CTCS-3級列控數(shù)據(jù)鏈路層幀校驗問題研究

李 忠，趙興強，趙 學

（中國鐵路濟南局集團有限公司電務部，濟南 250001）

CTCS-3級列控系統(tǒng)（簡稱C3）作為高速鐵路運行控制系統(tǒng)，出于其安全運行的需求，對數(shù)據(jù)連接的可靠性要求很高。在導致數(shù)據(jù)連接異常斷開的各種因素中，數(shù)據(jù)鏈路層的幀校驗漏檢、錯檢等機制問題分析判斷頗有難度，其作為一大類問題越來越受到重視，針對C3列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層的幀校驗設計、設置、改進問題進行研究，對保障C3安全運行至關重要。

1 數(shù)據(jù)鏈路層及其校驗機制在C3數(shù)據(jù)通信中的要求

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層的位置

數(shù)據(jù)鏈路層是開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型中的第二層，介乎于物理層和網(wǎng)絡層之間。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，其最基本的服務是將源自網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標機網(wǎng)絡層。為達到目的，數(shù)據(jù)鏈路必須具備相應的功能:一是將數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)塊(數(shù)據(jù)塊被稱為幀frame)；二是數(shù)據(jù)鏈路層完成對幀的傳送。

《CTCS-3級列控系統(tǒng)無線通信功能接口規(guī)范》（Q/CR 604-201）第4章對C3的無線通信參考模型做出定義，其中數(shù)據(jù)鏈路層居于第二層，參考規(guī)范為ISO 7776和ISO 3309。如圖1所示。

圖1 C3列控系統(tǒng)的無線通信參考模型Fig.1 Reference model of radio communication system for C3 train control system

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層的特性要求

數(shù)據(jù)鏈路層主要負責如何控制幀在物理信道上的傳輸，包括如何處理傳輸差錯，如何調(diào)節(jié)發(fā)送速率使其與接收方相匹配，以及在兩個網(wǎng)絡實體之間提供數(shù)據(jù)鏈路通路的建立、維持和釋放的管理。

在C3無線通信功能接口規(guī)范中對數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸特性也進行了定義，主要包括：“根據(jù)OSI參考模型，數(shù)據(jù)的可靠傳輸由數(shù)據(jù)鏈路層提供”，“數(shù)據(jù)鏈路層對發(fā)生在物理層的數(shù)據(jù)傳輸錯誤進行糾錯檢錯”，“第2層協(xié)議應符合高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）標準”，“HDLC基本規(guī)程應提供以下檢錯及恢復機制：確認丟失后的自動重傳、16 bit幀校驗序列”等。

明確數(shù)據(jù)鏈路層是C3數(shù)據(jù)通信中唯一提供可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶樱錂z錯機制為16 bit的幀校驗。

2 16 bit幀校驗的定義及算法特征

2.1 循環(huán)冗余算法和幀檢驗序列

數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能會因為外界的影響使數(shù)據(jù)產(chǎn)生差錯。使原來的0變?yōu)?，原來的1變?yōu)?，這叫作比特差錯。在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率。因此開始采用各種檢驗差錯的措施，目前C3數(shù)據(jù)鏈路層就是采用的循環(huán)冗余檢驗（CRC）。CRC是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯方法，對數(shù)據(jù)進行余式計算，而幀校驗序列（FCS）是添加在數(shù)據(jù)后面的一個16 bit序列，接收設備也執(zhí)行類似的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

2.2 幀校驗的漏檢

余式運算的16 bit余數(shù)共有216=65 536種可能，即兩個不同幀的余式相同概率為1/216=1/65 536，另一方面，一個錯誤幀能通過校驗的概率也為1/65 536。由此導致以下兩種可能的漏檢現(xiàn)象。一是幀錯誤未發(fā)生在FCS字段，但出現(xiàn)錯誤的幀內(nèi)容其余式運算結果剛好等于正確的FCS；二是錯誤既發(fā)生在幀內(nèi)容字段，也發(fā)生在FCS字段，但出錯后的幀內(nèi)容余式運算結果剛好等于出錯后的FCS字段。

實際的漏檢率取決于幀長度和錯誤比特數(shù)量，在幀長度很長和錯誤比特較多時會貼近此值，一般會低于這個值。漏檢幀的特點是能夠通過檢驗算法，不會顯示為校驗錯誤。

2.3 幀校驗的錯檢

與漏檢不同，錯檢的幀本身并不能通過校驗，會顯示為校驗錯誤，但是卻被接收方通過檢驗并進行處理，這是一種接收方的系統(tǒng)問題，并不是校驗的機制問題。

2.4 幀錯誤的主要因素

通信過程中的誤碼是導致幀出現(xiàn)錯誤的直接原因。一般來說，通信過程中的干擾和噪聲都可以導致誤碼發(fā)生，但在GSM-R承載的C3列控系統(tǒng)中，小區(qū)切換造成的誤碼概率遠高于干擾和噪聲，是產(chǎn)生錯幀的主要因素。

