北京交通大學(xué)2025年信息與通信工程（軌道交通通信）軌道交通通信新技術(shù)研究試題及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述GSM-R系統(tǒng)與公共移動通信網(wǎng)絡(luò)（如4GLTE）在架構(gòu)、核心功能和應(yīng)用場景上的主要區(qū)別，特別是針對軌道交通通信的需求。2.解釋什么是無線通信覆蓋的“盲區(qū)”和“衰落”，并說明在軌道交通場景下，針對這兩種問題通常采用哪些主要的無線覆蓋技術(shù)或解決方案。3.簡述列車控制系統(tǒng)（如CTCSLevel2/3）對通信系統(tǒng)的帶寬、時延、可靠性和移動性管理等方面的具體要求。4.闡述5G-R（或稱5G專網(wǎng)）的“專有”特性及其在滿足軌道交通高速移動、低時延、高可靠等嚴(yán)苛通信需求方面的優(yōu)勢。5.什么是車地?zé)o線通信（RRC）？簡述其在支持列車運行控制、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、視頻監(jiān)控等應(yīng)用中的基本流程和作用。二、論述題（每題15分，共30分）6.論述網(wǎng)絡(luò)安全對現(xiàn)代軌道交通通信系統(tǒng)的威脅及其重要性。請結(jié)合具體實例，分析至少三種可能的安全攻擊類型，并提出相應(yīng)的防護策略。7.隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析在軌道交通通信運維中的應(yīng)用日益廣泛。請論述大數(shù)據(jù)分析能夠為軌道交通通信系統(tǒng)帶來哪些方面的提升（如故障預(yù)測、資源優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等），并簡述實現(xiàn)這些應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、簡答題（每題8分，共40分）1.答案：GSM-R是專門為鐵路通信設(shè)計的移動通信系統(tǒng)，屬于UMTS標(biāo)準(zhǔn)的一個分支，采用專有核心網(wǎng)和無線接口。它與公共移動通信網(wǎng)絡(luò)（如4GLTE）的主要區(qū)別在于：①架構(gòu)與所有權(quán)：GSM-R通常由鐵路公司擁有和運營，核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)分離，并可與鐵路業(yè)務(wù)網(wǎng)集成；公共網(wǎng)由運營商擁有，核心網(wǎng)與接入網(wǎng)通常集成。②核心功能：GSM-R提供針對鐵路通信優(yōu)化的業(yè)務(wù)，如列車控制（ERTMS/CTCS）、行車調(diào)度通信（FS）、媒體組合業(yè)務(wù)（MCB）等，并強調(diào)移動中繼和高速移動支持；公共網(wǎng)側(cè)重于個人通信和互聯(lián)網(wǎng)接入。③應(yīng)用場景：GSM-R僅用于鐵路內(nèi)部通信；公共網(wǎng)面向社會公眾提供廣泛服務(wù)。④互操作性：GSM-R要求在跨國鐵路應(yīng)用中保持互操作性，需遵循UIC和ETCS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；公共網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)遵循3GPP。解析思路：首先點明GSM-R的專有屬性和標(biāo)準(zhǔn)化背景。然后從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（所有權(quán)、分離/集成）、核心網(wǎng)功能（鐵路特定業(yè)務(wù)）、服務(wù)對象（鐵路內(nèi)部/公眾）和標(biāo)準(zhǔn)化要求（UIC/ETCSvs3GPP）等維度進行對比，突出其與公共網(wǎng)的顯著差異，并關(guān)聯(lián)到軌道交通的特定需求（行車控制、移動性）。2.答案：無線通信覆蓋的“盲區(qū)”是指由于地形阻擋、建筑物遮擋或設(shè)備覆蓋范圍限制，導(dǎo)致信號無法有效到達的區(qū)域，用戶在此區(qū)域無法建立或維持通信連接?！八ヂ洹笔侵感盘栐趥鞑ミ^程中，由于多徑效應(yīng)、大氣層吸收、頻率選擇性等多種因素，導(dǎo)致信號強度隨機變化的現(xiàn)象，分為快衰落和慢衰落。在軌道交通場景下，針對“盲區(qū)”通常采用：①漏纜/漏板：沿軌道鋪設(shè)，提供連續(xù)的漏泄信號覆蓋；②室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)（DAS/SmallCell）：覆蓋隧道內(nèi)或車站、車輛段等室內(nèi)區(qū)域；③車頂天線/車體天線：配合PTN/RRC網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車頂?shù)降孛娴母采w。