基于GSM-R列控系統(tǒng)信息安全傳輸?shù)难芯?/h1>
2014-11-29 08:40:42王長林
鐵路計算機應(yīng)用 2014年9期
楊 花，王長林
（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）
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。
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?。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(fā)噪聲，因為突發(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行安全和準(zhǔn)點性。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譯碼算法進行了仿真與分析。
1 GSM-R系統(tǒng)信道編碼技術(shù)
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)錯誤隨機化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。GSM-R系統(tǒng)的編碼方案如表1所示。
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
2.1 Turbo技術(shù)
Turbo碼的設(shè)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(xiàn)隨機編碼；（2）分量編碼器之間通過隨機交織器并行級聯(lián)在一起，這主要是為了實現(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(fù)雜度和時延的情況下，Turbo碼完全能夠為不同干擾環(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。
表1 GSM-R系統(tǒng)的編碼方案
（1）Turbo碼編碼器
Turbo碼的編碼器由分量編碼器、交織器、刪余矩陣和復(fù)用器4個部分組成，如圖2所示。分量編碼器編碼一般選擇為遞歸系統(tǒng)卷積碼，當(dāng)然也可以是分組碼、非遞歸卷積碼或非系統(tǒng)卷積碼。通常兩個分量碼采用相同的生成矩陣，當(dāng)然，分量碼也可以是不同的。
在編碼過程中，輸入長度為N的信息序列u={u1, u2,…,uN}在送入分量編碼器1的同時作為系統(tǒng)輸出{Ssk}直接送到復(fù)接器，同時信息序列u={u1, u2,…,uN}經(jīng)過一個N位交織器，生成一個新的交織{um}序列被送入分量編碼器2，兩個分量編碼器分別生成校驗序列1，為了提高碼率，將兩個校驗序列經(jīng)過刪余矩陣，從而刪除部分校驗位，一般采用的是奇偶刪余法。比如刪除校驗序列1中偶數(shù)位置的校驗比特和校驗序列2中奇數(shù)位置的校驗比特，其校驗矩陣，生成校驗序列{xpk}。最后校驗序列與系統(tǒng)輸出復(fù)接后得到Turbo碼碼字序列c。
（2）Turbo碼譯碼器
Turbo 碼的譯碼器是由兩個與分量編碼器對應(yīng)的分量譯碼器和交織器、解交織器組成的，將一個分量譯碼器的軟輸出信息作為另一個分量譯碼器的輸入，為了得到更好的譯碼性能，將此過程迭代。
圖2 Turbo碼的編碼結(jié)構(gòu)
在Turbo碼譯碼結(jié)構(gòu)中，分量譯碼器同時并行地進行譯碼操作，每個分量譯碼器的輸入為系統(tǒng)信息序列和與其相對應(yīng)的分量編碼器輸出校驗序列經(jīng)過信道傳輸后的接收序列，以及從另一個分量編碼器生成交織/解交織后的對數(shù)似然比值得到的外部先驗信息。結(jié)構(gòu)中的交織器與編碼器中的交織器相同，解交織器是與交織器相對應(yīng)的。Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 Turbo碼的譯碼結(jié)構(gòu)
其迭代譯碼原理：
對于第k個被譯比特，分量譯碼器1對接收到的先驗信息和與其對應(yīng)的分量編碼器1生成的校驗序列1進行最佳譯碼，譯碼后輸出外部似然信息，通過交織器后的對數(shù)似然比值作為分量譯碼器2的先驗信息，同時分量編碼器2接收系統(tǒng)信息序列和與其對應(yīng)的分量編碼器2生成的校驗序列2進行最佳譯碼，譯碼后同樣輸出外部似然信息，經(jīng)過解交織器后的對數(shù)似然比值作為下一次迭代需要的分量譯碼器1的先驗信息。隨著迭代次數(shù)的增加，分量譯碼器得到的外部似然信息對提高譯碼性能的作用會越來越小，達(dá)到一定的迭代次數(shù)后，譯碼性能將不再提高，這時就根據(jù)分量譯碼器2輸出外部似然信息經(jīng)過解交織后的對數(shù)似然比值進行硬判決，得到譯碼碼字。
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
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(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；
