支持GSM-R與LTE-R通信的雙模車載電臺(tái)技術(shù)研究

謝和歡

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(tǒng)的車載電臺(tái)，這是一種支持GSM-R通信制式的2G電臺(tái)，車地?cái)?shù)據(jù)交換最初僅基于傳統(tǒng)的電路域（CS域）進(jìn)行。2015年，歐盟ETCS發(fā)布基線三版本ETCS B3R2，ECTS車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸在電路交換數(shù)據(jù)（CSD）方式的基礎(chǔ)上增加了通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）方式。GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域無(wú)線IP連接。隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，低時(shí)延、高速率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成為了移動(dòng)通信系統(tǒng)的新目標(biāo)，全I(xiàn)P移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)成為了必然，鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)由2G技術(shù)向4G技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)也越來(lái)越明顯，原來(lái)只支持2G通信的GSM-R車載電臺(tái)由于傳輸時(shí)延、吞吐量等本身局限性已經(jīng)不能適應(yīng)這種變化趨勢(shì)，而只支持4G通信的LTE-R車載電臺(tái)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(tái)，以滿足高鐵通信需求的變化。

2 雙模電臺(tái)簡(jiǎn)介

支持GSM-R/LTE-R通信的雙模電臺(tái)（簡(jiǎn)稱“雙模MT”）是車載無(wú)線接入終端設(shè)備，是列控系統(tǒng)車載設(shè)備的一部分。它通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)或LTE-R網(wǎng)絡(luò)與列控系統(tǒng)無(wú)線閉塞中心（RBC）建立起數(shù)據(jù)傳輸通道，用于傳輸車地列車控制信息；電臺(tái)通過(guò)串口與列控系統(tǒng)車載無(wú)線傳輸單元相連，進(jìn)行AT指令交互和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)。

雙模車載電臺(tái)車地?zé)o線通信其他系統(tǒng)的接口關(guān)系如圖1所示。RS-422串口為雙模電臺(tái)ATP無(wú)線傳輸單元的接口，Um空口為雙模電臺(tái)與GSM-R基站之間的接口，Uu空口為雙模電臺(tái)與LTE-R基站之間的接口。FIX-CS接口為RBC與ISDN網(wǎng)絡(luò)之間的接口。FIX-PS接口為RBC與IP網(wǎng)絡(luò)之間的接口。

圖1 雙模車載電臺(tái)與車地?zé)o線通信其他系統(tǒng)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(tái)基本原理

雙模電臺(tái)可采用支持GSM-R/LTE-R雙制式通信的雙模芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)同時(shí)集成支持GSM-R通信的調(diào)制解調(diào)器和支持LTE-R通信的調(diào)制解調(diào)器輔以必要的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雙模電臺(tái)能將車載發(fā)送的 AT指令，根據(jù)指令類型分別傳送到對(duì)應(yīng)的GSM-R/LTE-R調(diào)制解調(diào)器，并將調(diào)制解調(diào)器的AT指令響應(yīng)返回給車載。對(duì)于GSM-R 通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)而言，在撥號(hào)成功后，雙模電臺(tái)能將ATP發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM-R調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)由GSM-R電路域傳輸給RBC。并將RBC發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從GSM-R 調(diào)制解調(diào)器接收后轉(zhuǎn)發(fā)給ATP。對(duì)于LTE-R通信而言，雙模電臺(tái)實(shí)現(xiàn)了PPP協(xié)議處理，使得ATP也能通過(guò)撥號(hào)方式連接LTE-R網(wǎng)絡(luò)。一旦ATP和RBC建立PPP鏈接，就能直接進(jìn)行IP通信。