針對“衰落”通常采用：①分集技術(shù)（空間分集、頻率分集、時間分集）來平均衰落效果；②多天線技術(shù)（MIMO）提高信號接收可靠性；③均衡技術(shù)消除符號間干擾；④功率控制避免近端干擾和減少衰落影響。解析思路：先定義盲區(qū)和衰落，并指出衰落類型。然后分別針對軌道交通環(huán)境（隧道、線路、室內(nèi)、車載）列舉解決盲區(qū)的具體技術(shù)手段。接著針對高速移動和復(fù)雜傳播環(huán)境下的衰落問題，列出主要的抗衰落技術(shù)（分集、MIMO、均衡、功率控制），并解釋其基本原理。3.答案：列車控制系統(tǒng)（如CTCSLevel2/3）對通信系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)苛：①帶寬：需要足夠的帶寬承載列車控制數(shù)據(jù)、調(diào)度命令、狀態(tài)報告等，CTCSLevel2可能需要幾十到幾百kbps，Level3因車-車信息交互需求更高。②時延：通信時延必須極低，通常要求小于幾十毫秒（ms），以確保列車控制指令的及時傳輸和安全性。③可靠性：通信系統(tǒng)必須具有極高的可靠性（如99.99%以上），保證控制信息的穩(wěn)定傳輸，防止因通信中斷導(dǎo)致的安全事故。④移動性管理：必須支持列車在高速（可達300-350km/h）移動條件下的無縫連接和切換，確保通信鏈路的穩(wěn)定性和連續(xù)性。解析思路：直接列出CTCS對通信系統(tǒng)的核心指標(biāo)要求，即帶寬、時延、可靠性和移動性管理。針對每個指標(biāo)，給出具體的要求數(shù)值范圍或定性描述（如極高、無縫連接），并簡要說明這些要求背后的安全性和效率考量。4.答案：5G-R（或稱5G專網(wǎng)）的“專有”特性主要指其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、資源和功能可被鐵路等垂直行業(yè)定制和獨占使用，不與公眾共享。其優(yōu)勢在于：①資源隔離與保障：專網(wǎng)提供獨立的網(wǎng)絡(luò)資源，可以確保軌道交通通信業(yè)務(wù)（如控制、調(diào)度）的帶寬、時延和安全需求得到優(yōu)先保障，不受公眾業(yè)務(wù)波動影響。②定制化優(yōu)化：可以根據(jù)鐵路運營的特定需求，定制網(wǎng)絡(luò)切片、服務(wù)等級協(xié)議（SLA）、頻譜使用等，實現(xiàn)最佳性能。③更高的安全性與隱私保護：網(wǎng)絡(luò)物理隔離或邏輯隔離，能提供更強的安全防護能力，保護敏感的鐵路數(shù)據(jù)和運營信息。④集成能力：易于與鐵路自身的IT、OT系統(tǒng)進行深度融合，支持智能化運維和增值業(yè)務(wù)。這些專有特性和優(yōu)勢使其能夠更好地滿足軌道交通高速移動、低時延、高可靠、高安全等嚴(yán)苛的通信需求。解析思路：先解釋“專有”的含義（資源隔離、定制化、安全）。然后列舉5G-R專網(wǎng)帶來的具體優(yōu)勢，并逐一解釋這些優(yōu)勢如何轉(zhuǎn)化為滿足軌道交通通信需求的能力（資源保障、性能優(yōu)化、安全增強、系統(tǒng)集成）。5.答案：車地?zé)o線通信（RRC-RadioRelayCommunication）是指利用無線通信技術(shù)實現(xiàn)列車與地面基站之間雙向信息交互的通信系統(tǒng)。其基本流程和作用如下：①流程：列車通過車載無線設(shè)備（TETRA/5G-R終端）與沿途或駐站的地面基站進行連接，傳輸控制指令（如速度許可）、列車狀態(tài)信息、調(diào)度命令、PIS信息、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等。地面基站接收列車信息，處理后傳送給后臺系統(tǒng)；同時將地面系統(tǒng)的指令或信息通過基站下發(fā)給列車。②作用：①行車控制：是實現(xiàn)CTCS/ERTMS等列車自動控制系統(tǒng)的核心通信手段，承載速度許可等關(guān)鍵控制信息。②調(diào)度通信：支持列車調(diào)度員與司機、車輛乘務(wù)員的語音、數(shù)據(jù)通信。③PIS：傳輸乘客信息、廣告等內(nèi)容。④視頻監(jiān)控：回傳列車或車站區(qū)域視頻圖像。⑤車地數(shù)據(jù)交互：支持列車與地面維護、運營管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。解析思路：先定義車地?zé)o線通信（RRC）的概念。然后分“流程”和“作用”兩部分進行闡述。流程部分描述信息交互的基本路徑和內(nèi)容。作用部分列舉RRC在行車控制、調(diào)度通信、PIS、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)交互等關(guān)鍵鐵路業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，強調(diào)其作為信息傳輸“管道”的核心地位。