CTCS-3车载通信单元测试系统设计与实现

翟旺勋，彭朝亮

(通号工程局集团北京研究设计实验中心有限公司，北京 100070)

CTCS-3（简称C3）列控系统是中国铁路最先进和安全可靠的铁路控制系统，已在高速铁路得到普遍应用。C3 列控系统基于GSM-R 无线通信技术，兼容CTCS-2（简称C2）列控系统，满足最高运营速度350 km/h、列车正向运行追踪时间间隔3 min 的要求。

车载通信单元（MT）是C3 列控系统为实现基于GSM-R 无线网络双向信息传输的发送和接收模块，不仅要为列车调度提供调度通信服务，而且承担机车和地面信息传输业务。它为C3 列控系统的正常运行提供通信通道基础，但是现阶段C3 列控系统的日常维护工作，仪表操作繁琐，人工测试效率低，无法对通信单元进行全方位的测试和维护，存在一定的技术隐患，因此，开发C3 车载通信单元自动测试系统综合监控平台是有必要的。

1 车载通信单元介绍与测试方法

1.1 车载通信单元系统构成

车载通信单元，即GSM-R 模块，包括无线通信处理单元、外壳及接口。接口部分包括应用设备连接器、状态指示灯、维护接口和RF 连接器，模块组成如图1 所示。

根据用途不同，GSM-R 模块分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4 类。I 类模块用于GSM-R 语音业务；Ⅱ类模块用于GSM-R 电路域数据业务；Ⅲ类模块用于GSM-R 分组域数据业务；Ⅳ类模块同时具备Ⅰ类和Ⅲ类模块功能，可通过对模块进行设置，作为Ⅰ类或Ⅲ类模块使用。

图1 GSM-R模块组成示意图Fig.1 Diagram of the structure of GSM-R modules

GSM-R 模块业务及功能测试系统构成如图2所示。基站子系统（BSS）是由一个基站控制器（BSC）和多个基站收发信机（BTS）组成，BTS 负责同GSM-R 模块进行通讯，同时管理空中接口；BSC 的作用是管理BTS 与移动交换中心（MSC）之间的信息流。网络子系统（NSS）是由移动交换中心（MSC）与一系列相关数据库组成，主要负责端对端呼叫、用户数据管理、移动性管理和固定网络连接。操作和维护子系统（OSS）管理和维护GSM-R 网络，操作维护中心（OMC）具体完成管理功能。

图2 GSM-R模块业务及功能测试系统构成图Fig.2 Structure of test system of services and functions of GSM-R module

C3 列控系统与GSM-R 通信系统的结构如图3 所示，IFIX接口是列控系统中地面设备单元与GSM-R网络的移动交换中心（MSC）之间的接口。图3 中的IGSM-R接口是指C3 车载设备中的终端设备与移动终端之间的接口，为信令和用户数据传输提供了不同的操作模式。图中车载通信单元（MT）与GSM-R网络之间的Um 接口是其与基站之间交互的无线信息传输接口。

图3 C3列控系统与GSM-R通信系统的结构关系图Fig.3 Relationship between the structures of C3 train control and GSM-R communication systems

1.2 车载通信单元测试方法

C3 级采用无线通信技术，列车的速度可以达到很高而且能够保证安全，这对无线通信系统的安全可靠提出了极高要求。车载通信单元作为无线通信系统的重要组成部分，主要负责GSM-R 通信的接收和发送，其性能的优劣将直接影响接入GSM-R网络后的服务质量，进而影响C3 级列车控制系统的安全稳定运行。因此，定期对车载通信单元进行检查和检测是必要的。遵循铁路无线通信维护规则和车载通信单元（MT）定期检修作业指导意见，下面以GSM-R 话音单元和数据单元发射机最大输出功率为例，介绍检测方法。

GSM-R 数据单元发射机最大输出功率需满足的指标如表1 所示。

表1 最大输出功率需满足的指标Tab.1 Requirement for maximum power output

检测方法和步骤如下。

1）GSM-R 数据单元插入SIM 卡，开机。

2）移动终端测试仪与GSM-R 数据单元建立分组数据通信，移动终端测试仪指令GSM-R 数据单元以最多时隙发射，功率控制级设为2 级。

3）测试正常突发脉冲的输出功率，记录功率值。

2 CTCS-3车载通信单元自动测试系统

2.1 系统构成

C3 车载通信单元测试系统，主要利用工控机对GSM-R 移动终端综合测试仪进行操作，对C3 车载通信单元进行技术指标参数测试。系统对比C3 车载通信单元的技术指标和标准要求，准确判断该单元是否满足GSM-R 通信要求，并通过技术参数的趋势图判断其长期技术指标的劣化趋势。C3 车载通信单元测试系统实现C3 车载通信单元的自动测试，操作简单灵活，可大幅度减少直接使用GSM-R 移动终端综合测试仪进行测试的测试时间及人为因素影响。