3 C3數(shù)據(jù)通信誤碼的主要因素

導致C3數(shù)據(jù)通信誤碼的主要因素是GSM-R小區(qū)切換。作為C3列控的無線通信承載網(wǎng)，GSM-R提供物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層的服務，為保證無線覆蓋，鐵路沿線設置多個GSM-R基站，列車在運行過程中會不停的更換服務小區(qū)，這就導致發(fā)生大量的GSM-R小區(qū)切換，切換過程中需要進行無線信道的更換。

在切換時復幀操作會在移動終端離開老信道前暫停，并在信道更換結束后恢復，這就是所謂的“硬切換”。復幀操作恢復后，終端會采用“偷幀”方式在業(yè)務信道（TCH）內(nèi)傳輸控制消息，從而導致正常傳遞的碼流中出現(xiàn)解碼的錯誤。如果這時與C3數(shù)據(jù)鏈路層的幀發(fā)送時間出現(xiàn)重疊，就會產(chǎn)生錯幀。由于硬切換是GSM系統(tǒng)的特點，由此導致的誤碼及可能的C3數(shù)據(jù)鏈路層的錯幀無法避免。

需要指出的是，切換發(fā)生時間和幀發(fā)送時間無必然聯(lián)系，所造成的錯幀率無法直接計算，只能通過統(tǒng)計結果觀察。

4 切換誤碼對列控消息的影響分析

4.1 設計標準

由于GSM系統(tǒng)本身的硬切換特點，C3消息必然受切換過程中誤碼的影響。影響的概率主要取決于3個方面。一是切換發(fā)生的概率，其取決于列車的速度和GSM-R小區(qū)覆蓋范圍；二是消息的長短，更長的消息就需要更長的傳遞時間，受切換影響的概率就會增加；三是誤幀率，誤幀率也會影響消息傳遞的時延。

歐 洲 鐵 路 標 準《ERTMS/ETCS-Class 1 GSM-R Interfaces Class 1 Requirements》（SUBSET-093）中，對GSM-R切換影響到列控消息的概率進行分析和模型計算。假定列車速度360 km/h，小區(qū)覆蓋范圍2 km（每20 s發(fā)生一次切換）；消息包大小為200 Byte，誤幀率（FER）=2.5×10-1～3×10-2，切換影響到的消息包概率從10%～1%之間，取5%的值，表示每20個消息會有一個被影響。

因此，列控系統(tǒng)采用GSM-R進行承載是在考慮錯幀率3%～25%，消息被影響的概率5%基礎上進行設計。

4.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)

京滬高鐵濟南局段的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)：列車速度：350 km/h；小區(qū)覆蓋范圍：3 km；約每30 s發(fā)生一次切換；消息包大小：不定長，最長的未超過200 Byte。

對京滬高鐵濟南局段的誤幀率進行抽樣統(tǒng)計，F(xiàn)ER=0.08×10-2，如表1所示。

表1 京滬高鐵濟南局段錯幀率統(tǒng)計Tab.1 FER statistics in Jinan section of Beijing-Shanghai high-speed railway

實測結果證明，京滬高鐵濟南局段的錯幀率指標滿足最初的列控設計并優(yōu)于其范圍。

京滬高鐵濟南局段的幀漏檢統(tǒng)計：抽樣的每一列車的錯幀數(shù)在濟南局管段平均約為15個，京滬高鐵每天運行約200次列車，一天的錯幀數(shù)量為15×200=3 000個，以漏檢概率為1/65 536來計算，約22天即會發(fā)生一次CRC漏檢現(xiàn)象。自2020年至2021年6月，京滬高鐵濟南局段共記錄幀校驗導致的C3問題17件，低于以22天為基數(shù)計算出的約24件預期值，符合前述的概率分析。另外，京滬高鐵濟南局段共123個站，每車均需切換123次，但錯幀平均為15個，也符合前述切換并不必然帶來錯幀的分析。

5 幀錯檢、漏檢導致的C3列控超時/降級實例

數(shù)據(jù)鏈路層幀校驗的漏檢和錯檢，將會把錯誤數(shù)據(jù)進行正常處理，根據(jù)錯誤數(shù)據(jù)在幀中所處的位置，會導致數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、安全層的各種異?，F(xiàn)象。

