CTCS-3級列控系統無線超時GSM-R電臺SIM卡故障分析及解決措施

張曉東，陳延春，陳 錚

（中國鐵路上海局集團有限公司杭州電務段，杭州 310002）

CTCS-3 級（簡稱C3）列車控制系統是高速鐵路核心技術裝備和安全關鍵系統，負責指揮列車運行、保證行車安全、提高鐵路運輸效率，在車-地無線信息傳輸中時有發生無線通信超時（簡稱“無線超時”），無線超時后，ATP 車載設備將輸出常用制動，待列車運行速度降至CTCS-2 級（簡稱C2）允許速度時，提示司機確認，系統將轉換為C2 控車，導致允許速度降低，影響運輸效率。

目前，隨著C3 無線超時分析的不斷深入，車載空口、基站空口、接口監測業務信令流程監測的普及，針對網絡中信息交互造成的C3 無線超時已經能夠準確分析原因并準確定位故障點。但是由于SIM 卡引起的瞬間脫網、注冊失敗等導致的問題，具體原因分析很困難，而且不是固有故障，事后檢測各項性能指標均正常，對現場設備維護造成很大的困擾。本文就針對SIM 卡問題進行全面分析,并提出解決措施。

1 SIM卡應用分析

1.1 SIM卡作用

GSM-R SIM 卡作為GSM-R 專用移動通信系統的重要組成部分，是基于GSM-R 進行各類通信業務必不可少的設備，特別是用于與行車直接相關的通信業務，關系到整個鐵路列車行車安全和運輸秩序。ATP 電臺使用的SIM 卡根據通信業務功能需求劃分屬于CSD 業務類，每套ATP 設備有2 個電臺模塊，SIM 卡安裝在電臺模塊中。高鐵列車運行過程中，2個電臺模塊交替呼叫地面RBC 設備，建立CSD 呼叫。為確保行車過程中列控業務不受其他通信業務的干擾，其SIM 卡僅開啟語音業務的CSD 呼叫功能。SIM 卡目前采取維修方式是故障修，等發現故障時進行檢查或者更換，未出現故障則一直維持使用。

1.2 SIM卡原理

SIM 卡是用戶身份模塊，存儲用戶有關的個人信息和網絡信息，主要完成數據存儲、客戶身份鑒權和客戶信息加密算法等功能，ATP 電臺中的SIM卡負責實現網絡注冊及CSD 呼叫。

SIM 卡是一個裝有微處理器的芯片卡，其內部結構有 5 個模塊，并且每個模塊都對應一個功能：微處理器 CPU、程序存儲器 ROM、工作存儲器RAM、 數據存儲器 EEPROM 和串行通信單元。

1.3 SIM卡結構

SIM 卡表面的6 個觸點是其外部接口，根據其功能劃分為電源電壓（Vcc）、復位信號（RTS）、時鐘信號（CLK）、接地（GND）、可變電源電壓（VPP）、輸入/輸出（I/O）。