C3 列控车载通信单元测试系统由GSM-R 无线终端测试仪、工业控制计算机和显示器组成，可对C3 列控车载通信单元进行技术指标测试。系统结构示意如图4 所示。

图4 测试系统示意图Fig.4 Diagram of test system

2.2 GSM-R移动终端综合测试仪

GSM-R 移动终端综合测试仪（综测仪）是专门针对GSM-R 具有的相关特性和频段所设计的。可实现GSM-R 通信单元的技术指标及信令的测试。

综测仪具有以下特点：

1）针对GSM-R 终端测试应用的专业综合测试仪；

2）支持语音组呼业务（VGCS）；

3）在语音组呼测试业务中定义组号与优先级；

4）从终端读取IMEI（移动设备国际身份码）；

5）支持GSM-R 所有频段范围。

2.3 工业控制计算机

工业控制计算机实现综测仪的核心控制以及人机交互界面。通过串口、以太网口与系统其他设备通信，控制其他测试单元，并读取其他单元的测试结果及状态。工业控制计算机采用最小空间占用的设计原则，采用Mini-ITX 主板，其尺寸只有 170 ×170 mm，并能够提供丰富的接口以及可靠的效能。高度整合的 Mini-ITX 主板平台的整板功耗低于 100 W，并且提供至少一个基本扩展插槽。Mini-ITX 无论是外型尺寸或电源效率都能满足C3车载通信单元自动测试系统的要求，如图5 所示。

2.4 背板接口单元

背板接口单元主要为GSM-R 模块提供通信、数据传输、控制和电源输入功能，包括电源接入接口、继电器控制接口和串口单元。

电源输入接口是为继电器和串口芯片提供电源。该接口支持DC6 ～24 V 的宽电压输入范围，模块采用的是DC/DC 降压IC：RT7272，可以提供非常高的电源转换效率，以及宽电压输入范围。并且采用电源防反接保护和TVS 电压保护双重保护措施，有效提供模块的可靠性。电源电路如图6 所示。

测试单元继电器接口是高性能的带隔离继电器模组，驱动电压为直流5 V，输入信号为高电平有效，且都经过光耦隔离，更加安全并具有很强的抗干扰能力，能适应恶劣的工作环境，适合控制车载通信单元模块的功率。继电器相当于一个单刀双掷开关，这个开关的公共触点是继电器的公共端，当继电器输入信号无效时，单刀双掷开关的公共端则打到常闭端，当继电器输入信号有效时，单刀双掷开关的公共端则打到常开端。系统通过继电器来控制车载通信单元供电电路的通断。继电器调理电路如图7 所示。

串口单元负责被测车载通信单元的控制和电平转换，被测车载通信单元的输出电平是TTL 电平，转换为RS-232 电平输出到工业控制计算机，并把工业控制计算机的RS-232 电平转换为TTL 电平输出到被测车载通信单元。使用集成芯片MAX232 实现TTL和RS-232 的电平转换。串口芯片电路如图8所示。

2.5 电源模块

图5 工控机内部结构Fig.5 Internal structure of industrial PC

图6 电源输入接口Fig.6 Input interface of power supply

电源模块为工业控制计算机、GSM-R 移动终端综合测试仪、GSM-R 通信单元和显示单元供电，通过电压转换、滤波和防护浪涌处理，将AC 220 V 输入电压转换成DC12 V，实现高质量的供电性能。电源模块的工作流程：当市电进入电源后，先通过滤波，然后经过全桥电路整理和大容量高压滤波电容进一步整流滤波，再通过开关三极管进行变压，然后滤除高频交流部份，最后得到稳定低压的直流输出。电源模块调理电路如图9 所示。

图7 继电器调理电路Fig.7 Circuits for processing relays

图8 串口调理电路Fig.8 Circuits for processing serial ports

图9 电源模块调理电路Fig.9 Circuits for processing power supply module

3 CTCS-3车载通信单元自动测试系统软件设计

3.1 软件架构

C3 车载通信单元测试系统按照层次结构划分，可以分为3 层结构，这3 层分别为显示层、控制与处理层和通信层。显示层用于软件与用户之间的交互活动；控制与处理层用于控制GSM-R 移动终端测试仪进行测试且处理测试仪返回的测试结果；通信层用于和GSM-R 移动终端测试仪的数据交互。显示层包含主用户界面操作与显示模块、历史测试结果数据查询、表格方式显示历史测试结果数据模块、趋势图方式显示历史测试结果数据模块、饼状图方式显示历史测试结果数据的故障类型分布模块、历史测试结果数据打印模块、导出历史测试结果模块等。控制与处理层包含GSM-R 移动终端测试仪控制模块、测试结果处理模块和数据记录模块等。通信层包含通信初始化模块、通信数据发送模块、通信数据接收模块等。系统架构如图10 所示。