（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(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)的傳輸效率以及實時性會有很大的影響。
根據(jù)上文的分析與研究，設(shè)計了如圖4所示的改進的信息安全傳輸方案。
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，因為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。
圖4 GSM-R系統(tǒng)信息安全傳輸方案
3 仿真與分析
為了驗證本文所改進的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。
本文方案中的Turbo碼性能仿真所采用的譯碼算法分別是SOVA、Max-Log-Map和Log-MAP，仿真結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。
圖5 3種算法一次迭代性能比較
圖6 3種算法4次迭代性能比較
圖7 Log-MAP算法1/4次迭代性能比較
圖6為SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP譯碼算法1次迭代后對誤比特率的影響。由圖6可知在一次迭代的情況下，Log-MAP算法性能總體來看最優(yōu)，SOVA算法在小于1.4 dB信噪比的情況下優(yōu)于Max-Log-MAP算法。當(dāng)信噪比大于1.4 dB時，Max-Log-MAP算法的誤比率小于SOVA算法。
SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP譯碼算法4次迭代后的誤比特率比較圖如圖7所示。當(dāng)信噪比在1.4 dB ～1.8 dB時，Max-Log-MAP算法性能優(yōu)于Log-MAP算法的。但對于高信噪比，Log-MAP算法性能最優(yōu)。
Log-MAP譯碼算法中迭代次數(shù)對譯碼性能的影響見圖8。在一定范圍內(nèi)增加迭代次數(shù)可以有效的降低誤比特率，提高譯碼性能。
因為目前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?，提高系統(tǒng)的可靠性。
4 結(jié)束語
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行了仿真測試與分析研究。仿真結(jié)果驗證了所設(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。
[1]劉東華.Turbo碼設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.
[2]趙海濱. MATLAB實用教程大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.
[3]李莎莎.高速鐵路LTE系統(tǒng)可靠傳輸鏈路研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.
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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?。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(fā)噪聲，因為突發(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行安全和準(zhǔn)點性。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譯碼算法進行了仿真與分析。
1 GSM-R系統(tǒng)信道編碼技術(shù)
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)錯誤隨機化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。GSM-R系統(tǒng)的編碼方案如表1所示。
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
2.1 Turbo技術(shù)
Turbo碼的設(shè)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(xiàn)隨機編碼；（2）分量編碼器之間通過隨機交織器并行級聯(lián)在一起，這主要是為了實現(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(fù)雜度和時延的情況下，Turbo碼完全能夠為不同干擾環(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。
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（1）Turbo碼編碼器
Turbo碼的編碼器由分量編碼器、交織器、刪余矩陣和復(fù)用器4個部分組成，如圖2所示。分量編碼器編碼一般選擇為遞歸系統(tǒng)卷積碼，當(dāng)然也可以是分組碼、非遞歸卷積碼或非系統(tǒng)卷積碼。通常兩個分量碼采用相同的生成矩陣，當(dāng)然，分量碼也可以是不同的。