2 SIM卡故障分析

2.1 SIM卡故障分析

SIM 卡故障時，其相關特征如下。

1）DMI 界面無網絡注冊；

2）GSM-R 電臺狀態指示燈顯示異常；

3）途中瞬間脫網后自動恢復網絡注冊；

4）斷電重啟后恢復網絡注冊；

5）重插SIM 卡后恢復網絡注冊。

根據以上信息，SIM 卡故障的可能原因是：

1）模塊軟件問題；

2）SIM 卡電路電性能臨界，造成間歇性讀取卡失敗；

3) 卡座相關尺寸有問題，造成彈片與SIM 卡沒接觸上；

4) 卡座彈片氧化造成接觸阻抗變大，影響讀取SIM 卡；

5) SIM 卡觸片氧化造成接觸阻抗變大，影響讀取SIM 卡；

6) 卡座彈片與SIM 卡之間有異物，隔斷電路，影響讀取SIM 卡。

2.2 故障檢測

2.2.1 電臺模塊性能檢測

選取4 塊發生SIM 卡故障的300T 型ATP 設備電臺模塊進行測試，模塊可正常識別SIM 卡，各參數均符合標準要求。

對杭州電務段2020 年3 月至2021 年3 月共8件SIM 卡故障造成的無線超時進行數據分析。

1）通過車載側記錄數據中Log 數據分析：Fewer modems registered than installed 1（單電臺）。該記錄說明只有一個電臺注冊到網絡，說明在電臺與網絡間出現問題，且數據沒有其他故障信息報警語句，基本可以判斷ATP 設備正常。

2）通過分析空口監測數據顯示SIM 未插入或SIM 卡錯誤。

3）通過分析通信側三接口數據能夠看到 IMSI DETACH INDICATIO（電臺網絡去附著）。

電臺網絡去附著的原因可能是電臺正常關機，也可能是 SIM 卡異常導致的，此類超時通常在車-地數據正常交互的情況下。如果是電臺關機的話，后續RBC 交權區會出現單電臺情況，所以基本可以判定為SIM 卡異常。

2.2.2 SIM卡電路電氣性能檢測

按照3GPP 標準SIM 卡接口部分的要求，SIM卡電路有6 個PIN 腳，必需的是供電、復位、時鐘、數據和接地。選取4 張SIM 卡的供電、復位、時鐘和數據等電性能指標，各項指標符合標準要求，并不存在指標臨界的情況，可排除電路電氣性能的原因。

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2.2.3 SIM卡厚度檢測

根據標準，SIM 卡的厚度要求為0.76±0.08 mm，測量4 個故障SIM 卡，厚度符合要求，如表1 所示。

表1 SIM卡厚度檢測結果Tab.1 SIM card thickness test result

2.2.4 SIM卡座彈片接觸電阻檢測

SIM 卡座各彈片的接觸電阻過大會影響模塊讀取SIM 卡。根據設備廠家經驗，一般卡座各接口的接觸電阻大于500 mΩ 時，才可能引起讀取SIM卡失敗。選取2 塊SIM 卡對卡座各彈片的接觸電阻進行檢測，各彈片的接觸電阻遠低于影響讀取卡的電阻值，彈片狀態良好，如表2 所示。

表2 卡座彈片接觸電阻檢測Tab.2 Contact resistance detection of SIM card holder clip

2.2.5 SIM卡功能檢查及外觀檢查

將4 塊故障SIM 卡樣品插入模塊中，均可以正常讀取SIM 卡。觀察SIM 卡觸片外觀，發現表面存在嚴重程度不一的劃痕，鍍金層被一層異物覆蓋，金屬反光較弱。在與卡座彈片對應的位置，存在磨損小凹槽，證明振動磨損的存在，也可以說明尺寸配合是沒有問題的。

2.2.6 SIM卡表面檢測

為確認SIM 卡觸片的狀態，設備廠家委托相關試驗室做了表面形貌分析（SEM）/成分分析（EDS），SEM 主要用于樣品表面的微觀形貌與結構的表征、EDS 用于元素定性和半定量分析，如圖1所示。

圖1 SEM/EDS檢測Fig.1 SEM/EDS detection

將4 塊故障SIM 卡（使用時間5 年以上）的表面進行SEM/EDS 檢測，檢測結果如下：彈片接觸部位有嚴重劃痕，劃痕周圍存在異物顆粒，為不導電異物。異物顆粒推測是有機物和氧化物混合組成，異物的主要含量為碳、氧、鎳、氯、銅、鈣等元素。

2.3 數據分析

通過以上檢測結果分析，基本排除了軟件問題，模塊和SIM 卡功能正常，模塊SIM 卡電路的電氣性能、SIM 卡座和SIM 卡的相關尺寸和SIM 卡座彈片的接觸電阻均正常。