5.1 數(shù)據(jù)鏈路層的FRMR消息

目前，C3列控應用模128的FRMR幀結構，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)鏈路層FRMR的格式定義Tab.2 Format of FRMR in Data Link Layer

其中字段的功能如下。

1）被拒絕幀的控制字段應是所接收的引起幀拒絕的幀控制字段。當被拒絕幀為無編號幀時，被拒絕幀的控制字段應位于比特1～8，而比特9～16置為“0”。

2）N(S)是報告拒絕狀態(tài)DCE或DTE的當前發(fā)送狀態(tài)變量值（比特18為低階比特）。

3）C/R置為“1”，表示被拒絕的幀是響應幀。C/R置為“0”，表示被拒絕的幀是命令幀。

4）N(R)是報告拒絕狀態(tài)DCE或DTE的當前接收狀態(tài)變量值（比特26為低階比特）。

5）W置“1”，表示所接收到的并在比特1～16內(nèi)送回的控制字段沒有定義或不能實現(xiàn)。

6）X置“1”，表示所接收到的并在比特1～16內(nèi)送回的控制字段被認為是無效。因為該幀包括不允許的信息字段，或該幀是具有不正確長度（包含長度32～39比特幀）的監(jiān)控幀。W比特與該比特一起置“1”。

7）Y置“1”，表示所接收到的信息字段超過報告拒絕狀態(tài)的DTE或DCE的最大設定容量。

8）Z置“1”，表示所接收到的并在比特1～16內(nèi)送回的控制字段包括無效的N(R)。

9）17和37～40比特應置為“0”。

FRMR響應的信息字段中W、X、Y和Z比特都可置為“0”，用以指示上面未列出的一種或多種狀態(tài)所引起的幀拒絕。

因此，F(xiàn)RMR幀中會顯示被拒絕幀的控制字段，同時通過在標志位W、X、Y、Z處置1的方式，來表示發(fā)生幀拒絕的原因，其中幀校驗的漏檢一般會導致W=1、X=1的發(fā)生，幀校驗的錯檢一般會導致Y=1的發(fā)生，而Z=1一般與校驗無關。

5.2 幀校驗問題的C3列控超時/降級實例

1）W=1、X=1的FRMR消息

以某日京滬高鐵C3降級為例，在接口監(jiān)測系統(tǒng)基群速率接口（PRI）數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)無線閉塞中心（RBC）發(fā)送了FRMR消息，拒絕原因提示為W=1，X=1，即控制字段被認為無效，因為包括不允許的信息字段，如圖2所示。

圖2 PRI接口的FRMR（W=1、X=1）跟蹤記錄Fig.2 Record of FRMR（W=1, X=1）in PRI interface

PRI接口顯示被拒絕的數(shù)據(jù)鏈路層幀的控制位為01 f4，而01 f4這個消息在數(shù)據(jù)鏈路層中不存在。結合同車次的Abis接口數(shù)據(jù)分析，此時刻正處于小區(qū)切換過程中，判斷為小區(qū)切換后出現(xiàn)亂碼，導致錯誤的幀出現(xiàn)。而此幀又通過了校驗，RBC接收到后無法處理，是一種典型的幀校驗漏檢現(xiàn)象。

2）Y=1的FRMR消息

以某日京滬高鐵C3降級為例，在接口監(jiān)測系統(tǒng)PRI接口數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)RBC發(fā)送FRMR消息，拒絕原因提示為Y=1，即收到信息字段超過最大長度。PRI接口數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 PRI接口的FRMR（Y=1）跟蹤記錄Fig.3 Record of FRMR（Y=1）in PRI interface

PRI接口顯示被拒絕的數(shù)據(jù)鏈路層幀的控制位為9E 4C，而9E 4C這個I幀的CRC校驗是錯誤的。按照規(guī)范應該拋棄，但接收方仍然分析處理這個幀，最終造成RBC發(fā)送FRMR，Y=1，導致列車降級。結合該車Abis接口數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障為小區(qū)切換后出現(xiàn)亂碼，導致9E 4C的幀出現(xiàn)變化，校驗無法通過。但接收方卻錯誤的對其進行分析，是一種幀校驗錯檢現(xiàn)象。

3）傳輸層的ER消息

以某日濟青高鐵C3降級為例，在接口監(jiān)測系統(tǒng)PRI接口數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)車載通信單元（OBU）向RBC發(fā)送ER消息，錯誤原因值為3，代表傳輸層出現(xiàn)無效的參數(shù)值。PRI接口數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 PRI接口跟蹤記錄Fig.4 Record of PRI interface

由于該車安裝車載空口監(jiān)測設備，將車載的空口數(shù)據(jù)、IGSM-R接口數(shù)據(jù)進行比對。Um接口數(shù)據(jù)如圖5所示，IGSM-R接口數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 Um接口跟蹤記錄Fig.5 Record of Um interface

