CTCS-3車載通信單元測試系統設計與實現

翟旺勛，彭朝亮

(通號工程局集團北京研究設計實驗中心有限公司，北京 100070)

CTCS-3（簡稱C3）列控系統是中國鐵路最先進和安全可靠的鐵路控制系統，已在高速鐵路得到普遍應用。C3 列控系統基于GSM-R 無線通信技術，兼容CTCS-2（簡稱C2）列控系統，滿足最高運營速度350 km/h、列車正向運行追蹤時間間隔3 min 的要求。

車載通信單元（MT）是C3 列控系統為實現基于GSM-R 無線網絡雙向信息傳輸的發送和接收模塊，不僅要為列車調度提供調度通信服務，而且承擔機車和地面信息傳輸業務。它為C3 列控系統的正常運行提供通信通道基礎，但是現階段C3 列控系統的日常維護工作，儀表操作繁瑣，人工測試效率低，無法對通信單元進行全方位的測試和維護，存在一定的技術隱患，因此，開發C3 車載通信單元自動測試系統綜合監控平臺是有必要的。

1 車載通信單元介紹與測試方法

1.1 車載通信單元系統構成

車載通信單元，即GSM-R 模塊，包括無線通信處理單元、外殼及接口。接口部分包括應用設備連接器、狀態指示燈、維護接口和RF 連接器，模塊組成如圖1 所示。

根據用途不同，GSM-R 模塊分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4 類。I 類模塊用于GSM-R 語音業務；Ⅱ類模塊用于GSM-R 電路域數據業務；Ⅲ類模塊用于GSM-R 分組域數據業務；Ⅳ類模塊同時具備Ⅰ類和Ⅲ類模塊功能，可通過對模塊進行設置，作為Ⅰ類或Ⅲ類模塊使用。

圖1 GSM-R模塊組成示意圖Fig.1 Diagram of the structure of GSM-R modules

GSM-R 模塊業務及功能測試系統構成如圖2所示。基站子系統（BSS）是由一個基站控制器（BSC）和多個基站收發信機（BTS）組成，BTS 負責同GSM-R 模塊進行通訊，同時管理空中接口；BSC 的作用是管理BTS 與移動交換中心（MSC）之間的信息流。網絡子系統（NSS）是由移動交換中心（MSC）與一系列相關數據庫組成，主要負責端對端呼叫、用戶數據管理、移動性管理和固定網絡連接。操作和維護子系統（OSS）管理和維護GSM-R 網絡，操作維護中心（OMC）具體完成管理功能。

圖2 GSM-R模塊業務及功能測試系統構成圖Fig.2 Structure of test system of services and functions of GSM-R module

C3 列控系統與GSM-R 通信系統的結構如圖3 所示，IFIX接口是列控系統中地面設備單元與GSM-R網絡的移動交換中心（MSC）之間的接口。圖3 中的IGSM-R接口是指C3 車載設備中的終端設備與移動終端之間的接口，為信令和用戶數據傳輸提供了不同的操作模式。圖中車載通信單元（MT）與GSM-R網絡之間的Um 接口是其與基站之間交互的無線信息傳輸接口。

圖3 C3列控系統與GSM-R通信系統的結構關系圖Fig.3 Relationship between the structures of C3 train control and GSM-R communication systems

1.2 車載通信單元測試方法

C3 級采用無線通信技術，列車的速度可以達到很高而且能夠保證安全，這對無線通信系統的安全可靠提出了極高要求。車載通信單元作為無線通信系統的重要組成部分，主要負責GSM-R 通信的接收和發送，其性能的優劣將直接影響接入GSM-R網絡后的服務質量，進而影響C3 級列車控制系統的安全穩定運行。因此，定期對車載通信單元進行檢查和檢測是必要的。遵循鐵路無線通信維護規則和車載通信單元（MT）定期檢修作業指導意見，下面以GSM-R 話音單元和數據單元發射機最大輸出功率為例，介紹檢測方法。

GSM-R 數據單元發射機最大輸出功率需滿足的指標如表1 所示。

表1 最大輸出功率需滿足的指標Tab.1 Requirement for maximum power output

檢測方法和步驟如下。

1）GSM-R 數據單元插入SIM 卡，開機。

2）移動終端測試儀與GSM-R 數據單元建立分組數據通信，移動終端測試儀指令GSM-R 數據單元以最多時隙發射，功率控制級設為2 級。

3）測試正常突發脈沖的輸出功率，記錄功率值。

2 CTCS-3車載通信單元自動測試系統

2.1 系統構成

C3 車載通信單元測試系統，主要利用工控機對GSM-R 移動終端綜合測試儀進行操作，對C3 車載通信單元進行技術指標參數測試。系統對比C3 車載通信單元的技術指標和標準要求，準確判斷該單元是否滿足GSM-R 通信要求，并通過技術參數的趨勢圖判斷其長期技術指標的劣化趨勢。C3 車載通信單元測試系統實現C3 車載通信單元的自動測試，操作簡單靈活，可大幅度減少直接使用GSM-R 移動終端綜合測試儀進行測試的測試時間及人為因素影響。

