CTCS-3级列控系统无线超时GSM-R电台SIM卡故障分析及解决措施

张晓东，陈延春，陈 铮

（中国铁路上海局集团有限公司杭州电务段，杭州 310002）

CTCS-3 级（简称C3）列车控制系统是高速铁路核心技术装备和安全关键系统，负责指挥列车运行、保证行车安全、提高铁路运输效率，在车-地无线信息传输中时有发生无线通信超时（简称“无线超时”），无线超时后，ATP 车载设备将输出常用制动，待列车运行速度降至CTCS-2 级（简称C2）允许速度时，提示司机确认，系统将转换为C2 控车，导致允许速度降低，影响运输效率。

目前，随着C3 无线超时分析的不断深入，车载空口、基站空口、接口监测业务信令流程监测的普及，针对网络中信息交互造成的C3 无线超时已经能够准确分析原因并准确定位故障点。但是由于SIM 卡引起的瞬间脱网、注册失败等导致的问题，具体原因分析很困难，而且不是固有故障，事后检测各项性能指标均正常，对现场设备维护造成很大的困扰。本文就针对SIM 卡问题进行全面分析,并提出解决措施。

1 SIM卡应用分析

1.1 SIM卡作用

GSM-R SIM 卡作为GSM-R 专用移动通信系统的重要组成部分，是基于GSM-R 进行各类通信业务必不可少的设备，特别是用于与行车直接相关的通信业务，关系到整个铁路列车行车安全和运输秩序。ATP 电台使用的SIM 卡根据通信业务功能需求划分属于CSD 业务类，每套ATP 设备有2 个电台模块，SIM 卡安装在电台模块中。高铁列车运行过程中，2个电台模块交替呼叫地面RBC 设备，建立CSD 呼叫。为确保行车过程中列控业务不受其他通信业务的干扰，其SIM 卡仅开启语音业务的CSD 呼叫功能。SIM 卡目前采取维修方式是故障修，等发现故障时进行检查或者更换，未出现故障则一直维持使用。

1.2 SIM卡原理

SIM 卡是用户身份模块，存储用户有关的个人信息和网络信息，主要完成数据存储、客户身份鉴权和客户信息加密算法等功能，ATP 电台中的SIM卡负责实现网络注册及CSD 呼叫。

SIM 卡是一个装有微处理器的芯片卡，其内部结构有 5 个模块，并且每个模块都对应一个功能：微处理器 CPU、程序存储器 ROM、工作存储器RAM、 数据存储器 EEPROM 和串行通信单元。

1.3 SIM卡结构

SIM 卡表面的6 个触点是其外部接口，根据其功能划分为电源电压（Vcc）、复位信号（RTS）、时钟信号（CLK）、接地（GND）、可变电源电压（VPP）、输入/输出（I/O）。

2 SIM卡故障分析

2.1 SIM卡故障分析

SIM 卡故障时，其相关特征如下。

1）DMI 界面无网络注册；

2）GSM-R 电台状态指示灯显示异常；

3）途中瞬间脱网后自动恢复网络注册；

4）断电重启后恢复网络注册；

5）重插SIM 卡后恢复网络注册。

根据以上信息，SIM 卡故障的可能原因是：

1）模块软件问题；

2）SIM 卡电路电性能临界，造成间歇性读取卡失败；

3) 卡座相关尺寸有问题，造成弹片与SIM 卡没接触上；

4) 卡座弹片氧化造成接触阻抗变大，影响读取SIM 卡；

5) SIM 卡触片氧化造成接触阻抗变大，影响读取SIM 卡；

6) 卡座弹片与SIM 卡之间有异物，隔断电路，影响读取SIM 卡。

2.2 故障检测

2.2.1 电台模块性能检测

选取4 块发生SIM 卡故障的300T 型ATP 设备电台模块进行测试，模块可正常识别SIM 卡，各参数均符合标准要求。

对杭州电务段2020 年3 月至2021 年3 月共8件SIM 卡故障造成的无线超时进行数据分析。

1）通过车载侧记录数据中Log 数据分析：Fewer modems registered than installed 1（单电台）。该记录说明只有一个电台注册到网络，说明在电台与网络间出现问题，且数据没有其他故障信息报警语句，基本可以判断ATP 设备正常。

2）通过分析空口监测数据显示SIM 未插入或SIM 卡错误。

3）通过分析通信侧三接口数据能够看到 IMSI DETACH INDICATIO（电台网络去附着）。

电台网络去附着的原因可能是电台正常关机，也可能是 SIM 卡异常导致的，此类超时通常在车-地数据正常交互的情况下。如果是电台关机的话，后续RBC 交权区会出现单电台情况，所以基本可以判定为SIM 卡异常。

2.2.2 SIM卡电路电气性能检测

按照3GPP 标准SIM 卡接口部分的要求，SIM卡电路有6 个PIN 脚，必需的是供电、复位、时钟、数据和接地。选取4 张SIM 卡的供电、复位、时钟和数据等电性能指标，各项指标符合标准要求，并不存在指标临界的情况，可排除电路电气性能的原因。

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2.2.3 SIM卡厚度检测

根据标准，SIM 卡的厚度要求为0.76±0.08 mm，测量4 个故障SIM 卡，厚度符合要求，如表1 所示。

表1 SIM卡厚度检测结果Tab.1 SIM card thickness test result

2.2.4 SIM卡座弹片接触电阻检测

SIM 卡座各弹片的接触电阻过大会影响模块读取SIM 卡。根据设备厂家经验，一般卡座各接口的接触电阻大于500 mΩ 时，才可能引起读取SIM卡失败。选取2 块SIM 卡对卡座各弹片的接触电阻进行检测，各弹片的接触电阻远低于影响读取卡的电阻值，弹片状态良好，如表2 所示。

