支持GSM-R與LTE-R通信的雙模車載電臺技術研究

謝和歡

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

目前，高速鐵路列車主要使用的是基于C3列控系統的車載電臺，這是一種支持GSM-R通信制式的2G電臺，車地數據交換最初僅基于傳統的電路域（CS域）進行。2015年，歐盟ETCS發布基線三版本ETCS B3R2，ECTS車地無線數據傳輸在電路交換數據（CSD）方式的基礎上增加了通用無線分組業務（GPRS）方式。GPRS是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的廣域無線IP連接。隨著無線通信技術的進一步發展，低時延、高速率、網絡結構簡化成為了移動通信系統的新目標，全IP移動通信網絡成為了必然，鐵路數字移動通信系統由2G技術向4G技術發展的趨勢也越來越明顯，原來只支持2G通信的GSM-R車載電臺由于傳輸時延、吞吐量等本身局限性已經不能適應這種變化趨勢，而只支持4G通信的LTE-R車載電臺又不能在既有GSM-R線路使用。因此迫切需要一種既能支持GSM-R通信，又能支持LTE-R通信的雙模車載電臺，以滿足高鐵通信需求的變化。

2 雙模電臺簡介

支持GSM-R/LTE-R通信的雙模電臺（簡稱“雙模MT”）是車載無線接入終端設備，是列控系統車載設備的一部分。它通過GSM-R網絡或LTE-R網絡與列控系統無線閉塞中心（RBC）建立起數據傳輸通道，用于傳輸車地列車控制信息；電臺通過串口與列控系統車載無線傳輸單元相連，進行AT指令交互和業務數據收發。

雙模車載電臺車地無線通信其他系統的接口關系如圖1所示。RS-422串口為雙模電臺ATP無線傳輸單元的接口，Um空口為雙模電臺與GSM-R基站之間的接口，Uu空口為雙模電臺與LTE-R基站之間的接口。FIX-CS接口為RBC與ISDN網絡之間的接口。FIX-PS接口為RBC與IP網絡之間的接口。

圖1 雙模車載電臺與車地無線通信其他系統接口示意圖Fig.1 Schematic diagram of interfaces between dual-mode onboard radio and other train-ground wireless communication system

3 雙模電臺基本原理

雙模電臺可采用支持GSM-R/LTE-R雙制式通信的雙模芯片來實現，或者通過同時集成支持GSM-R通信的調制解調器和支持LTE-R通信的調制解調器輔以必要的外圍電路來實現。

雙模電臺能將車載發送的 AT指令，根據指令類型分別傳送到對應的GSM-R/LTE-R調制解調器，并將調制解調器的AT指令響應返回給車載。對于GSM-R 通信業務數據而言，在撥號成功后，雙模電臺能將ATP發送的業務數據發送給GSM-R調制解調器，經由GSM-R電路域傳輸給RBC。并將RBC發送的業務數據從GSM-R 調制解調器接收后轉發給ATP。對于LTE-R通信而言，雙模電臺實現了PPP協議處理，使得ATP也能通過撥號方式連接LTE-R網絡。一旦ATP和RBC建立PPP鏈接，就能直接進行IP通信。

4 雙模電臺撥號上網機制

在既有GSM-R通信中，ATP是通過AT指令撥號與RBC建立起GSM-R通信鏈路的。在GPRS通信以及未來進入LTE-R通信后，ATP將繼續采取撥號上網的方式，PPP協議能幫助實現這一要求，也是IETF RFC 1661規定應使用的協議。當車載發起GPRS或LTE-R呼叫時，雙模電臺能響應ATP發起的PPP連接請求，建立起PPP連接，為ATP分配IP地址，使得ATP能通過GPRS或LTE-R網絡與RBC進行IP通信。采用PPP撥號上網的方式為有通信業務的ATP提供GPRS/LTE-R網絡通信，在不需要通信時通信鏈路可以釋放，節約通信資源，符合高鐵車地通信系統的要求。

