傳輸提供安全保證，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中面臨丟失、重復(fù)、亂序、延遲等威脅，數(shù)據(jù)鏈路層則具備差錯(cuò)檢測(cè)的能力，并采取措施對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行糾正。CTCS－3中采用選擇重發(fā)策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳，如圖4（a）所示，當(dāng)接收方檢測(cè)到某幀數(shù)據(jù)丟失，發(fā)送SREJ幀要求發(fā)送方發(fā)送需要重傳的I幀。

圖4 HDLC差錯(cuò)處理

如果接收方的確認(rèn)幀丟失或發(fā)送方短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，發(fā)送方無(wú)法知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否被正確接收，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸過(guò)程停滯。為了避免這種情況，HDLC協(xié)議中設(shè)置了T1定時(shí)器，每發(fā)送1幀數(shù)據(jù)均啟動(dòng)T1定時(shí)器。如圖4（b）所示，當(dāng)T1定時(shí)器超時(shí)，發(fā)送方發(fā)送P位置1的監(jiān)控命令幀探詢接收方狀態(tài)，接收方回復(fù)F位置1的監(jiān)控響應(yīng)幀，接收方隨后重傳超時(shí)的數(shù)據(jù)幀，最大重傳次數(shù)為N2。CTCS－3中T1為0．8～2s，N2建議值為5。

由于GSM－R硬切換機(jī)制和無(wú)線環(huán)境易受干擾等因素的影響，通信的過(guò)程不可避免會(huì)的出現(xiàn)短時(shí)傳輸中斷，如果此時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層有數(shù)據(jù)幀正在發(fā)送，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失或出錯(cuò)，HDLC的差錯(cuò)處理機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳和超時(shí)重發(fā)，正常情況下不會(huì)影響上層應(yīng)用。如果車(chē)地通信的某一方或雙方長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法正常傳送數(shù)據(jù)幀，重傳次數(shù)達(dá)到N2會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路層連接斷開(kāi)，進(jìn)而導(dǎo)致CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)，此時(shí)需要結(jié)合GSM－R網(wǎng)絡(luò)信令和相關(guān)設(shè)備日志進(jìn)一步分析故障原因。

HDLC協(xié)議中還有一個(gè)很有用的幀F(xiàn)RMR，CTCS－3中不允許連接重建，任何一方收到FRMR幀后用DISC幀響應(yīng)，導(dǎo)致鏈路斷開(kāi)。HDLC協(xié)議中有4種情況會(huì)發(fā)送FRMR幀：①收到未定義的或不能實(shí)現(xiàn)的命令或響應(yīng)幀控制字段；②收到信息字段超過(guò)設(shè)定的最大長(zhǎng)度的I幀；③收到無(wú)效的N（R）；④收到不允許具有信息字段但卻包含信息字段的幀。由此可見(jiàn)，收到FRMR幀導(dǎo)致的鏈路斷開(kāi)，一般是HDLC通信實(shí)體工作異常所致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)RBC與ATP通信協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層通信鏈路的建立、維持、釋放和差錯(cuò)處理等機(jī)制進(jìn)行了深入分析，闡述了在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層面分析CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)的方法，為CTCS－3無(wú)線通信超時(shí)故障的分析和定位提供了思路。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科學(xué)技術(shù)司．科技運(yùn)［2008］34號(hào)．CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案（V1．0）［S］．2008．

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．運(yùn)基信號(hào)〔2010〕224號(hào)．CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線通信功能接口規(guī)范［S］．2010．

［3］ 丁建文，鐘章隊(duì)．基于 GSM－R的CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議棧分析［J］．鐵道通信信號(hào)，2010，46（9）：8－11．

［4］ 邢小琴．高速鐵路GSM－R網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)／監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院博士研究生論文集，2014．