發現使用時間長的卡座彈片和SIM 卡的接觸部位周圍有較多不導電異物。

觸片不是絕對平整的、金層的硬度很小，卡座彈片和SIM 卡觸片是通過若干個小微丘接觸導通的，如圖2 所示。

圖2 彈片微丘接觸示意Fig.2 Clip bulge contact diagram

推測電臺模塊長期工作在隨機振動環境下，卡座彈片與SIM 卡觸片之間存在微動摩擦，容易在接觸部位周圍產生有機物、氧化物和磨損粉末的堆積。如果異物堆積過高，可能會由于振動原因將有機物和氧化物等推至彈片接觸區域，從而隔斷電信號，造成不識卡故障，導致SIM 卡故障。此時若重裝SIM 卡，彈片將異物推開，恢復接觸，故障消失?；蛘呖赡芤蛭幽Σ翆愇锿崎_，即出現運行中自動恢復的情況。模塊或SIM 卡使用的時間越久，鍍層磨損越嚴重，表面產生的氧化物越多，出現故障的概率越大。

3 整治措施及效果

3.1 新增維護手段

通過分析基本確認SIM 故障是由于異物隔斷造成電臺不識卡，針對性采取SIM 卡清潔、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 種措施。

通常的表面清潔方式有3 種：酒精、橡皮擦、電子清潔劑。為了對比3 種方式的效果，選取3 塊表面異物較多的SIM 卡，清潔后做表面形貌分析（SEM），發現橡皮擦清潔效果較差，電子清潔劑效果一般，酒精清潔效果較好，清潔后，盡量不觸碰SIM 卡。

采用耐高溫布基雙面膠將SIM 卡與卡托粘貼，雙面膠厚度控制在0.1 mm 之內，避免厚度太大。

卡托固定及密封。采用銅箔膠帶對卡托表面和電臺表面粘貼，達到固定卡托和SIM 卡密封效果。如圖3 所示。

圖3 卡托固定及密封Fig.3 SIM card tray fixture and sealing

3.2 整改效果

杭州電務段共配屬60 套300T 型ATP 設備120 個電臺及SIM 卡，使用年限均超過10 年。2020 年3 月 至2021 年3 月 共 發 現8 件SIM 故 障造成的無線超時，后采取SIM 卡清潔、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 種措施，2021 年3 月至2022 年3 月未發生SIM 故障造成的無線超時。

拿棉簽蘸酒精后擦拭SIM 卡觸片，擦拭10 個來回之后，SIM 卡觸片可以看到明顯的金屬反光。在SEM 下看，也可以看到顆粒異物基本被清除，如圖4、5 所示。

圖4 SIM清洗前的狀態Fig.4 SIM status before cleaning

圖5 SIM清洗后的狀態Fig.5 SIM status after cleaning

4 拓展及建議

目前ATP 設備的修程有一級修、二級修、高級修、更新改造，確保了設備能夠正常運用，而SIM卡沒有明確的修程及檢修要求，建議結合ATP 設備修程同步施修，結合高級修對SIM 卡進行清潔，結合ATP 設備更新改造更換SIM 卡。

根據《GSM-R 數字移動通信網設備技術規范》（科技運[2008]172 號）第四部分SIM 卡要求，SIM 卡每個觸點壓力要大于0.5 N，保證SIM 卡與卡槽可靠和連續接觸，并能夠克服氧化物和振動所引起的中斷。根據該項要求，設備廠家要持續做好技術改進，一是要開發相關卡槽和SIM 卡的相關技術指標的檢測工具；二是改進結構工藝，確保SIM卡與卡托不產生微振動，卡托與電臺不產生微振動。三是加強材料研究，針對鐵路行車安全的需求，對SIM 卡的電路設計、觸片工藝開展針對性設計、制造。

探索eSIM 卡（嵌入式SIM 卡）在鐵路GSM-R網絡中運用，避免SIM 卡與電臺接觸不良產生的故障。