5 點對點協議PPP

5.1 簡介

點對點協議（Point-to-Point Protocol，PPP）屬于數據鏈路層協議，是為了在串口鏈路、電話ISDN線路等點對點連接上傳輸網絡層報文而設計的，常用于撥號上網時客戶端向服務器獲取IP地址。具體到車載電臺，就是ATP作為客戶端，而電臺作為服務端，當ATP需要建立LTE-R通信鏈路時，ATP進行PPP撥號。撥號成功后，電臺為ATP分配IP地址，ATP就能夠進行IP通信。PPP協議是SLIP協議（串行線路網際協議，另外一個點對點協議）的改進版?？朔璖LIP協議只能同時承載一個網絡協議，既沒有容錯控制，也沒有授權等許多缺陷，是現在最廣泛應用的點對點鏈路控制協議。

5.2 組成與功能

PPP協議是為在兩個對等實體間建立簡單連接以傳輸數據包而設計的。它提供了雙向全雙工操作，并按順序投遞數據包。PPP協議能夠動態分配IP地址，并且能夠對多種網絡層協議提供支持。PPP協議物理實現方式主要有3種：一是基于以太網口（PPP over Ethernet，PPPoE），二是基于 ATM（也就是異步傳輸模式上的PPP協議，即PPP over ATM，PPPoA），三是通過串行接口。ATP和雙模電臺之間的連接就是采用串口。PPP協議的主要功能是當用戶發起呼叫時，試圖建立鏈路并協商鏈路參數；在通信過程中維持鏈路狀況；當線路空閑時，釋放鏈路。

PPP協議主要包括3部分：鏈路控制協議（LCP）、網絡控制協議（NCP）和PPP擴展協議。PPP協議默認不進行認證配置。不過如果點對點線路的兩端明確需要進行認證，也可以進行配置。

鏈路控制協議（LCP）是PPP協議的重要組成部分，用來配置、建立、測試和關閉數據通信鏈路。LCP還負責設置驗證協議（PAP協議或CHAP協議）。PAP協議有2次握手（被驗證方發送密碼，驗證方返回驗證結果），使用明文密碼和賬號，安全性低。CHAP協議有3次握手（驗證方要求驗證，被驗證方發送密碼，驗證方返回驗證結果），使用一次性密碼（One Time Password，OTP）。對于雙模車載電臺而言，ATP和電臺之間不需要進行驗證，所以PAP協議和CHAP協議均沒有用到，不展開敘述。

網絡控制協議（NCP）是一族網絡控制協議，隨著承載的網絡層協議不同而有不同的NCP協議，常見的有IPCP網絡控制協議（供TCP/IP網絡使用）和IPXCP網絡控制協議（供SPX/IPX網絡使用）等。NCP參數配置協商的主要目的是獲取通信雙方的網絡層地址。雙模車載電臺NCP協議采用的就是IPCP網絡控制協議，IPCP負責IP地址設置以及是否進行TCP/IP首部壓縮等設置。

5.3 PPP數據幀格式

PPP協議的數據單位稱為幀。一個PPP數據幀的具體結構如圖2所示，其中1B表示一個字節。

圖2 PPP數據幀結構圖Fig.2 Diagram for the structure of PPP data frame

下面具體說明PPP數據幀各個域的含義。

1）首部

首部中的標志域固定為0x7E，標識幀的起始。

首部中的地址域固定為0xFF(即11111111)。由于點對點的鏈路本身就可以唯一標示對方，因此使用PPP協議互連的通信設備的雙方并不再需要知道對方的數據鏈路層地址，所以該字節對于PPP協議而言無任何實際意義，按照協議規定將該字節全部填充為1。

首部中的控制域固定為0x03(即00000011)。同地址域一樣，PPP數據幀的控制域也缺乏實際意義，通信時雙方都將該字節的內容填充為0x03，表示一個無編號幀。

