基于自主化電臺(tái)的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無線通信超時(shí)分析

李志越

一直以來，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備中的移動(dòng)終端［1-2］（Mobile Terminal，MT）（也稱“車載電臺(tái)”）技術(shù)被國(guó)外廠家壟斷，造成核心技術(shù)受制于人，在問題的分析、新需求的跟進(jìn)等方面對(duì)我國(guó)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的發(fā)展形成了嚴(yán)重的技術(shù)屏障。2015年，國(guó)鐵集團(tuán)組織國(guó)內(nèi)各設(shè)備廠家開展車載電臺(tái)技術(shù)攻關(guān)，目的是實(shí)現(xiàn)車載電臺(tái)自主化，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求增加電臺(tái)日志記錄等功能，彌補(bǔ)現(xiàn)有國(guó)外電臺(tái)存在的不足。自主化電臺(tái)自2019年在天津電務(wù)段試用以來，為無線通信超時(shí)分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，成為解決該問題的有力抓手，大大提升了電務(wù)段CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的運(yùn)維效率。本文主要介紹自主化電臺(tái)的日志記錄功能，該功能可方便追溯故障發(fā)生時(shí)網(wǎng)絡(luò)及電臺(tái)的狀態(tài)，有利于快速、精準(zhǔn)地定位出無線通信超時(shí)的根本原因。

1 自主化電臺(tái)日志記錄功能

自主化電臺(tái)采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GSM-R 協(xié)議棧，該協(xié)議?？蚣芤妶D1，分為非接入層、接入層和物理層。其中，非接入層包含：①AT 子層，負(fù)責(zé)處理ATP 的AT 指令及向ATP回復(fù)響應(yīng)；②CC子層，負(fù)責(zé)處理ATP呼叫請(qǐng)求或掛斷請(qǐng)求；③SIM 卡管理子層，為GSM-R 協(xié)議棧的各子層與SIM 卡交互提供讀、寫、查詢接口；④MM子層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)選擇、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)鑒權(quán)加密和連接管理功能。接入層主要是無線資源實(shí)體（Radio Resources entity，RR）子層，實(shí)現(xiàn)小區(qū)選擇、小區(qū)重選、小區(qū)切換、信道切換、信令解析及小區(qū)測(cè)量等功能，保證電臺(tái)和GSM-R 網(wǎng)絡(luò)間可靠的無線連接。物理層主要實(shí)現(xiàn)編/解碼、調(diào)制/解調(diào)、信道均衡、交織/去交織等功能。

圖1 自主化電臺(tái)GSM-R協(xié)議?？蚣?/p>

電臺(tái)記錄的內(nèi)容非常豐富，主要包括：①Igsm-r接口［3］上的命令和數(shù)據(jù)交互；②電臺(tái)與SIM 卡間的數(shù)據(jù)交互；③電臺(tái)與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)間的Um接口上的數(shù)據(jù)交互；④電臺(tái)對(duì)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的監(jiān)測(cè)［4］等。自主化電臺(tái)將這些數(shù)據(jù)通過日志實(shí)時(shí)完整地保存，事后可通過日志準(zhǔn)確查找和追溯無線通信超時(shí)的真實(shí)原因。

2 典型案例分析

2.1 干擾導(dǎo)致的單電臺(tái)故障

2021年4月16日，天津電務(wù)段配屬的CRH380 BL-5518動(dòng)車組在擔(dān)當(dāng)某次運(yùn)行交路時(shí)，01 端在天津站停車待發(fā)時(shí)發(fā)生單電臺(tái)故障。結(jié)合電務(wù)段歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，多年來不同車型列車在天津站都發(fā)生過無線通信超時(shí)故障，因故障呈現(xiàn)偶發(fā)性，也缺少電臺(tái)數(shù)據(jù)，無法深入分析原因，最后都判定為電臺(tái)性能異常所致。

此車裝有自主化電臺(tái)，MT2 掉網(wǎng)日志見表1。由表1 可以看出，電臺(tái)在14：06：31 正常注冊(cè)到BCCH 頻點(diǎn)為1006 的服務(wù)小區(qū)，駐網(wǎng)13 min 后，ATP 通過“AT+CREG？”查詢電臺(tái)狀態(tài)，電臺(tái)回復(fù)“+CREG 0，2”，表示掉網(wǎng)，ATP 報(bào)單電臺(tái)故障。

表1 MT2掉網(wǎng)日志

MT2 掉網(wǎng)前后監(jiān)測(cè)到服務(wù)小區(qū)的下行信號(hào)強(qiáng)度及駐網(wǎng)狀態(tài)見表2。從表2 可以看出，電臺(tái)附著在BCCH 頻點(diǎn)為1006 的小區(qū)，并且測(cè)量到該小區(qū)下行信號(hào)強(qiáng)度在-51～-56 dBm 間變化：①當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度大于-53 dBm 時(shí)，ATP 查詢電臺(tái)狀態(tài)，電臺(tái)回復(fù)“+CREG：0，1”，ATP 報(bào)MT2 駐網(wǎng)成功；②當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為-54 dBm 時(shí)，ATP 查詢電臺(tái)狀態(tài)，電臺(tái)回復(fù)“+CREG：0，1”，ATP 報(bào)MT2 駐網(wǎng)成功，但電臺(tái)下行鏈路失敗告警；③當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度低于-54 dBm 時(shí)，ATP 查詢電臺(tái)狀態(tài)，電臺(tái)回復(fù)“+CREG：0，2”，ATP報(bào)單電臺(tái)故障。