通過比對以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：RBC 發(fā)送的S：119，R：34數(shù)據(jù)幀對比PRI接口數(shù)據(jù)幀長度及內(nèi)容發(fā)生變化，數(shù)據(jù)幀在PRI接口數(shù)據(jù)長度為42，在IGSM-R接口數(shù)據(jù)長度為61，且發(fā)生變化的S：119，R：34數(shù)據(jù)幀在I接口校驗正確，此問題應該是幀校驗漏檢，長度、內(nèi)容都不正確的幀剛好能通過校驗算法。最終導致ATP傳輸層接收到的數(shù)據(jù)異常，發(fā)送了傳輸層的ER拆鏈指令。

4）安全層的DI消息

以某日濟青高鐵C3降級為例，在接口監(jiān)測系統(tǒng)PRI接口數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)OBU向RBC發(fā)送DR/DI消息，鏈接釋放。鏈接釋放前OBU與RBC交互未見明顯異常。PRI接口數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 PRI接口的DI跟蹤記錄Fig.7 Record of DI in PRI interface

通過接口數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，RBC下發(fā)N（S）=105，N（R）=82的I幀，長度為40 Byte，該幀在PRI接口顯示校驗正確。在車載記錄中顯示收到一條N（S）=105，N（R）=82的I幀，長度為39 Byte且校驗正確，如圖8所示 。

圖8 PRI接口的I幀跟蹤記錄Fig.8 Record of I frame in PRI interface

通過比對接口數(shù)據(jù)，看出該幀從PRI接口傳到車載設備時，最后幾個字節(jié)從85 7D 5E 77變成85 7E 77，如圖9所示。結合Abis口數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此時正在進行小區(qū)切換，綜合判斷是一種典型的小區(qū)切換疊加幀校驗漏檢造成的現(xiàn)象。

圖9 IGSM-R接口的I幀跟蹤記錄Fig.9 Record of I frame in IGSM-R interface

6 總結及建議

綜上所述，導致C3數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)校驗問題的主要因素為GSM-R切換導致錯幀及幀校驗機制可能存在錯幀的漏檢，或接收方在面對錯幀的系統(tǒng)問題導致的錯檢。

此類問題的比例并不高，但作為引起C3超時/降級的因素卻不容忽視，作為一種具體問題的研討，考慮應用如下建議，來降低故障概率。

6.1 減少小區(qū)切換

現(xiàn)有的高鐵GSM-R設計主要采用單網(wǎng)交織覆蓋方式，在單網(wǎng)交織覆蓋方式下，列車運行需切換至每一個小區(qū)，在高速運行過程中連續(xù)切換間隔時間較短，切換與數(shù)據(jù)發(fā)送重疊時間較多。因此，可改為雙網(wǎng)交織覆蓋模式，如圖10所示。

圖10 GSM-R雙網(wǎng)交織覆蓋方式Fig.10 Double interleaved networks of GSM-R

優(yōu)點：由于單獨的奇數(shù)站覆蓋、偶數(shù)站覆蓋和全數(shù)站覆蓋均為聯(lián)調(diào)聯(lián)試驗收通過的測試項目，此方案具備可實施性，無需修改現(xiàn)有工程建設標準、驗收標準，僅通過無線設備參數(shù)控制即可完成。

在雙網(wǎng)交織覆蓋方式下，列車單向運行時采用奇數(shù)站切換，另一方向采用偶數(shù)站切換，可將切換數(shù)量降低近一半，有效降低切換過程對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

缺點：單基站故障退服時，會導致此方向的后續(xù)列車控制中斷，需要進行重新連接。

6.2 優(yōu)化幀檢驗序列

將幀校驗序列FCS16修改為FCS32。

優(yōu)點：漏檢概率大幅降低為1/232，約43億分之一，基本不會發(fā)生漏檢現(xiàn)象?？捎行Ы鉀Q幀校驗問題。

缺點：此方案的施工升級需要在車載設備和地面設備同時完成，工程實施難度極大。

6.3 優(yōu)化車載軟件數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯

研究車載數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯或軟件機制，嘗試在MT單元進行小區(qū)切換期間停止發(fā)送應用層數(shù)據(jù)，切換完成后再繼續(xù)發(fā)送。

優(yōu)點：可有效降低高速鐵路頻繁小區(qū)切換產(chǎn)生的誤碼對數(shù)據(jù)幀影響，減少錯誤幀觸發(fā)的C3系統(tǒng)鏈接中斷。

缺點：此方案僅針對車載向地面發(fā)送的上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)受切換的影響無法解決，為有限的方案。