4 雙模電臺(tái)撥號(hào)上網(wǎng)機(jī)制

在既有GSM-R通信中，ATP是通過(guò)AT指令撥號(hào)與RBC建立起GSM-R通信鏈路的。在GPRS通信以及未來(lái)進(jìn)入LTE-R通信后，ATP將繼續(xù)采取撥號(hào)上網(wǎng)的方式，PPP協(xié)議能幫助實(shí)現(xiàn)這一要求，也是IETF RFC 1661規(guī)定應(yīng)使用的協(xié)議。當(dāng)車載發(fā)起GPRS或LTE-R呼叫時(shí)，雙模電臺(tái)能響應(yīng)ATP發(fā)起的PPP連接請(qǐng)求，建立起PPP連接，為ATP分配IP地址，使得ATP能通過(guò)GPRS或LTE-R網(wǎng)絡(luò)與RBC進(jìn)行IP通信。采用PPP撥號(hào)上網(wǎng)的方式為有通信業(yè)務(wù)的ATP提供GPRS/LTE-R網(wǎng)絡(luò)通信，在不需要通信時(shí)通信鏈路可以釋放，節(jié)約通信資源，符合高鐵車地通信系統(tǒng)的要求。

5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

5.1 簡(jiǎn)介

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（Point-to-Point Protocol，PPP）屬于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，是為了在串口鏈路、電話ISDN線路等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接上傳輸網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文而設(shè)計(jì)的，常用于撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)客戶端向服務(wù)器獲取IP地址。具體到車載電臺(tái)，就是ATP作為客戶端，而電臺(tái)作為服務(wù)端，當(dāng)ATP需要建立LTE-R通信鏈路時(shí)，ATP進(jìn)行PPP撥號(hào)。撥號(hào)成功后，電臺(tái)為ATP分配IP地址，ATP就能夠進(jìn)行IP通信。PPP協(xié)議是SLIP協(xié)議（串行線路網(wǎng)際協(xié)議，另外一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議）的改進(jìn)版?？朔璖LIP協(xié)議只能同時(shí)承載一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，既沒有容錯(cuò)控制，也沒有授權(quán)等許多缺陷，是現(xiàn)在最廣泛應(yīng)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路控制協(xié)議。

5.2 組成與功能

PPP協(xié)議是為在兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間建立簡(jiǎn)單連接以傳輸數(shù)據(jù)包而設(shè)計(jì)的。它提供了雙向全雙工操作，并按順序投遞數(shù)據(jù)包。PPP協(xié)議能夠動(dòng)態(tài)分配IP地址，并且能夠?qū)Χ喾N網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供支持。PPP協(xié)議物理實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：一是基于以太網(wǎng)口（PPP over Ethernet，PPPoE），二是基于 ATM（也就是異步傳輸模式上的PPP協(xié)議，即PPP over ATM，PPPoA），三是通過(guò)串行接口。ATP和雙模電臺(tái)之間的連接就是采用串口。PPP協(xié)議的主要功能是當(dāng)用戶發(fā)起呼叫時(shí)，試圖建立鏈路并協(xié)商鏈路參數(shù)；在通信過(guò)程中維持鏈路狀況；當(dāng)線路空閑時(shí)，釋放鏈路。

PPP協(xié)議主要包括3部分：鏈路控制協(xié)議（LCP）、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）和PPP擴(kuò)展協(xié)議。PPP協(xié)議默認(rèn)不進(jìn)行認(rèn)證配置。不過(guò)如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線路的兩端明確需要進(jìn)行認(rèn)證，也可以進(jìn)行配置。

鏈路控制協(xié)議（LCP）是PPP協(xié)議的重要組成部分，用來(lái)配置、建立、測(cè)試和關(guān)閉數(shù)據(jù)通信鏈路。LCP還負(fù)責(zé)設(shè)置驗(yàn)證協(xié)議（PAP協(xié)議或CHAP協(xié)議）。PAP協(xié)議有2次握手（被驗(yàn)證方發(fā)送密碼，驗(yàn)證方返回驗(yàn)證結(jié)果），使用明文密碼和賬號(hào)，安全性低。CHAP協(xié)議有3次握手（驗(yàn)證方要求驗(yàn)證，被驗(yàn)證方發(fā)送密碼，驗(yàn)證方返回驗(yàn)證結(jié)果），使用一次性密碼（One Time Password，OTP）。對(duì)于雙模車載電臺(tái)而言，ATP和電臺(tái)之間不需要進(jìn)行驗(yàn)證，所以PAP協(xié)議和CHAP協(xié)議均沒有用到，不展開敘述。