就PPP協議本身而言，最為重要的就是協議域和信息域。協議域用來標識PPP數據幀中信息域所承載的數據報文屬于哪種協議。

2）協議域

協議域用來區分PPP數據幀中信息域所承載的數據報文的內容：

值為0x0021時，標識PPP幀的信息域為IP數據報文；

值為0xC021時，標識PPP幀的信息域為LCP協議數據；

值為0x8021時，標識PPP幀的信息域為NCP協議數據。

3）信息域

信息域長度不超過1 500 Byte。如不足1 500 Byte時，可被填充，但不是硬性規定。

4）尾部

尾部中的校驗域占用兩個字節，是使用CRC進行幀校驗生成的FCS（幀檢驗序列）。

尾部中的標志域F(Flag)，固定為0x7E，標識一個幀的結束。

5.4 PPP狀態遷移

從ATP發起呼叫開始到通信完成后最終釋放鏈路，PPP要經歷一系列的狀態遷移過程，如圖3所示。

當ATP發起一次撥號連接時，ATP首先呼叫雙模電臺，此時雙模電臺相當于一臺遠程訪問服務器。當雙模電臺上的遠程訪問模塊應答了這個呼叫后，初始的物理連接就建立起來。接下來，ATP終端和雙模電臺之間開始傳送一系列按照PPP協議封裝的LCP分組，用于協商PPP鏈路層參數。

如果在PPP鏈路的建立過程中有一方要求認證，接下來就要進行認證過程（在ATP呼叫過程中不需要認證過程）。如果認證失?。ɡ缡褂昧隋e誤的用戶名或密碼），則鏈路會被終止，通信雙方（ATP和雙模電臺）負責通信的設備或模塊會關閉物理鏈路并回到初始空閑狀態。如果認證成功，則接著進行下一步。

在這步驟中，通信雙方開始交換一系列按照PPP協議封裝的NCP分組來配置網絡層參數。由于ATP網絡層采用的是IP協議，此過程是由IPCP協議來完成的。

當NCP配置完成后，ATP與雙模電臺的PPP鏈路就建立成功，雙方可以開始在此鏈路上交換網絡層數據。

當數據傳送完成后，一方會發起斷開鏈路的請求，PPP進入鏈路斷開過程。首先，NCP會釋放網絡層連接，收回之前分配的IP地址。然后，LCP會關閉數據鏈路層連接。最后，雙方通信設備或模塊關閉物理鏈路從而回到PPP初始狀態，鏈路不再可用。

圖3 PPP狀態遷移圖Fig.3 PPP state transition diagram

5.5 LCP協議數據報文格式

在數據鏈路層，PPP通過鏈路控制協議（Link Control Protocol，LCP）進行鏈路管理，用于鏈路的參數協商、建立、維護和斷開。

LCP數據報文以PPP幀為基礎。LCP幀位于PPP幀中的信息域部分，格式如圖4所示。

圖4 LCP數據報文格式圖Fig.4 Diagram for the format of LCP data message

PPP幀協議域字段的值應為0xC021，標識該PPP幀為LCP幀。LCP幀有自己特有的四個字段：代碼域、標識域、長度域、數據域。

代碼域表示LCP數據報文類型。根據具體用途可以將LCP幀劃分為3大類型： 鏈路建立報文類、鏈路終止報文類、鏈路維護報文類。

1）鏈路建立報文類

本類包含Configure-Request、Configure-Ack、Configure-Nak和Configure-Reject四種LCP報文。

要建立鏈路，通信雙方都必須給對方發送Configure-Request報文，并在報文中攜帶本方所希望配置參數以進行協商。接收方收到Configure-Request報文時，會根據是否識別、認可Configure-Request報文中的配置項和配置參數，在其余3種配置報文中選擇一種來應答。

2）鏈路終止報文類

本類包含Terminate-Request和Terminate-Ack兩種LCP報文。

想要關閉PPP鏈路的一方應持續發送Terminate-Request報文，直到收到對方的Terminate-Ack報文為止。鏈路終止報文中無需攜帶各配置參數選項，但需要ID一致。接收方收到Terminate-Request報文后，必須回應Terminate-Ack報文。同時等待對方先將鏈路斷開后，再完成本方的斷開。

3）鏈路維護報文類

當需要進行PPP?；睿ù_認當前PPP鏈路是否持續處在活躍狀態）時，PPP鏈路的雙方應分別發送Echo-Request報文。如果另一方回復了Echo-Reply報文，則表示PPP鏈路仍在活躍狀態。

5.6 LCP協商過程

LCP 兩端（ATP和雙模電臺）通過交互鏈路建立報文類中的報文來協商LCP選項。協商內容包括：最大傳輸單元、魔術字、驗證方式、異步字符映射等選項。LCP一方通過發送LCP Configure-Request報文來向另一方請求認可自己需要的LCP協商選項。如果接收方對于發送方發送的Configure-Request報文的配置項全都識別且認可，則應答Configure-Ack報文。如果接收方對于發送方的配置項全都識別但對部分參數值不認可，則應答Configure-Nak報文，并在報文的選項中填上自己期望的內容。如果接收方對于發送方的配置項提到的某個或某些配置參數不識別，則應答Config-Reject報文，并在報文中帶上不能識別的選項。此過程一直要持續到雙方都對對方的配置項全都識別且認可時才結束，具體過程如圖5所示。