從表2 還可以看出，同時(shí)間段MT1 下行信號(hào)強(qiáng)度均高于-53 dBm，ATP查詢電臺(tái)狀態(tài)，電臺(tái)回復(fù)“+CREG：0，1”，ATP報(bào)MT1駐網(wǎng)成功。

表2 下行信號(hào)強(qiáng)度及駐網(wǎng)狀態(tài)

通過上述MT1和MT2在同時(shí)間段接收同一個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比可得出：當(dāng)服務(wù)小區(qū)（BCCH頻點(diǎn)為1006 的小區(qū)）下行信號(hào)低于-54 dBm 時(shí)，電臺(tái)解碼時(shí)誤碼率很高，導(dǎo)致電臺(tái)解析系統(tǒng)消息失敗而掉網(wǎng)。

按照3GPP 協(xié)議［5］，電臺(tái)掉網(wǎng)后，會(huì)啟動(dòng)搜網(wǎng)流程重新搜網(wǎng)。MT2 電臺(tái)在BCCH 1006 小區(qū)掉網(wǎng)后，在4 MHz 的GSM-R 頻段內(nèi)重新選擇6個(gè)信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的頻點(diǎn)去嘗試駐網(wǎng)，MT2 電臺(tái)2 次搜索到的最強(qiáng)8 個(gè)頻點(diǎn)為1000、1002、1003、1006、1007、1008、1009 和1016，見表3。電臺(tái)監(jiān)測(cè)到這8 個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度基本相當(dāng)，但這些頻點(diǎn)配置明顯不符合GSM-R 網(wǎng)絡(luò)要求，確定在BCCH 頻點(diǎn)為1006 的小區(qū)位置，整個(gè)GSM-R 頻段底噪被抬升，存在嚴(yán)重干擾，這種類型的干擾源一般是公網(wǎng)強(qiáng)信號(hào)阻塞干擾或基站發(fā)射雜散干擾［6］。

表3 MT2電臺(tái)掉網(wǎng)后搜索到的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的GSM-R頻點(diǎn)

為進(jìn)一步確定干擾源，電務(wù)段聯(lián)合通信段、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商及電臺(tái)廠商共同進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查。首先排查公網(wǎng)潛在干擾，對(duì)GSM900 公網(wǎng)頻段頻譜進(jìn)行掃頻，掃頻結(jié)果見圖2。圖2中最強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度為-60 dBm，這種強(qiáng)度的信號(hào)不會(huì)對(duì)鐵路GSM-R 頻段造成阻塞干擾；但發(fā)現(xiàn)整個(gè)GSM900公網(wǎng)頻段的底噪明顯異常，高達(dá)-70 dBm。其次排查GSM-R 網(wǎng)內(nèi)潛在干擾，對(duì)GSM-R 頻段開展全頻譜掃描，掃描結(jié)果見圖3。由圖3可見，在GSM-R頻段內(nèi)信號(hào)最強(qiáng)小區(qū)的頻點(diǎn)為1006，信號(hào)強(qiáng)度為-70 dBm，未見有同頻、鄰頻、阻塞和互調(diào)等干擾，但整個(gè)GSM-R 頻段也存在-75 dBm 的強(qiáng)底噪。最后測(cè)量列車尾部至列車頭部BCCH 1006小區(qū)的下行信號(hào)強(qiáng)度變化，以驗(yàn)證電臺(tái)掉網(wǎng)與列車停靠位置間的關(guān)系，測(cè)量結(jié)果見圖4。從圖4 可以看出，BCCH 1006 小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度在列車頭部位置最弱，最容易受強(qiáng)底噪干擾［7］，導(dǎo)致電臺(tái)掉網(wǎng)，引發(fā)單電臺(tái)故障。

圖2 GSM900公網(wǎng)頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度分布

圖3 GSM-R頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度分布

圖4 BCCH 1006小區(qū)下行信號(hào)強(qiáng)度分布

因不同列車在股道內(nèi)停靠位置存在些許差異，導(dǎo)致電臺(tái)在干擾強(qiáng)的位置接收的下行信號(hào)強(qiáng)度低于-54 dBm，引發(fā)電臺(tái)下行鏈路失敗造成無線通信超時(shí)，而在干擾弱的位置接收的信號(hào)強(qiáng)度超過-54 dBm，電臺(tái)駐網(wǎng)成功，這就造成多年來在此位置總是出現(xiàn)偶發(fā)性無線通信超時(shí)故障。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)射源逐一排查，發(fā)現(xiàn)站內(nèi)某一直放站工作異常，關(guān)閉該直放站后，底噪恢復(fù)正常，后續(xù)該位置未再發(fā)生無線通信超時(shí)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)單通