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）是一族網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，隨著承載的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議不同而有不同的NCP協(xié)議，常見的有IPCP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)使用）和IPXCP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（供SPX/IPX網(wǎng)絡(luò)使用）等。NCP參數(shù)配置協(xié)商的主要目的是獲取通信雙方的網(wǎng)絡(luò)層地址。雙模車載電臺(tái)NCP協(xié)議采用的就是IPCP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，IPCP負(fù)責(zé)IP地址設(shè)置以及是否進(jìn)行TCP/IP首部壓縮等設(shè)置。

5.3 PPP數(shù)據(jù)幀格式

PPP協(xié)議的數(shù)據(jù)單位稱為幀。一個(gè)PPP數(shù)據(jù)幀的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中1B表示一個(gè)字節(jié)。

圖2 PPP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram for the structure of PPP data frame

下面具體說(shuō)明PPP數(shù)據(jù)幀各個(gè)域的含義。

1）首部

首部中的標(biāo)志域固定為0x7E，標(biāo)識(shí)幀的起始。

首部中的地址域固定為0xFF(即11111111)。由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路本身就可以唯一標(biāo)示對(duì)方，因此使用PPP協(xié)議互連的通信設(shè)備的雙方并不再需要知道對(duì)方的數(shù)據(jù)鏈路層地址，所以該字節(jié)對(duì)于PPP協(xié)議而言無(wú)任何實(shí)際意義，按照協(xié)議規(guī)定將該字節(jié)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(shù)據(jù)幀的控制域也缺乏實(shí)際意義，通信時(shí)雙方都將該字節(jié)的內(nèi)容填充為0x03，表示一個(gè)無(wú)編號(hào)幀。

就PPP協(xié)議本身而言，最為重要的就是協(xié)議域和信息域。協(xié)議域用來(lái)標(biāo)識(shí)PPP數(shù)據(jù)幀中信息域所承載的數(shù)據(jù)報(bào)文屬于哪種協(xié)議。

2）協(xié)議域

協(xié)議域用來(lái)區(qū)分PPP數(shù)據(jù)幀中信息域所承載的數(shù)據(jù)報(bào)文的內(nèi)容：

值為0x0021時(shí)，標(biāo)識(shí)PPP幀的信息域?yàn)镮P數(shù)據(jù)報(bào)文；

值為0xC021時(shí)，標(biāo)識(shí)PPP幀的信息域?yàn)長(zhǎng)CP協(xié)議數(shù)據(jù)；

值為0x8021時(shí)，標(biāo)識(shí)PPP幀的信息域?yàn)镹CP協(xié)議數(shù)據(jù)。

3）信息域

信息域長(zhǎng)度不超過(guò)1 500 Byte。如不足1 500 Byte時(shí)，可被填充，但不是硬性規(guī)定。

4）尾部

尾部中的校驗(yàn)域占用兩個(gè)字節(jié)，是使用CRC進(jìn)行幀校驗(yàn)生成的FCS（幀檢驗(yàn)序列）。

尾部中的標(biāo)志域F(Flag)，固定為0x7E，標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的結(jié)束。

5.4 PPP狀態(tài)遷移

從ATP發(fā)起呼叫開始到通信完成后最終釋放鏈路，PPP要經(jīng)歷一系列的狀態(tài)遷移過(guò)程，如圖3所示。

當(dāng)ATP發(fā)起一次撥號(hào)連接時(shí)，ATP首先呼叫雙模電臺(tái)，此時(shí)雙模電臺(tái)相當(dāng)于一臺(tái)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器。當(dāng)雙模電臺(tái)上的遠(yuǎn)程訪問(wèn)模塊應(yīng)答了這個(gè)呼叫后，初始的物理連接就建立起來(lái)。接下來(lái)，ATP終端和雙模電臺(tái)之間開始傳送一系列按照PPP協(xié)議封裝的LCP分組，用于協(xié)商PPP鏈路層參數(shù)。