在編碼過程中，輸入長度為N的信息序列u={u1, u2,…,uN}在送入分量編碼器1的同時作為系統(tǒng)輸出{Ssk}直接送到復(fù)接器，同時信息序列u={u1, u2,…,uN}經(jīng)過一個N位交織器，生成一個新的交織{um}序列被送入分量編碼器2，兩個分量編碼器分別生成校驗序列1，為了提高碼率，將兩個校驗序列經(jīng)過刪余矩陣，從而刪除部分校驗位，一般采用的是奇偶刪余法。比如刪除校驗序列1中偶數(shù)位置的校驗比特和校驗序列2中奇數(shù)位置的校驗比特，其校驗矩陣，生成校驗序列{xpk}。最后校驗序列與系統(tǒng)輸出復(fù)接后得到Turbo碼碼字序列c。
（2）Turbo碼譯碼器
Turbo 碼的譯碼器是由兩個與分量編碼器對應(yīng)的分量譯碼器和交織器、解交織器組成的，將一個分量譯碼器的軟輸出信息作為另一個分量譯碼器的輸入，為了得到更好的譯碼性能，將此過程迭代。
圖2 Turbo碼的編碼結(jié)構(gòu)
在Turbo碼譯碼結(jié)構(gòu)中，分量譯碼器同時并行地進行譯碼操作，每個分量譯碼器的輸入為系統(tǒng)信息序列和與其相對應(yīng)的分量編碼器輸出校驗序列經(jīng)過信道傳輸后的接收序列，以及從另一個分量編碼器生成交織/解交織后的對數(shù)似然比值得到的外部先驗信息。結(jié)構(gòu)中的交織器與編碼器中的交織器相同，解交織器是與交織器相對應(yīng)的。Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 Turbo碼的譯碼結(jié)構(gòu)
其迭代譯碼原理：
對于第k個被譯比特，分量譯碼器1對接收到的先驗信息和與其對應(yīng)的分量編碼器1生成的校驗序列1進行最佳譯碼，譯碼后輸出外部似然信息，通過交織器后的對數(shù)似然比值作為分量譯碼器2的先驗信息，同時分量編碼器2接收系統(tǒng)信息序列和與其對應(yīng)的分量編碼器2生成的校驗序列2進行最佳譯碼，譯碼后同樣輸出外部似然信息，經(jīng)過解交織器后的對數(shù)似然比值作為下一次迭代需要的分量譯碼器1的先驗信息。隨著迭代次數(shù)的增加，分量譯碼器得到的外部似然信息對提高譯碼性能的作用會越來越小，達(dá)到一定的迭代次數(shù)后，譯碼性能將不再提高，這時就根據(jù)分量譯碼器2輸出外部似然信息經(jīng)過解交織后的對數(shù)似然比值進行硬判決，得到譯碼碼字。
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
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(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；
（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(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)的傳輸效率以及實時性會有很大的影響。
根據(jù)上文的分析與研究，設(shè)計了如圖4所示的改進的信息安全傳輸方案。
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，因為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。
圖4 GSM-R系統(tǒng)信息安全傳輸方案
3 仿真與分析
為了驗證本文所改進的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。
本文方案中的Turbo碼性能仿真所采用的譯碼算法分別是SOVA、Max-Log-Map和Log-MAP，仿真結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。
圖5 3種算法一次迭代性能比較
圖6 3種算法4次迭代性能比較
圖7 Log-MAP算法1/4次迭代性能比較
圖6為SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP譯碼算法1次迭代后對誤比特率的影響。由圖6可知在一次迭代的情況下，Log-MAP算法性能總體來看最優(yōu)，SOVA算法在小于1.4 dB信噪比的情況下優(yōu)于Max-Log-MAP算法。當(dāng)信噪比大于1.4 dB時，Max-Log-MAP算法的誤比率小于SOVA算法。
SOVA、Max-Log-MAP和Log-MAP譯碼算法4次迭代后的誤比特率比較圖如圖7所示。當(dāng)信噪比在1.4 dB ～1.8 dB時，Max-Log-MAP算法性能優(yōu)于Log-MAP算法的。但對于高信噪比，Log-MAP算法性能最優(yōu)。
Log-MAP譯碼算法中迭代次數(shù)對譯碼性能的影響見圖8。在一定范圍內(nèi)增加迭代次數(shù)可以有效的降低誤比特率，提高譯碼性能。
因為目前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?，提高系統(tǒng)的可靠性。
4 結(jié)束語
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行了仿真測試與分析研究。仿真結(jié)果驗證了所設(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。
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