圖5 LCP協商過程圖Fig.5 LCP negotiation process diagram

5.7 NCP協商過程

在網絡層，由NCP為不同的網絡層協議提供服務。NCP的主要功能是協商PPP報文的網絡層參數，例如IP地址，DNS Server IP地址和WINS Server IP地址等。NCP有很多種，包括IPCP、BCP、IPv6CP等，其中最為常用的是IP控制協議（Internet Protocol Control Protocol，IPCP）協議。

NCP流程與LCP流程類似。ATP與雙模電臺之間互相發送NCP Configure-Request報文并且等到互相回應NCP Configure-Ack報文后，則NCP協商完成。ATP成功上線，可以正常訪問網絡。

在NCP協商過程中，ATP和雙模電臺會對IP服務階段的一些要求進行多次協商，以確定雙方都能夠接受的約定。 同LCP協商過程類似，當Configure-Request報文中的一些選項不被接收方接受時， 接收方不會回復Configure-Ack報文，而是回復其他如Configure-Nak報文。這時候，發送方會修改相應選項，直到接收方可以認可為止。

在雙模電臺中，用到的NCP協議是IPCP協議，下面介紹這種協議。

5.8 IPCP協議

IPCP協議即IP控制協議，負責建立，使用和中止IP模塊。在完成LCP協商和鑒權后，PPP協議進入網絡協議配置階段。在該階段通信雙方互相發送NCP數據報文來選擇和配置一個或多個網絡層協議。如果網絡層使用的是IP協議，那么NCP就應該使用IPCP協議來配置雙方的IP地址、域名服務器IP地址等。只有通信雙方獲得了這些基本信息，才能進行IP報文傳輸。IPCP包在PPP沒有進入網絡層協商階段前不能進行發送。如果有IPCP包在次階段前被發送，接收方會將其拋棄。

5.8.1 IPCP數據報文格式

IPCP數據報文是放置在PPP幀中的數據域中的，因此，在PPP幀的協議域必須設置為IPCP的協議編號0x8021。IPCP使用的數據報文格式與LCP數據幀相同，也包括代碼域、標識域、長度域、數據域共4個域。如圖6所示。

圖6 IPCP數據報文格式圖Fig.6 Diagram for the format of IPCP data message

IPCP有7種數據報文類型，主要用來請求配置、接收或拒絕配置、關閉鏈路等，如表1所示。

表1 IPCP報文類型表Tab.1 Table for IPCP message type

5.8.2 IPCP配置選項

IPCP使用到的配置選項與LCP完全不同，具體配置選項如下。

1) IP-Addresses

本選項目前已基本不用，改用下面將要提到的配置選項3）。如果Configure-Reject報文中IPAddresses的可選項被收到，或者Configure-Nak報文中使用IP-Addresses可選項被認為是附加的選項，本可選項才可以被發送。

2) IP-Compression-Protocol

本選項用來協商用到的IP壓縮協議，壓縮協議編號與PPP協議域中的協議編號相同。目前支持的協議有Van Jacobson Compressed TCP/IP，編號為0x002D。壓縮技術能幫助減少數據發送，降低傳輸時延。IPCP默認是不使用壓縮的。選項的格式如表2所示。

3) IP-Address

本選項用來協商供本方使用的IP地址。如果發送方欲使用自己的IP地址，則在該選項攜帶發送方自己的IP地址。如果發送方請求對方給自己分配IP地址，則在該選項填上一個全為0的IP地址，對方會在Configure-Nak報文中用本選項給出分配給請求方的IP地址。選項的格式如表3所示。

表2 IP-Compression-Protocol選項格式表Tab.2 Table for format of IP-Compression protocol options