C3 列控車載通信單元測試系統由GSM-R 無線終端測試儀、工業控制計算機和顯示器組成，可對C3 列控車載通信單元進行技術指標測試。系統結構示意如圖4 所示。

圖4 測試系統示意圖Fig.4 Diagram of test system

2.2 GSM-R移動終端綜合測試儀

GSM-R 移動終端綜合測試儀（綜測儀）是專門針對GSM-R 具有的相關特性和頻段所設計的。可實現GSM-R 通信單元的技術指標及信令的測試。

綜測儀具有以下特點：

1）針對GSM-R 終端測試應用的專業綜合測試儀；

2）支持語音組呼業務（VGCS）；

3）在語音組呼測試業務中定義組號與優先級；

4）從終端讀取IMEI（移動設備國際身份碼）；

5）支持GSM-R 所有頻段范圍。

2.3 工業控制計算機

工業控制計算機實現綜測儀的核心控制以及人機交互界面。通過串口、以太網口與系統其他設備通信，控制其他測試單元，并讀取其他單元的測試結果及狀態。工業控制計算機采用最小空間占用的設計原則，采用Mini-ITX 主板，其尺寸只有 170 ×170 mm，并能夠提供豐富的接口以及可靠的效能。高度整合的 Mini-ITX 主板平臺的整板功耗低于 100 W，并且提供至少一個基本擴展插槽。Mini-ITX 無論是外型尺寸或電源效率都能滿足C3車載通信單元自動測試系統的要求，如圖5 所示。

2.4 背板接口單元

背板接口單元主要為GSM-R 模塊提供通信、數據傳輸、控制和電源輸入功能，包括電源接入接口、繼電器控制接口和串口單元。

電源輸入接口是為繼電器和串口芯片提供電源。該接口支持DC6 ～24 V 的寬電壓輸入范圍，模塊采用的是DC/DC 降壓IC：RT7272，可以提供非常高的電源轉換效率，以及寬電壓輸入范圍。并且采用電源防反接保護和TVS 電壓保護雙重保護措施，有效提供模塊的可靠性。電源電路如圖6 所示。

測試單元繼電器接口是高性能的帶隔離繼電器模組，驅動電壓為直流5 V，輸入信號為高電平有效，且都經過光耦隔離，更加安全并具有很強的抗干擾能力，能適應惡劣的工作環境，適合控制車載通信單元模塊的功率。繼電器相當于一個單刀雙擲開關，這個開關的公共觸點是繼電器的公共端，當繼電器輸入信號無效時，單刀雙擲開關的公共端則打到常閉端，當繼電器輸入信號有效時，單刀雙擲開關的公共端則打到常開端。系統通過繼電器來控制車載通信單元供電電路的通斷。繼電器調理電路如圖7 所示。

串口單元負責被測車載通信單元的控制和電平轉換，被測車載通信單元的輸出電平是TTL 電平，轉換為RS-232 電平輸出到工業控制計算機，并把工業控制計算機的RS-232 電平轉換為TTL 電平輸出到被測車載通信單元。使用集成芯片MAX232 實現TTL和RS-232 的電平轉換。串口芯片電路如圖8所示。

2.5 電源模塊

圖5 工控機內部結構Fig.5 Internal structure of industrial PC

圖6 電源輸入接口Fig.6 Input interface of power supply

電源模塊為工業控制計算機、GSM-R 移動終端綜合測試儀、GSM-R 通信單元和顯示單元供電，通過電壓轉換、濾波和防護浪涌處理，將AC 220 V 輸入電壓轉換成DC12 V，實現高質量的供電性能。電源模塊的工作流程：當市電進入電源后，先通過濾波，然后經過全橋電路整理和大容量高壓濾波電容進一步整流濾波，再通過開關三極管進行變壓，然后濾除高頻交流部份，最后得到穩定低壓的直流輸出。電源模塊調理電路如圖9 所示。

圖7 繼電器調理電路Fig.7 Circuits for processing relays

圖8 串口調理電路Fig.8 Circuits for processing serial ports

圖9 電源模塊調理電路Fig.9 Circuits for processing power supply module

3 CTCS-3車載通信單元自動測試系統軟件設計

3.1 軟件架構

C3 車載通信單元測試系統按照層次結構劃分，可以分為3 層結構，這3 層分別為顯示層、控制與處理層和通信層。顯示層用于軟件與用戶之間的交互活動；控制與處理層用于控制GSM-R 移動終端測試儀進行測試且處理測試儀返回的測試結果；通信層用于和GSM-R 移動終端測試儀的數據交互。顯示層包含主用戶界面操作與顯示模塊、歷史測試結果數據查詢、表格方式顯示歷史測試結果數據模塊、趨勢圖方式顯示歷史測試結果數據模塊、餅狀圖方式顯示歷史測試結果數據的故障類型分布模塊、歷史測試結果數據打印模塊、導出歷史測試結果模塊等。控制與處理層包含GSM-R 移動終端測試儀控制模塊、測試結果處理模塊和數據記錄模塊等。通信層包含通信初始化模塊、通信數據發送模塊、通信數據接收模塊等。系統架構如圖10 所示。