如果在PPP鏈路的建立過(guò)程中有一方要求認(rèn)證，接下來(lái)就要進(jìn)行認(rèn)證過(guò)程（在ATP呼叫過(guò)程中不需要認(rèn)證過(guò)程）。如果認(rèn)證失敗（例如使用了錯(cuò)誤的用戶名或密碼），則鏈路會(huì)被終止，通信雙方（ATP和雙模電臺(tái)）負(fù)責(zé)通信的設(shè)備或模塊會(huì)關(guān)閉物理鏈路并回到初始空閑狀態(tài)。如果認(rèn)證成功，則接著進(jìn)行下一步。

在這步驟中，通信雙方開始交換一系列按照PPP協(xié)議封裝的NCP分組來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)。由于ATP網(wǎng)絡(luò)層采用的是IP協(xié)議，此過(guò)程是由IPCP協(xié)議來(lái)完成的。

當(dāng)NCP配置完成后，ATP與雙模電臺(tái)的PPP鏈路就建立成功，雙方可以開始在此鏈路上交換網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，一方會(huì)發(fā)起斷開鏈路的請(qǐng)求，PPP進(jìn)入鏈路斷開過(guò)程。首先，NCP會(huì)釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回之前分配的IP地址。然后，LCP會(huì)關(guān)閉數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后，雙方通信設(shè)備或模塊關(guān)閉物理鏈路從而回到PPP初始狀態(tài)，鏈路不再可用。

圖3 PPP狀態(tài)遷移圖Fig.3 PPP state transition diagram

5.5 LCP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文格式

在數(shù)據(jù)鏈路層，PPP通過(guò)鏈路控制協(xié)議（Link Control Protocol，LCP）進(jìn)行鏈路管理，用于鏈路的參數(shù)協(xié)商、建立、維護(hù)和斷開。

LCP數(shù)據(jù)報(bào)文以PPP幀為基礎(chǔ)。LCP幀位于PPP幀中的信息域部分，格式如圖4所示。

圖4 LCP數(shù)據(jù)報(bào)文格式圖Fig.4 Diagram for the format of LCP data message

PPP幀協(xié)議域字段的值應(yīng)為0xC021，標(biāo)識(shí)該P(yáng)PP幀為L(zhǎng)CP幀。LCP幀有自己特有的四個(gè)字段：代碼域、標(biāo)識(shí)域、長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域。

代碼域表示LCP數(shù)據(jù)報(bào)文類型。根據(jù)具體用途可以將LCP幀劃分為3大類型： 鏈路建立報(bào)文類、鏈路終止報(bào)文類、鏈路維護(hù)報(bào)文類。

1）鏈路建立報(bào)文類

本類包含Configure-Request、Configure-Ack、Configure-Nak和Configure-Reject四種LCP報(bào)文。

要建立鏈路，通信雙方都必須給對(duì)方發(fā)送Configure-Request報(bào)文，并在報(bào)文中攜帶本方所希望配置參數(shù)以進(jìn)行協(xié)商。接收方收到Configure-Request報(bào)文時(shí)，會(huì)根據(jù)是否識(shí)別、認(rèn)可Configure-Request報(bào)文中的配置項(xiàng)和配置參數(shù)，在其余3種配置報(bào)文中選擇一種來(lái)應(yīng)答。

2）鏈路終止報(bào)文類

本類包含Terminate-Request和Terminate-Ack兩種LCP報(bào)文。

想要關(guān)閉PPP鏈路的一方應(yīng)持續(xù)發(fā)送Terminate-Request報(bào)文，直到收到對(duì)方的Terminate-Ack報(bào)文為止。鏈路終止報(bào)文中無(wú)需攜帶各配置參數(shù)選項(xiàng)，但需要ID一致。接收方收到Terminate-Request報(bào)文后，必須回應(yīng)Terminate-Ack報(bào)文。同時(shí)等待對(duì)方先將鏈路斷開后，再完成本方的斷開。

3）鏈路維護(hù)報(bào)文類

當(dāng)需要進(jìn)行PPP?；睿ù_認(rèn)當(dāng)前PPP鏈路是否持續(xù)處在活躍狀態(tài)）時(shí)，PPP鏈路的雙方應(yīng)分別發(fā)送Echo-Request報(bào)文。如果另一方回復(fù)了Echo-Reply報(bào)文，則表示PPP鏈路仍在活躍狀態(tài)。

