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基于GSM-R列控系統(tǒng)信息安全傳輸?shù)难芯空撐?/p>
CTCS3 級列車控制系統(tǒng)（以下簡稱）列控系統(tǒng)，是基于無線通信的方式實(shí)現(xiàn)車地之間雙向、大容量的信息傳輸，包括調(diào)度中心發(fā)出的調(diào)度信息、列車控制信息和線路數(shù)據(jù)信息、橋隧信息及環(huán)境信息、列車的位置、速度、狀態(tài)等，GSM-R無線通信系統(tǒng)已成為 CTCS3 級列控系統(tǒng)的核心。然而從安全的角度來講，GSM-R 系統(tǒng)本身是一個開放式傳輸系統(tǒng)，是非安全系統(tǒng)，隨時可能遭受外部信息的入侵，如何保證系統(tǒng)的信息傳輸安全可靠是值得研究的問題。
![基于GSM-R列控系統(tǒng)信息安全傳輸?shù)难芯空撐?/></p><p> GSM-R 系統(tǒng)中無線信道信息安全傳輸至關(guān)重要，而無線信道中采用的編譯碼算法影響著信息傳輸?shù)陌踩阅堋urbo 碼具有其他糾檢錯碼無可比擬的糾錯性能，尤其是對于無線信道中的突發(fā)噪聲，因?yàn)橥话l(fā)噪聲會使突發(fā)錯誤集中出現(xiàn)，嚴(yán)重時會影響列車的運(yùn)行安全和準(zhǔn)點(diǎn)性。因此，本文以 CTCS3 級列控系統(tǒng)信息安全傳輸問題為研究對象，進(jìn)行基于 Turbo 碼技術(shù)的無線信道信息安全傳輸研究，設(shè)計了一種安全的信息傳輸控制方案，并分別采用 SOVA 譯碼算法、Max-Log-MAP 譯碼算法以及 Log-MAP 譯碼算法進(jìn)行了仿真與分析。</p><p> <strong>1 GSM-R系統(tǒng)信道編碼技術(shù)</strong></p><p> GSM-R 系統(tǒng)采用了級聯(lián)編碼，包括了內(nèi)碼和外碼兩種不同的信道編碼，通過級聯(lián)編碼后采用交織技術(shù)將突發(fā)錯誤隨機(jī)化。</p><p> <strong>2 基于Turbo碼的CTCS3級列控系統(tǒng)無線信道信息安全傳輸方案</strong></p><p> 2.1 Turbo技術(shù)</p><p> Turbo 碼的設(shè)計原則主要包括 3 個方面：（1）加入了隨機(jī)交織器，使得編碼器輸出的碼字獲得了近似隨機(jī)的特性，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼；（2）分量編碼器之間通過隨機(jī)交織器并行級聯(lián)在一起，這主要是為了實(shí)現(xiàn)使分量編碼器輸出的短碼字構(gòu)成 Turbo 碼的長碼字；（3）譯碼器結(jié)構(gòu)中的分量譯碼器采用基于最大后驗(yàn)概率譯碼算法的迭代譯碼方式進(jìn)行譯碼，使得譯碼性能能夠最大限度的接近最大似然算法譯碼性能的效果。Turbo 碼巧妙運(yùn)用了 Shannon 證明信道編碼定理的 3 個基本條件，使得其獲得了接近 Shannon 理論極限的譯碼性能。因此，在考慮可以接受譯碼算法復(fù)雜度和時延的情況下，Turbo 碼完全能夠?yàn)椴煌蓴_環(huán)境下的通信系統(tǒng)，提供幾乎與 Shannon 理論極限相接近的通信質(zhì)量。</p><p> 2.2 基于Turbo碼的CBTC列控系統(tǒng)無線信道信息安全傳輸方案</p><p> 高速列車運(yùn)行控制信息的無線傳輸需要具備以下條件：</p><p> �。�1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枰笙喈?dāng)高。要求系統(tǒng)傳輸誤碼率達(dá)到 10-5~10-6，平均的無故障時間 >106 h；</p><p> �。�2）能夠滿足列車運(yùn)行控制所需信息吞吐量和實(shí)時性要求；</p><p> �。�3）必須采用遵循故障—安全原則的傳輸方式。</p><p> 對于基于無線通信的列控系統(tǒng)，在傳輸控制信息時，傳輸?shù)陌踩煽啃允鞘紫刃枰紤]的問題，為了滿足系統(tǒng)要求，需要采用分集接收技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、編碼技術(shù)、優(yōu)化調(diào)制解調(diào)體制、差錯控制技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)等技術(shù)手段或措施來降低由于信號衰落、干擾對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量造成的影響。但是過多的采用這些技術(shù)必然會占用大量信息位和造成過大的時延，這顯然對列控系統(tǒng)的傳輸效率以及實(shí)時性會有很大的影響。</p><p> 列車控制數(shù)據(jù)無線傳輸時，其信息編碼方式采用短信息結(jié)構(gòu)和前向糾錯控制方式為主、選擇重發(fā)為輔的差錯控制方式。在該方案中 GSM-R系統(tǒng)中的無線信道中采用了 Turbo 碼的編譯碼方式，因?yàn)?Turbo 碼具有接近香農(nóng)限的優(yōu)越性能，尤其是對于信道中的突發(fā)噪聲，有很好的糾錯性能。</p><p> <strong>3 仿真與分析</strong></p><p> 為了驗(yàn)證本文所改進(jìn)的 GSM-R 系統(tǒng)安全信息傳輸方案的有效性，采用幾種不同的譯碼算法來進(jìn)行仿真測試，并對 SOVA、Max-Log-Map 和Log-MAP 算法的性能進(jìn)行了比較與分析。</p><p> 因?yàn)槟壳?GSM-R 系統(tǒng)的誤碼率為 10-3左右，所以根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計方案中采取的 Turbo 碼技術(shù)可以降低無線信道中誤比特率，滿足列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅岣呦到y(tǒng)的可靠性。</p><p> <strong>4 結(jié)束語</strong></p><p> 本文針對 CTCS3 級列控系統(tǒng)中信息安全傳輸問題，提出基于 Turbo 碼技術(shù)的安全信息傳輸控制方案，在 Matlab 仿真環(huán)境中分別采用幾種不同的譯碼算法進(jìn)行了仿真測試與分析研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計的基于 Turbo 碼的安全信息傳輸方案的合理有效性。因此，在 CTCS3 列控系統(tǒng)安全信息傳輸中采用 Turbo 碼代替卷積碼進(jìn)行糾錯信道編碼，可降低無線信道中誤比特率，提高系統(tǒng)的可靠性。</p>
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