3.2 功能性需求分析

對C3 車載通信單元測試系統的功能性需求進行分類，可以分為5 大類，分別為：C3 車載通信單元測試系統通信功能、GSM-R 移動終端綜合測試儀控制功能、測試結果記錄功能、測試結果顯示功能、測試結果查詢分析功能。

利用需求分析的工程性方法，給系統的功能類別、子功能制定、分配一個由字母構成的名稱，作為身份（identification，ID）號使用，可以使需求定義明確，具有唯一性，有助于對需求進行跟蹤。C3車載通信單元測試系統的功能類別、子功能名稱的功能列表，如表2 所示。

圖10 系統架構圖Fig.10 System architecture

表2 功能需求列表Tab.2 List of functional requirements

根據鐵路無線通信維護規則，規定C3 車載通信單元的技術指標測試標準值，發射技術指標包括最大峰值功率、載波頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差和發射機突發脈沖定時；接收技術指標包括接收靈敏度，詳細的對應標準如表3 所示。

3.3 軟件功能實現

系統主要的功能是使用C#編程語言實現，包括C3 車載通信單元的自動測試、測試結果顯示、分析和保存，歷史測試結果查詢和分析，歷史測試結果的導出和管理。

程序啟動后，首先檢查模塊和綜測儀是否打開，

若沒有打開，則進行報警，并提示操作人員打開。正常打開后，程序通過串口調取模塊IMEI 號，并記錄測試人、地點和時間。然后系統設定信道進行測試，指令使綜測儀與模塊建立分組數據通信，配置模塊最多實際發送模式，功率控制級設為2 級。等待模塊運行，系統從綜測儀調取數據包，分析幀結構，讀取最大峰值功率、載波頻率誤差、均方根相位誤差和發射機突發脈沖定時等發送性能，并將信息存儲到數據庫。接下來進行接收性能測試，系統設置綜測儀在靜態傳播條件下發送分組數據包，在所分配時隙上使用被測通信單元支持的最高速率編碼方式編碼，并設置滿足的電平。統計發送字塊數量和未被車載通信單元證實的字塊數，計算測量字塊差錯率特性，并存儲數據。判斷是否將設置信道全部測試，對測試結果進行存儲、統計和顯示。程序測試流程如圖11 所示。

4 系統綜合監控平臺實現

圖11 程序測試流程圖Fig.11 Flowchart of program testing

C3 車載通信單元自動測試系統綜合監控平臺，結構采用操作臺形式，顯示屏幕和鍵盤在結構的前面，內部包括控制主板、GSM-R 模塊母板、測試單元、供電電源等。被測模塊從前面板預留測試插槽插入。實物如圖12 所示。

系統主界面可以進行自動測試、定制測試、查詢、系統信息顯示和關機等功能操作，如圖13 所示。系統對C3 車載通信單元進行自動測試，顯示測試結果，在測試過程中可以終止測試。選擇測試全部信道，可測試從1000 到1019 的全部信道；選擇測試部分信道，可由用戶從999 到1019 中選中的信道測試。

圖12 C3車載通信單元測試系統監測平臺實物圖Fig.12 Photo of monitoring platform of test systems of C3 onboard communication units

圖13 監測平臺測試界面Fig.13 Interface of testing of monitoring platform

查詢界面以表格形式顯示歷史測試結果數據，可以查看全部指標的餅狀圖統計結果，也可以查看最大峰值功率、載波頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差、發射機突發脈沖定時和接收靈敏度的折線圖變化趨勢，如圖14 所示。

C3 車載通信單元測試系統具有以下特點：

1）集成式一體結構，使用方便；

2）測試結果精確，避免了人工測試過程中人為因素的干擾；

3）具有良好的交互界面；

4）具有分析功能，可以顯示歷史測試結果的變化趨勢圖、以餅狀圖方式顯示歷史測試結果數據的故障類型分布；

5）具有數據導出功能，可以在遠端管理機關查看測試結果。

5 結論

圖14 監測平臺統計界面Fig.14 Interface of statistics of monitoring platform

綜合監控平臺對C3 車載通信單元的技術指標進行測試和監控，測試999、1009、1019 3 個信道，人工測試需要35 min，而自動測試僅用3 min，極大的提高工作效率。現在C3 車載通信單元自動測試系統綜合監控平臺已經在北京鐵路局、上海鐵路局、西安鐵路局和蘭州鐵路局等得到部署，監控車載通信單元指標變化趨勢，提高管理水平。綜合監控平臺，不僅在第二屆世界智能大會上，得到與會專家和業內人士的廣泛關注，而且在中國鐵路總公司工電部電務安全工作會議上，也收到總公司領導和參會人員的一致好評。

C3 車載通信單元自動測試系統綜合監控平臺的研制，實現對C3 車載通信單元的技術指標測試及綜合統計，促進維護工作的效率提升和故障預防，降低了安全隱患，為MT 設備的管理和維護提供科學手段。