5.6 LCP協(xié)商過(guò)程

LCP 兩端（ATP和雙模電臺(tái)）通過(guò)交互鏈路建立報(bào)文類中的報(bào)文來(lái)協(xié)商LCP選項(xiàng)。協(xié)商內(nèi)容包括：最大傳輸單元、魔術(shù)字、驗(yàn)證方式、異步字符映射等選項(xiàng)。LCP一方通過(guò)發(fā)送LCP Configure-Request報(bào)文來(lái)向另一方請(qǐng)求認(rèn)可自己需要的LCP協(xié)商選項(xiàng)。如果接收方對(duì)于發(fā)送方發(fā)送的Configure-Request報(bào)文的配置項(xiàng)全都識(shí)別且認(rèn)可，則應(yīng)答Configure-Ack報(bào)文。如果接收方對(duì)于發(fā)送方的配置項(xiàng)全都識(shí)別但對(duì)部分參數(shù)值不認(rèn)可，則應(yīng)答Configure-Nak報(bào)文，并在報(bào)文的選項(xiàng)中填上自己期望的內(nèi)容。如果接收方對(duì)于發(fā)送方的配置項(xiàng)提到的某個(gè)或某些配置參數(shù)不識(shí)別，則應(yīng)答Config-Reject報(bào)文，并在報(bào)文中帶上不能識(shí)別的選項(xiàng)。此過(guò)程一直要持續(xù)到雙方都對(duì)對(duì)方的配置項(xiàng)全都識(shí)別且認(rèn)可時(shí)才結(jié)束，具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 LCP協(xié)商過(guò)程圖Fig.5 LCP negotiation process diagram

5.7 NCP協(xié)商過(guò)程

在網(wǎng)絡(luò)層，由NCP為不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供服務(wù)。NCP的主要功能是協(xié)商PPP報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)，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(xié)議（Internet Protocol Control Protocol，IPCP）協(xié)議。

NCP流程與LCP流程類似。ATP與雙模電臺(tái)之間互相發(fā)送NCP Configure-Request報(bào)文并且等到互相回應(yīng)NCP Configure-Ack報(bào)文后，則NCP協(xié)商完成。ATP成功上線，可以正常訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。

在NCP協(xié)商過(guò)程中，ATP和雙模電臺(tái)會(huì)對(duì)IP服務(wù)階段的一些要求進(jìn)行多次協(xié)商，以確定雙方都能夠接受的約定。 同LCP協(xié)商過(guò)程類似，當(dāng)Configure-Request報(bào)文中的一些選項(xiàng)不被接收方接受時(shí)， 接收方不會(huì)回復(fù)Configure-Ack報(bào)文，而是回復(fù)其他如Configure-Nak報(bào)文。這時(shí)候，發(fā)送方會(huì)修改相應(yīng)選項(xiàng)，直到接收方可以認(rèn)可為止。

在雙模電臺(tái)中，用到的NCP協(xié)議是IPCP協(xié)議，下面介紹這種協(xié)議。

5.8 IPCP協(xié)議

IPCP協(xié)議即IP控制協(xié)議，負(fù)責(zé)建立，使用和中止IP模塊。在完成LCP協(xié)商和鑒權(quán)后，PPP協(xié)議進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置階段。在該階段通信雙方互相發(fā)送NCP數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)選擇和配置一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。如果網(wǎng)絡(luò)層使用的是IP協(xié)議，那么NCP就應(yīng)該使用IPCP協(xié)議來(lái)配置雙方的IP地址、域名服務(wù)器IP地址等。只有通信雙方獲得了這些基本信息，才能進(jìn)行IP報(bào)文傳輸。IPCP包在PPP沒有進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層協(xié)商階段前不能進(jìn)行發(fā)送。如果有IPCP包在次階段前被發(fā)送，接收方會(huì)將其拋棄。