表3 IP-Address選項格式表Tab.3 Table for the format of IP-Address options

4) Primary DNS Server Address/Secondary DNS Server Address

本選項用來協商遠端的主、次域名服務器(Domain Name System，DNS)地址。如果要求對方提供DNS地址，本方將該選項的數據域設置為全0，對方使用Configure-Nak報文來應答，并在報文中本選項填上DNS地址。主、次DNS地址選項類型代碼分別為129和131。選項格式如表4所示。

表4 DNS Server Address選項格式表Tab.4 Table for the format of DNS Server Address options

5) Primary NBNS Server Address/Secondary NBNS Server Address

該選項用來協商遠端的主、次NetBIOS名稱服務器(NetBIOS Name Server，NBNS)地址。如果要求對方提供NBNS地址，本方將該選項的數據域設置為全0，對方使用Configure-Nak報文來應答，并在報文中本選項填上NBNS地址。主、次NBNS地址選項類型代碼分別為130和132。選項格式如表5所示。

表5 NBNS Server Address選項格式表Tab.5 Table for the format of NBNS Server Address options

5.8.3 IPCP協商過程

IPCP協商過程可分為兩種：動態協商和靜態協商。

靜態協商：如果點對點通信兩端的通信設備在NCP協商前已經各自配置了IP地址，就不必要在NCP階段再協商IP地址，只告訴對方自身的IP地址即可。這個沒有IP地址協商過程的IPCP協商，就是靜態協商。

動態協商：即通信雙方一方配置為動態獲取IP地址，另一方配置為固定IP地址，且能夠給對方分配IP地址。ATP和雙模電臺之間IPCP協商采用的就是動態協商，雙模電臺為ATP分配IP地址。其動態協商過程如下。

ATP首先向雙模電臺發送請求數據報文（Configure-Request），報文中IP地址和DNS地址配置項都為零。雙模電臺接收到該報文后回復Config-Nak報文，報文中攜帶要分配給ATP的動態IP地址和DNS地址。ATP收到該報文后再次發送Configure-Request報文，這次報文中IP地址和DNS地址配置項內容是ATP剛才收到的IP地址和DNS地址。雙模電臺這次接收到該報文后向ATP回復Configure-Ack報文。ATP接收到后即完成了IPCP配置。這個過程如圖7所示。

IPCP的狀態機開始是初始狀態，但當完成上述過程后，IPCP的狀態機就變為開放狀態，通信雙方就可以進行網絡層數據傳送。

6 數據傳輸

一旦PPP協議完成上述各階段，PPP鏈路連接建立，ATP和RBC就可以按照車地安全通信協議進行數據傳輸，包括建立安全層連接，車地應用數據按通信協議層封裝等。與GSM-R通信不同，通過LTE-R通信的車地安全數據是由IP協議承載，IP報文又由PPP承載的。如圖8所示。

在此過程中，ATP和雙模電臺可以互發鏈路維護報文來檢測鏈路狀態，維持鏈路的穩定。

7 數據鏈路終止

當ATP和RBC通信結束，不再需要這條PPP鏈路時，必須及時終止該鏈路。首先，ATP和RBC之間要進行安全層連接斷開過程，然后斷開傳輸層連接，最后通信雙方通過交互鏈路終止報文來終止PPP連接。想斷開鏈路的一方應持續發送連接終止請求LCP幀（Terminate-Request），直到收到對方發送的連接終止確認LCP幀（Terminal-Ack）為止，然后進行鏈路終止操作。當PPP連接剛開始被終止時，PPP協議會首先通知網絡層讓其先斷開。在通信雙方終止請求LCP幀交互完成后，PPP協議會再通知物理層斷開，從而使得PPP鏈路完全斷開，PPP協議進入鏈路不可用階段，此次PPP通信結束，ATP和RBC的本次通信也隨之完全結束。

圖8 車地數據傳輸過程圖Fig.8 Train-ground data transmission process diagram

8 結束語

介紹雙模車載電臺技術研究方法，電臺同時兼容GSM-R通信和LTE-R通信。這樣車載設備可以在不進行硬件設備改造的情況下，順利實現從僅支持GSM-R通信轉換到同時支持GSM-R通信和LTE-R通信。按照本文所述方法構建的雙模電臺已經開發完成并在京沈高鐵線得到試用，電臺運行穩定可靠，既能滿足目前C3列控車地數據傳輸又能滿足未來C4列控車地數據傳輸的業務要求。