2021 年9 月24 日，電務(wù)段配屬裝有自主化電臺(tái)的CR400BF-5111 動(dòng)車組在擔(dān)當(dāng)某次運(yùn)行交路時(shí)，該車00端在K18+661處報(bào)無線通信超時(shí)。

發(fā)生故障時(shí)PRI 接口數(shù)據(jù)見圖5。由圖5 可以得出，在20：28：31—20：28：53 的22 s 內(nèi)，無線閉塞中心RBC 正常向車載發(fā)送數(shù)據(jù)，但未收到車載發(fā)送的數(shù)據(jù)；在K18+661 處，20：28：53，電臺(tái)收到RBC 發(fā)送的正常拆鏈DISCONNECT 消息，造成無線通信超時(shí)。

圖5 PRI接口數(shù)據(jù)

對(duì)超時(shí)前網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，20：28：31，電臺(tái)從BCCH 1004 小區(qū)成功切換至BCCH 1010小區(qū)，電臺(tái)在BCCH 1010小區(qū)上/下行電平均正常，上/下行信號(hào)質(zhì)量也均正常，未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備異常。

因?yàn)楫?dāng)前網(wǎng)絡(luò)不具備記錄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的功能，也沒有電臺(tái)的日志，電臺(tái)在完成小區(qū)切換后，PRI接口能夠記錄到RBC 給ATP 發(fā)送的數(shù)據(jù)，無ATP發(fā)送給RBC 的數(shù)據(jù)記錄；A/Abis 接口記錄到衡量網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境的參數(shù)（電平及質(zhì)量）也均正常。故此類故障之前都被認(rèn)定為電臺(tái)軟件異常，小區(qū)切換后不轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)［8］。

對(duì)電臺(tái)無線通信超時(shí)日志進(jìn)行分析，見表4，電臺(tái)從BCCH 1004 小區(qū)切換至BCCH 1010 小區(qū)，下行信號(hào)及質(zhì)量均正常，但切換至BCCH 1010 小區(qū)后，網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)明顯異常，將電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)RBC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)信道（TCH）用作快速隨路控制信道（FACCH），在業(yè)務(wù)信道上長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)送填充幀，造成網(wǎng)絡(luò)單通，電臺(tái)持續(xù)22 s 收不到RBC 發(fā)送的無線鏈路層（HDLC）數(shù)據(jù)［9］，車地?cái)?shù)據(jù)交互異常，引發(fā)RBC 主動(dòng)斷開通信連接，從而造成無線通信超時(shí)。

表4 電臺(tái)無線通信超時(shí)日志

3GPP 0406 協(xié)議［10］規(guī)定：如果基站（BTS）在專用控制信道（DCCH）上沒有數(shù)據(jù)幀發(fā)送，基站通過發(fā)送特殊格式的UI 幀（無編號(hào)信息幀）使專用控制信道保持激活狀態(tài)。該特殊格式的UI 幀為填充幀，按照?qǐng)D6 中定義的填充幀類型，當(dāng)基站需發(fā)送填充幀時(shí)，UI 幀中的C 必須設(shè)置為1，該UI 幀對(duì)應(yīng)的格式為3 3 1 X X …，與自主化電臺(tái)捕獲到的3 3 1 2B 2B …一致。

圖6 填充幀類型定義

基站使用專用控制信道發(fā)送填充幀的前提條件是基站無業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給電臺(tái)。但在無線通信超時(shí)前，RBC是有發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的，說明GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器（BSC）并未將這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站發(fā)送大量的填充幀，以保證專用控制信道可用。后續(xù)通過排查，此次故障是基站控制器和基站間的傳輸異常所致，經(jīng)過調(diào)整后，該基站未再發(fā)生此類故障。

3 結(jié)論及建議

當(dāng)前對(duì)于多數(shù)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無線通信超時(shí)故障的分析，因缺少故障時(shí)車載側(cè)有效的數(shù)據(jù)記錄，事后僅通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)難以對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，有時(shí)只能預(yù)防性地更換電臺(tái)，但無法從根本上解決問題，而這又給現(xiàn)場(chǎng)帶來諸多次生作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。通過自主化電臺(tái)實(shí)時(shí)日志功能可準(zhǔn)確回溯到無線通信超時(shí)故障時(shí)的狀態(tài)，在定位故障的準(zhǔn)確性上優(yōu)勢(shì)明顯，能大大提升CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的運(yùn)維效率。

后續(xù)建議充分利用自主化電臺(tái)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，深挖日志數(shù)據(jù)價(jià)值，將全國(guó)范圍內(nèi)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、小區(qū)切換位置、小區(qū)重選位置等與CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無線通信超時(shí)關(guān)聯(lián)起來，給設(shè)備維護(hù)部門提供數(shù)據(jù)支持，將事后故障分析轉(zhuǎn)變?yōu)槌邦A(yù)防，為降低無線通信超時(shí)故障提供有力支撐。