5.8.1 IPCP數(shù)據(jù)報(bào)文格式

IPCP數(shù)據(jù)報(bào)文是放置在PPP幀中的數(shù)據(jù)域中的，因此，在PPP幀的協(xié)議域必須設(shè)置為IPCP的協(xié)議編號(hào)0x8021。IPCP使用的數(shù)據(jù)報(bào)文格式與LCP數(shù)據(jù)幀相同，也包括代碼域、標(biāo)識(shí)域、長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域共4個(gè)域。如圖6所示。

圖6 IPCP數(shù)據(jù)報(bào)文格式圖Fig.6 Diagram for the format of IPCP data message

IPCP有7種數(shù)據(jù)報(bào)文類型，主要用來(lái)請(qǐng)求配置、接收或拒絕配置、關(guān)閉鏈路等，如表1所示。

表1 IPCP報(bào)文類型表Tab.1 Table for IPCP message type

5.8.2 IPCP配置選項(xiàng)

IPCP使用到的配置選項(xiàng)與LCP完全不同，具體配置選項(xiàng)如下。

1) IP-Addresses

本選項(xiàng)目前已基本不用，改用下面將要提到的配置選項(xiàng)3）。如果Configure-Reject報(bào)文中IPAddresses的可選項(xiàng)被收到，或者Configure-Nak報(bào)文中使用IP-Addresses可選項(xiàng)被認(rèn)為是附加的選項(xiàng)，本可選項(xiàng)才可以被發(fā)送。

2) IP-Compression-Protocol

本選項(xiàng)用來(lái)協(xié)商用到的IP壓縮協(xié)議，壓縮協(xié)議編號(hào)與PPP協(xié)議域中的協(xié)議編號(hào)相同。目前支持的協(xié)議有Van Jacobson Compressed TCP/IP，編號(hào)為0x002D。壓縮技術(shù)能幫助減少數(shù)據(jù)發(fā)送，降低傳輸時(shí)延。IPCP默認(rèn)是不使用壓縮的。選項(xiàng)的格式如表2所示。

3) IP-Address

本選項(xiàng)用來(lái)協(xié)商供本方使用的IP地址。如果發(fā)送方欲使用自己的IP地址，則在該選項(xiàng)攜帶發(fā)送方自己的IP地址。如果發(fā)送方請(qǐng)求對(duì)方給自己分配IP地址，則在該選項(xiàng)填上一個(gè)全為0的IP地址，對(duì)方會(huì)在Configure-Nak報(bào)文中用本選項(xiàng)給出分配給請(qǐng)求方的IP地址。選項(xiàng)的格式如表3所示。

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

表3 IP-Address選項(xiàng)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(xiàng)用來(lái)協(xié)商遠(yuǎn)端的主、次域名服務(wù)器(Domain Name System，DNS)地址。如果要求對(duì)方提供DNS地址，本方將該選項(xiàng)的數(shù)據(jù)域設(shè)置為全0，對(duì)方使用Configure-Nak報(bào)文來(lái)應(yīng)答，并在報(bào)文中本選項(xiàng)填上DNS地址。主、次DNS地址選項(xiàng)類型代碼分別為129和131。選項(xiàng)格式如表4所示。

表4 DNS Server Address選項(xiàng)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(xiàng)用來(lái)協(xié)商遠(yuǎn)端的主、次NetBIOS名稱服務(wù)器(NetBIOS Name Server，NBNS)地址。如果要求對(duì)方提供NBNS地址，本方將該選項(xiàng)的數(shù)據(jù)域設(shè)置為全0，對(duì)方使用Configure-Nak報(bào)文來(lái)應(yīng)答，并在報(bào)文中本選項(xiàng)填上NBNS地址。主、次NBNS地址選項(xiàng)類型代碼分別為130和132。選項(xiàng)格式如表5所示。

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

5.8.3 IPCP協(xié)商過(guò)程

IPCP協(xié)商過(guò)程可分為兩種：動(dòng)態(tài)協(xié)商和靜態(tài)協(xié)商。

靜態(tài)協(xié)商：如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩端的通信設(shè)備在NCP協(xié)商前已經(jīng)各自配置了IP地址，就不必要在NCP階段再協(xié)商IP地址，只告訴對(duì)方自身的IP地址即可。這個(gè)沒有IP地址協(xié)商過(guò)程的IPCP協(xié)商，就是靜態(tài)協(xié)商。

