基于GSM-R列控系统信息安全传输的研究

杨 花，王长林

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031）

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，其系统结构如图1所示。GSM-R系统的编码方案如表1所示。

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。

表1 GSM-R系统的编码方案

（1）Turbo码编码器

Turbo码的编码器由分量编码器、交织器、删余矩阵和复用器4个部分组成，如图2所示。分量编码器编码一般选择为递归系统卷积码，当然也可以是分组码、非递归卷积码或非系统卷积码。通常两个分量码采用相同的生成矩阵，当然，分量码也可以是不同的。

在编码过程中，输入长度为N的信息序列u={u1, u2,…,uN}在送入分量编码器1的同时作为系统输出{Ssk}直接送到复接器，同时信息序列u={u1, u2,…,uN}经过一个N位交织器，生成一个新的交织{um}序列被送入分量编码器2，两个分量编码器分别生成校验序列1，为了提高码率，将两个校验序列经过删余矩阵，从而删除部分校验位，一般采用的是奇偶删余法。比如删除校验序列1中偶数位置的校验比特和校验序列2中奇数位置的校验比特，其校验矩阵，生成校验序列{xpk}。最后校验序列与系统输出复接后得到Turbo码码字序列c。

（2）Turbo码译码器

Turbo 码的译码器是由两个与分量编码器对应的分量译码器和交织器、解交织器组成的，将一个分量译码器的软输出信息作为另一个分量译码器的输入，为了得到更好的译码性能，将此过程迭代。

图2 Turbo码的编码结构

在Turbo码译码结构中，分量译码器同时并行地进行译码操作，每个分量译码器的输入为系统信息序列和与其相对应的分量编码器输出校验序列经过信道传输后的接收序列，以及从另一个分量编码器生成交织/解交织后的对数似然比值得到的外部先验信息。结构中的交织器与编码器中的交织器相同，解交织器是与交织器相对应的。Turbo码译码器结构图如图3所示。

图3 Turbo码的译码结构

其迭代译码原理：

对于第k个被译比特，分量译码器1对接收到的先验信息和与其对应的分量编码器1生成的校验序列1进行最佳译码，译码后输出外部似然信息，通过交织器后的对数似然比值作为分量译码器2的先验信息，同时分量编码器2接收系统信息序列和与其对应的分量编码器2生成的校验序列2进行最佳译码，译码后同样输出外部似然信息，经过解交织器后的对数似然比值作为下一次迭代需要的分量译码器1的先验信息。随着迭代次数的增加，分量译码器得到的外部似然信息对提高译码性能的作用会越来越小，达到一定的迭代次数后，译码性能将不再提高，这时就根据分量译码器2输出外部似然信息经过解交织后的对数似然比值进行硬判决，得到译码码字。

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。

根据上文的分析与研究，设计了如图4所示的改进的信息安全传输方案。

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。

图4 GSM-R系统信息安全传输方案

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。

本文方案中的Turbo码性能仿真所采用的译码算法分别是SOVA、Max-Log-Map和Log-MAP，仿真结果如图5、图6和图7所示。

图5 3种算法一次迭代性能比较

图6 3种算法4次迭代性能比较

图7 Log-MAP算法1/4次迭代性能比较

图6为SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP译码算法1次迭代后对误比特率的影响。由图6可知在一次迭代的情况下，Log-MAP算法性能总体来看最优，SOVA算法在小于1.4 dB信噪比的情况下优于Max-Log-MAP算法。当信噪比大于1.4 dB时，Max-Log-MAP算法的误比率小于SOVA算法。

SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP译码算法4次迭代后的误比特率比较图如图7所示。当信噪比在1.4 dB ～1.8 dB时，Max-Log-MAP算法性能优于Log-MAP算法的。但对于高信噪比，Log-MAP算法性能最优。

Log-MAP译码算法中迭代次数对译码性能的影响见图8。在一定范围内增加迭代次数可以有效的降低误比特率，提高译码性能。

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。

[1]刘东华.Turbo码设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]赵海滨. MATLAB实用教程大全[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]李莎莎.高速铁路LTE系统可靠传输链路研究[D].成都：西南交通大学，2013.