3.2 功能性需求分析

对C3 车载通信单元测试系统的功能性需求进行分类，可以分为5 大类，分别为：C3 车载通信单元测试系统通信功能、GSM-R 移动终端综合测试仪控制功能、测试结果记录功能、测试结果显示功能、测试结果查询分析功能。

利用需求分析的工程性方法，给系统的功能类别、子功能制定、分配一个由字母构成的名称，作为身份（identification，ID）号使用，可以使需求定义明确，具有唯一性，有助于对需求进行跟踪。C3车载通信单元测试系统的功能类别、子功能名称的功能列表，如表2 所示。

图10 系统架构图Fig.10 System architecture

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

根据铁路无线通信维护规则，规定C3 车载通信单元的技术指标测试标准值，发射技术指标包括最大峰值功率、载波频率误差、峰值相位误差、均方根相位误差和发射机突发脉冲定时；接收技术指标包括接收灵敏度，详细的对应标准如表3 所示。

3.3 软件功能实现

系统主要的功能是使用C#编程语言实现，包括C3 车载通信单元的自动测试、测试结果显示、分析和保存，历史测试结果查询和分析，历史测试结果的导出和管理。

程序启动后，首先检查模块和综测仪是否打开，

若没有打开，则进行报警，并提示操作人员打开。正常打开后，程序通过串口调取模块IMEI 号，并记录测试人、地点和时间。然后系统设定信道进行测试，指令使综测仪与模块建立分组数据通信，配置模块最多实际发送模式，功率控制级设为2 级。等待模块运行，系统从综测仪调取数据包，分析帧结构，读取最大峰值功率、载波频率误差、均方根相位误差和发射机突发脉冲定时等发送性能，并将信息存储到数据库。接下来进行接收性能测试，系统设置综测仪在静态传播条件下发送分组数据包，在所分配时隙上使用被测通信单元支持的最高速率编码方式编码，并设置满足的电平。统计发送字块数量和未被车载通信单元证实的字块数，计算测量字块差错率特性，并存储数据。判断是否将设置信道全部测试，对测试结果进行存储、统计和显示。程序测试流程如图11 所示。

4 系统综合监控平台实现

图11 程序测试流程图Fig.11 Flowchart of program testing

C3 车载通信单元自动测试系统综合监控平台，结构采用操作台形式，显示屏幕和键盘在结构的前面，内部包括控制主板、GSM-R 模块母板、测试单元、供电电源等。被测模块从前面板预留测试插槽插入。实物如图12 所示。

系统主界面可以进行自动测试、定制测试、查询、系统信息显示和关机等功能操作，如图13 所示。系统对C3 车载通信单元进行自动测试，显示测试结果，在测试过程中可以终止测试。选择测试全部信道，可测试从1000 到1019 的全部信道；选择测试部分信道，可由用户从999 到1019 中选中的信道测试。

图12 C3车载通信单元测试系统监测平台实物图Fig.12 Photo of monitoring platform of test systems of C3 onboard communication units

图13 监测平台测试界面Fig.13 Interface of testing of monitoring platform

查询界面以表格形式显示历史测试结果数据，可以查看全部指标的饼状图统计结果，也可以查看最大峰值功率、载波频率误差、峰值相位误差、均方根相位误差、发射机突发脉冲定时和接收灵敏度的折线图变化趋势，如图14 所示。

C3 车载通信单元测试系统具有以下特点：

1）集成式一体结构，使用方便；

2）测试结果精确，避免了人工测试过程中人为因素的干扰；

3）具有良好的交互界面；

4）具有分析功能，可以显示历史测试结果的变化趋势图、以饼状图方式显示历史测试结果数据的故障类型分布；

5）具有数据导出功能，可以在远端管理机关查看测试结果。

5 结论

图14 监测平台统计界面Fig.14 Interface of statistics of monitoring platform

综合监控平台对C3 车载通信单元的技术指标进行测试和监控，测试999、1009、1019 3 个信道，人工测试需要35 min，而自动测试仅用3 min，极大的提高工作效率。现在C3 车载通信单元自动测试系统综合监控平台已经在北京铁路局、上海铁路局、西安铁路局和兰州铁路局等得到部署，监控车载通信单元指标变化趋势，提高管理水平。综合监控平台，不仅在第二届世界智能大会上，得到与会专家和业内人士的广泛关注，而且在中国铁路总公司工电部电务安全工作会议上，也收到总公司领导和参会人员的一致好评。

C3 车载通信单元自动测试系统综合监控平台的研制，实现对C3 车载通信单元的技术指标测试及综合统计，促进维护工作的效率提升和故障预防，降低了安全隐患，为MT 设备的管理和维护提供科学手段。