二、論述題（每題15分，共30分）6.答案：網(wǎng)絡(luò)安全對現(xiàn)代軌道交通通信系統(tǒng)的威脅極其重要，因為通信系統(tǒng)的安全直接關(guān)系到行車安全、運營效率和旅客生命財產(chǎn)安全。主要威脅及防護策略包括：①信號干擾/阻塞：通過發(fā)射強干擾信號或占用頻譜，使通信系統(tǒng)無法正常工作。防護策略：采用抗干擾技術(shù)（如跳頻、擴頻）、冗余備份鏈路、電磁防護措施、建立干擾監(jiān)測和快速響應(yīng)機制。②網(wǎng)絡(luò)攻擊（如DDoS）：通過大量無效請求淹沒基站或核心網(wǎng)，導(dǎo)致服務(wù)中斷。防護策略：部署入侵檢測/防御系統(tǒng)（IDS/IPS）、流量清洗服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)隔離和訪問控制、提升設(shè)備處理能力。③信息注入/篡改：惡意篡改傳輸?shù)目刂浦噶罨驙顟B(tài)信息。防護策略：采用數(shù)字簽名、加密技術(shù)確保信息完整性、身份認(rèn)證機制防止未授權(quán)接入、建立嚴(yán)格的訪問權(quán)限控制和安全審計。④竊聽/監(jiān)聽：非法截獲通信內(nèi)容。防護策略：采用加密通信技術(shù)（如TETRA加密、5G網(wǎng)絡(luò)切片加密）、物理安全防護（屏蔽、隱蔽傳輸）、網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入控制。需要建立全面的網(wǎng)絡(luò)安全體系，包括技術(shù)防護、管理制度、應(yīng)急響應(yīng)和人員培訓(xùn)。解析思路：先強調(diào)網(wǎng)絡(luò)安全的重要性及其對軌道交通的具體影響。然后列舉幾種典型的網(wǎng)絡(luò)威脅（干擾/阻塞、DDoS、注入/篡改、竊聽），針對每種威脅，提出具體的技術(shù)防護策略和管理措施，并強調(diào)需要構(gòu)建綜合性的安全防護體系。7.答案：大數(shù)據(jù)分析在軌道交通通信運維中的應(yīng)用能帶來顯著提升：①故障預(yù)測與預(yù)防：通過分析歷史告警數(shù)據(jù)、性能監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，利用機器學(xué)習(xí)算法識別異常模式，預(yù)測潛在故障，實現(xiàn)從被動維修向主動預(yù)防的轉(zhuǎn)變，提高系統(tǒng)可用性。②資源優(yōu)化與容量規(guī)劃：分析通信流量（時、空、頻分布）、用戶行為等數(shù)據(jù)，精確掌握網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，優(yōu)化基站參數(shù)、頻率分配、功率控制，合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)擴容，降低運營成本，提升用戶體驗。③網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化：利用覆蓋預(yù)測工具和實際路測數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析進行精細(xì)化的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃（如站點選擇、天線方位角調(diào)整），或?qū)ΜF(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行智能優(yōu)化（如參數(shù)自動調(diào)整、干擾協(xié)調(diào)）。④能耗管理：分析基站和傳輸設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，識別節(jié)能潛力，優(yōu)化設(shè)備工作模式，實現(xiàn)綠色節(jié)能運營。⑤運維效率提升：通過分析故障處理流程數(shù)據(jù)，優(yōu)化工單派發(fā)和維修資源調(diào)度，縮短故障修復(fù)時間。面臨的挑戰(zhàn)包括：①數(shù)據(jù)孤島與整合：通信系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)等數(shù)據(jù)分散，難以有效整合。②數(shù)據(jù)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化：數(shù)據(jù)格式不一、存在噪聲和缺失，影響分析準(zhǔn)確性。③分析技術(shù)與人才：需要專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)技術(shù)和復(fù)