動(dòng)態(tài)協(xié)商：即通信雙方一方配置為動(dòng)態(tài)獲取IP地址，另一方配置為固定IP地址，且能夠給對(duì)方分配IP地址。ATP和雙模電臺(tái)之間IPCP協(xié)商采用的就是動(dòng)態(tài)協(xié)商，雙模電臺(tái)為ATP分配IP地址。其動(dòng)態(tài)協(xié)商過(guò)程如下。

ATP首先向雙模電臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文（Configure-Request），報(bào)文中IP地址和DNS地址配置項(xiàng)都為零。雙模電臺(tái)接收到該報(bào)文后回復(fù)Config-Nak報(bào)文，報(bào)文中攜帶要分配給ATP的動(dòng)態(tài)IP地址和DNS地址。ATP收到該報(bào)文后再次發(fā)送Configure-Request報(bào)文，這次報(bào)文中IP地址和DNS地址配置項(xiàng)內(nèi)容是ATP剛才收到的IP地址和DNS地址。雙模電臺(tái)這次接收到該報(bào)文后向ATP回復(fù)Configure-Ack報(bào)文。ATP接收到后即完成了IPCP配置。這個(gè)過(guò)程如圖7所示。

IPCP的狀態(tài)機(jī)開始是初始狀態(tài)，但當(dāng)完成上述過(guò)程后，IPCP的狀態(tài)機(jī)就變?yōu)殚_放狀態(tài)，通信雙方就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳送。

6 數(shù)據(jù)傳輸

一旦PPP協(xié)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(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括建立安全層連接，車地應(yīng)用數(shù)據(jù)按通信協(xié)議層封裝等。與GSM-R通信不同，通過(guò)LTE-R通信的車地安全數(shù)據(jù)是由IP協(xié)議承載，IP報(bào)文又由PPP承載的。如圖8所示。

在此過(guò)程中，ATP和雙模電臺(tái)可以互發(fā)鏈路維護(hù)報(bào)文來(lái)檢測(cè)鏈路狀態(tài)，維持鏈路的穩(wěn)定。

7 數(shù)據(jù)鏈路終止

當(dāng)ATP和RBC通信結(jié)束，不再需要這條PPP鏈路時(shí)，必須及時(shí)終止該鏈路。首先，ATP和RBC之間要進(jìn)行安全層連接斷開過(guò)程，然后斷開傳輸層連接，最后通信雙方通過(guò)交互鏈路終止報(bào)文來(lái)終止PPP連接。想斷開鏈路的一方應(yīng)持續(xù)發(fā)送連接終止請(qǐng)求LCP幀（Terminate-Request），直到收到對(duì)方發(fā)送的連接終止確認(rèn)LCP幀（Terminal-Ack）為止，然后進(jìn)行鏈路終止操作。當(dāng)PPP連接剛開始被終止時(shí)，PPP協(xié)議會(huì)首先通知網(wǎng)絡(luò)層讓其先斷開。在通信雙方終止請(qǐng)求LCP幀交互完成后，PPP協(xié)議會(huì)再通知物理層斷開，從而使得PPP鏈路完全斷開，PPP協(xié)議進(jìn)入鏈路不可用階段，此次PPP通信結(jié)束，ATP和RBC的本次通信也隨之完全結(jié)束。

圖8 車地?cái)?shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖Fig.8 Train-ground data transmission process diagram

8 結(jié)束語(yǔ)

介紹雙模車載電臺(tái)技術(shù)研究方法，電臺(tái)同時(shí)兼容GSM-R通信和LTE-R通信。這樣車載設(shè)備可以在不進(jìn)行硬件設(shè)備改造的情況下，順利實(shí)現(xiàn)從僅支持GSM-R通信轉(zhuǎn)換到同時(shí)支持GSM-R通信和LTE-R通信。按照本文所述方法構(gòu)建的雙模電臺(tái)已經(jīng)開發(fā)完成并在京沈高鐵線得到試用，電臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，既能滿足目前C3列控車地?cái)?shù)據(jù)傳輸又能滿足未來(lái)C4列控車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)要求。