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基于GSM-R列控系統信息安全傳輸的研究論文
CTCS3 級列車控制系統（以下簡稱）列控系統，是基于無線通信的方式實現車地之間雙向、大容量的信息傳輸，包括調度中心發出的調度信息、列車控制信息和線路數據信息、橋隧信息及環境信息、列車的位置、速度、狀態等，GSM-R無線通信系統已成為 CTCS3 級列控系統的核心。然而從安全的角度來講，GSM-R 系統本身是一個開放式傳輸系統，是非安全系統，隨時可能遭受外部信息的入侵，如何保證系統的信息傳輸安全可靠是值得研究的問題。
GSM-R 系統中無線信道信息安全傳輸至關重要，而無線信道中采用的編譯碼算法影響著信息傳輸的安全性能。Turbo 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噪聲，因為突發噪聲會使突發錯誤集中出現，嚴重時會影響列車的運行安全和準點性。因此，本文以 CTCS3 級列控系統信息安全傳輸問題為研究對象，進行基于 Turbo 碼技術的無線信道信息安全傳輸研究，設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 譯碼算法進行了仿真與分析。
1 GSM-R系統信道編碼技術
GSM-R 系統采用了級聯編碼，包括了內碼和外碼兩種不同的信道編碼，通過級聯編碼后采用交織技術將突發錯誤隨機化。
2 基于Turbo碼的CTCS3級列控系統無線信道信息安全傳輸方案
2.1 Turbo技術
Turbo 碼的設計原則主要包括 3 個方面：（1）加入了隨機交織器，使得編碼器輸出的碼字獲得了近似隨機的特性，從而實現隨機編碼；（2）分量編碼器之間通過隨機交織器并行級聯在一起，這主要是為了實現使分量編碼器輸出的短碼字構成 Turbo 碼的長碼字；（3）譯碼器結構中的分量譯碼器采用基于最大后驗概率譯碼算法的迭代譯碼方式進行譯碼，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雜度和時延的情況下，Turbo 碼完全能夠為不同干擾環境下的通信系統，提供幾乎與 Shannon 理論極限相接近的通信質量。
2.2 基于Turbo碼的CBTC列控系統無線信道信息安全傳輸方案
高速列車運行控制信息的無線傳輸需要具備以下條件：
（1）數據傳輸的可靠性需要求相當高。要求系統傳輸誤碼率達到 10-5~10-6，平均的無故障時間 >106 h；
（2）能夠滿足列車運行控制所需信息吞吐量和實時性要求；
（3）必須采用遵循故障—安全原則的傳輸方式。
對于基于無線通信的列控系統，在傳輸控制信息時，傳輸的安全可靠性是首先需要考慮的問題，為了滿足系統要求，需要采用分集接收技術、擴頻技術、編碼技術、優化調制解調體制、差錯控制技術、自適應均衡技術等技術手段或措施來降低由于信號衰落、干擾對系統的數據傳輸質量造成的影響。但是過多的采用這些技術必然會占用大量信息位和造成過大的時延，這顯然對列控系統的傳輸效率以及實時性會有很大的影響。
列車控制數據無線傳輸時，其信息編碼方式采用短信息結構和前向糾錯控制方式為主、選擇重發為輔的差錯控制方式。在該方案中 GSM-R系統中的無線信道中采用了 Turbo 碼的編譯碼方式，因為 Turbo 碼具有接近香農限的優越性能，尤其是對于信道中的突發噪聲，有很好的糾錯性能。
3 仿真與分析
為了驗證本文所改進的 GSM-R 系統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行仿真測試，并對 SOVA、Max-Log-Map 和Log-MAP 算法的性能進行了比較與分析。
因為目前 GSM-R 系統的誤碼率為 10-3左右，所以根據仿真結果可以看出，本文所設計方案中采取的 Turbo 碼技術可以降低無線信道中誤比特率，滿足列控系統數據傳輸的要求，提高系統的可靠性。
4 結束語
本文針對 CTCS3 級列控系統中信息安全傳輸問題，提出基于 Turbo 碼技術的安全信息傳輸控制方案，在 Matlab 仿真環境中分別采用幾種不同的譯碼算法進行了仿真測試與分析研究。仿真結果驗證了所設計的基于 Turbo 碼的安全信息傳輸方案的合理有效性。因此，在 CTCS3 列控系統安全信息傳輸中采用 Turbo 碼代替卷積碼進行糾錯信道編碼，可降低無線信道中誤比特率，提高系統的可靠性。
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