基于GSM-R列控系统信息安全传输的研究

CTCS3 级列车控制系统（以下简称）列控系统，是基于无线通信的方式实现车地之间双向、大容量的信息传输，包括调度中心发出的调度信息、列车控制信息和线路数据信息、桥隧信息及环境信息、列车的位置、速度、状态等，GSM-R无线通信系统已成为 CTCS3 级列控系统的ธ核心。然而从安全的角度来讲，GSM-R 系统本身是一个开放式传输系统，是非安全系统，随时可能遭受外部信息的入侵，如何保证系统的信息传输安全可靠是值得研究的问题。

GSM-R 系统中无线信道信息安全传输至关重要，而无线信道中采用的编译码算法影响着信息传输的安全性能。Turbo 码具有其他纠检错码无可比拟的纠错性能，尤其是对于无线信道中的突发噪声，因为突发噪声会使突发错误集中出现，严重时会影响列车的运行安全和准点性。因此，本文以 CTCS3 级列控系统信息安全传输问题为研究对象，进行基于 Turbo 码技术的无线信道信息安全传输研究，设计了一种安全的信息传输控制方案，并分别采用 SOVA 译码算法、Max-Log-MAP 译码算法以及 Log-MAP 译码算法进行了仿真与分析。

1 GSM-R系统信道编码技术

GSM-R 系统采用了级联编码，包括了内码和外码两种不同的信道编码，通过级联编码后采用交织技术将突发错误随机化。

2 基于Turbo码的CTCS3级列控系统无线信道信息安全传输方案

2.1 Turbo技术

Turbo 码的设计原则主要包括 3 个方面：（1）加入了随机交织器，使得编码器输出的码字获得了近似随机的特性，从而实现随机编码；（2）分量编码器之间通过随机交织器并行级联在一起，这主要是为了实现使分量编码器输出的短码字构成 Turbo 码的长码字；（3）译码器结构中的分量译码器采用基于最大后验概率译码算法的迭代译码方式进行译码，使得译码性能能够最大限度的接近最大似然算法译码性能的效果。Turbo 码巧妙运用了 Shannon 证明信道编码定理的 3 个基本条件，使得其获得了接近 Shannon 理论极限的ღ译码性能。因此，在考虑可以接受译码算法复杂度和时延的情况下，Turbo 码完全能够为不同干扰环境下的通信系统，提供几乎与 Shannon 理论极限相接近的通信质量。

2.2 基于Turbo码的CBTC列控系统无线信道信息安全传输方案

高速列车运行控制信息的无线传输需要具备以下条件：

（1）数据传输的可靠性需要求相当高。要求系统传输误码率达到 10-5~10-6，平均的无故障时间 106 h；

（2）能够满足列车运行控制所需信息吞吐量和实时性要求；

（3）必须采用遵循故障安全原则的传输方式。

对于基于无线通信的列控系统，在传输控制信息时，传输的安全可靠性是首先需要考虑的问题，为了满足系统要求，需要采用分集接收技术、扩频技术、编码技术、优化调制解调体制、差错控制技术 ☹、自适应均衡技术等技术手段或措施来降低由于信号衰落、✯干扰对系统的数据传输质量造成的影响。但是过多的采用这些技术必然会占用大量信息位和造成过大的时延，这显然对列控系统的传输效率☮以及实时性会有很大的影响。

列车控制数据无线传输时，其信息编码方式采用短信息结构和前向纠错控制方式为主、选择重发为辅的差错控制方式。在该方案中 GSM-R系统中的无线信道中采用了 Turbo 码的编译码方式，因为 Turbo 码具有接近香农限的优越性能，尤其是对于信道中的突发噪声，有很好的纠错性能。

3 仿真与分析

为了验证本文所改进的 GSM-R 系统安全信息传输方案的有效性，采用几种不同的译码算法来进行仿真测试，并对 SOVA、Max-Log-Map 和Log-MAP 算法的性能进行了比较与分析。

因为目前 GSM-R 系统的误码率为 10-3左右，所以根据仿真结果可以看出，本文所设计方案中采取的 Turbo 码技术可以降低无线信道中误比特率，满足列控系统数据传输的要求，提高系统的可靠性。

4 结束语

本文针对 CTCS3 级列控系统中信息安全传输问题，提出基于 Turbo 码技术的安全信息传输控制方案，在 Matlab 仿真环境中分别采用几种不同的译码算法进行了仿真测试与分析研究。仿真结果验证了所设计的基于 Turbo 码的安全信息传输方案的合理有效性。因此，在 CTCS3 列控系统安全信息传输中采用 Turbo 码代替卷积码进行纠错信道编码，可降低无线信道中误比特率，提高系统的可靠性。