表2 卡座弹片接触电阻检测Tab.2 Contact resistance detection of SIM card holder clip

2.2.5 SIM卡功能检查及外观检查

将4 块故障SIM 卡样品插入模块中，均可以正常读取SIM 卡。观察SIM 卡触片外观，发现表面存在严重程度不一的划痕，镀金层被一层异物覆盖，金属反光较弱。在与卡座弹片对应的位置，存在磨损小凹槽，证明振动磨损的存在，也可以说明尺寸配合是没有问题的。

2.2.6 SIM卡表面检测

为确认SIM 卡触片的状态，设备厂家委托相关试验室做了表面形貌分析（SEM）/成分分析（EDS），SEM 主要用于样品表面的微观形貌与结构的表征、EDS 用于元素定性和半定量分析，如图1所示。

图1 SEM/EDS检测Fig.1 SEM/EDS detection

将4 块故障SIM 卡（使用时间5 年以上）的表面进行SEM/EDS 检测，检测结果如下：弹片接触部位有严重划痕，划痕周围存在异物颗粒，为不导电异物。异物颗粒推测是有机物和氧化物混合组成，异物的主要含量为碳、氧、镍、氯、铜、钙等元素。

2.3 数据分析

通过以上检测结果分析，基本排除了软件问题，模块和SIM 卡功能正常，模块SIM 卡电路的电气性能、SIM 卡座和SIM 卡的相关尺寸和SIM 卡座弹片的接触电阻均正常。

发现使用时间长的卡座弹片和SIM 卡的接触部位周围有较多不导电异物。

触片不是绝对平整的、金层的硬度很小，卡座弹片和SIM 卡触片是通过若干个小微丘接触导通的，如图2 所示。

图2 弹片微丘接触示意Fig.2 Clip bulge contact diagram

推测电台模块长期工作在随机振动环境下，卡座弹片与SIM 卡触片之间存在微动摩擦，容易在接触部位周围产生有机物、氧化物和磨损粉末的堆积。如果异物堆积过高，可能会由于振动原因将有机物和氧化物等推至弹片接触区域，从而隔断电信号，造成不识卡故障，导致SIM 卡故障。此时若重装SIM 卡，弹片将异物推开，恢复接触，故障消失。或者可能因微动摩擦将异物推开，即出现运行中自动恢复的情况。模块或SIM 卡使用的时间越久，镀层磨损越严重，表面产生的氧化物越多，出现故障的概率越大。

3 整治措施及效果

3.1 新增维护手段

通过分析基本确认SIM 故障是由于异物隔断造成电台不识卡，针对性采取SIM 卡清洁、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 种措施。

通常的表面清洁方式有3 种：酒精、橡皮擦、电子清洁剂。为了对比3 种方式的效果，选取3 块表面异物较多的SIM 卡，清洁后做表面形貌分析（SEM），发现橡皮擦清洁效果较差，电子清洁剂效果一般，酒精清洁效果较好，清洁后，尽量不触碰SIM 卡。

采用耐高温布基双面胶将SIM 卡与卡托粘贴，双面胶厚度控制在0.1 mm 之内，避免厚度太大。

卡托固定及密封。采用铜箔胶带对卡托表面和电台表面粘贴，达到固定卡托和SIM 卡密封效果。如图3 所示。

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

3.2 整改效果

杭州电务段共配属60 套300T 型ATP 设备120 个电台及SIM 卡，使用年限均超过10 年。2020 年3 月 至2021 年3 月 共 发 现8 件SIM 故 障造成的无线超时，后采取SIM 卡清洁、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 种措施，2021 年3 月至2022 年3 月未发生SIM 故障造成的无线超时。

拿棉签蘸酒精后擦拭SIM 卡触片，擦拭10 个来回之后，SIM 卡触片可以看到明显的金属反光。在SEM 下看，也可以看到颗粒异物基本被清除，如图4、5 所示。

图4 SIM清洗前的状态Fig.4 SIM status before cleaning

图5 SIM清洗后的状态Fig.5 SIM status after cleaning

4 拓展及建议

目前ATP 设备的修程有一级修、二级修、高级修、更新改造，确保了设备能够正常运用，而SIM卡没有明确的修程及检修要求，建议结合ATP 设备修程同步施修，结合高级修对SIM 卡进行清洁，结合ATP 设备更新改造更换SIM 卡。

根据《GSM-R 数字移动通信网设备技术规范》（科技运[2008]172 号）第四部分SIM 卡要求，SIM 卡每个触点压力要大于0.5 N，保证SIM 卡与卡槽可靠和连续接触，并能够克服氧化物和振动所引起的中断。根据该项要求，设备厂家要持续做好技术改进，一是要开发相关卡槽和SIM 卡的相关技术指标的检测工具；二是改进结构工艺，确保SIM卡与卡托不产生微振动，卡托与电台不产生微振动。三是加强材料研究，针对铁路行车安全的需求，对SIM 卡的电路设计、触片工艺开展针对性设计、制造。

探索eSIM 卡（嵌入式SIM 卡）在铁路GSM-R网络中运用，避免SIM 卡与电台接触不良产生的故障。