智能运输系统概论第5章课件.ppt

智能运输系统概论智能运输系统概论（第三版）（第三版）普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材2121世纪交通版高等学校教材世纪交通版高等学校教材杨兆升杨兆升 于德新于德新 主编主编史其信史其信 高世廉高世廉 主审主审智能运输系统概论智能运输系统概论目目 录录n第第1 1章章 绪论绪论n第第2 2章章 智能运输系统的体系框架智能运输系统的体系框架n第第3 3章章 智能运输系统的理论基础智能运输系统的理论基础n第第4 4章章 交通信息采集与处理技术交通信息采集与处理技术n第第5 5章章 通信技术通信技术n第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术n第第7 7章章 网络技术网络技术n第第8 8章章 数据库技术数据库技术n第第9 9章章 新技术在智能运输系统中的应用新技术在智能运输系统中的应用n第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统智能运输系统概论智能运输系统概论第第5 5章章 通信技术通信技术 概述概述5.1通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.2 交通数据信源编码研究交通数据信源编码研究5.3智能运输系统概论智能运输系统概论5.1 概述概述智智能能运运输输系系统统是是利利用用先先进进的的信信息息通通信信技技术术建建立立道道路路、车车辆辆、行行人人为为一一体体的的综综合合交交通通运运输输系系统统。在在将将道道路路、车车辆辆、行行人人整整合合的的过过程程中中，通通信信系系统统起起到到了了关关键键的的作作用用，通通信信技技术术成为构建智能运输系统的成为构建智能运输系统的基本要素基本要素。现现代代通通信信技技术术包包括括数数字字通通信信技技术术、程程控控交交换换技技术术、信信息息传传输输技技术术、通通信信网网络络技技术术、数数据据通通信信与与数数据据网网、ISDNISDN与与ATMATM技术技术、宽带宽带IPIP技术技术以及以及接入网与接入技术接入网与接入技术等。等。数数字字通通信信是是现现代代通通信信网网中中的的最最主主要要的的通通信信技技术术基基础础。用用数数字字信信号号作作为为载载体体来来传传输输消消息息，或或用用数数字字信信号号对对载载波波进进行行数字调制数字调制后再传输的通信方式。后再传输的通信方式。智能运输系统概论智能运输系统概论5.1 概述概述数数字字通通信信以以其其抗抗干干扰扰能能力力强强，便便于于存存储储，处处理理和和交交换换等特点，等特点，广泛应用广泛应用于现代通信网的各种通信系统。于现代通信网的各种通信系统。信信息息传传输输技技术术主主要要包包括括光光纤纤通通信信、数数字字微微波波通通信信、卫卫星通信星通信、移动通信移动通信等。等。光光纤纤是是以以光光波波为为载载频频，以以光光导导纤纤维维为为传传输输介介质质的的一一种种通通信信方方式式，主主要要特特点点是是频频带带宽宽，比比常常用用微微波波频频率率高高104-104-105105倍倍；损损耗耗低低，中中继继距距离离长长；具具有有抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力；线线经细，重量轻；还有经细，重量轻；还有耐腐蚀耐腐蚀，不怕高温不怕高温等优点。等优点。数数字字微微波波中中继继通通信信是是指指利利用用波波长长为为1m-1mm1m-1mm范范围围内内的的电电磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。智能运输系统概论智能运输系统概论5.1 概述概述数数字字微微波波中中继继通通信信主主要要特特点点为为信信号号可可以以“再再生生”，具具有有便便于于数数字字程程控控交交换换机机的的连连接接、便便于于采采用用大大规规模模集集成成电电路路、保密性好保密性好以及以及占用频带较宽占用频带较宽等的优点。等的优点。卫卫星星通通信信简简单单说说就就是是地地球球上上的的无无线线电电通通信信站站之之间间利利用用人人造造地地球球卫卫星星作作中中继继站站而而进进行行的的通通信信。其其具具有有通通信信距距离离远远、工工作作频频带带宽宽、通通信信容容量量大大、适适用用于于多多种种业业务务的的传传输输、通通信信线路稳定可靠线路稳定可靠以及以及通信质量高通信质量高等优点。等优点。早早期期的的通通信信形形式式属属于于固固定定点点之之间间的的通通信信，随随着着人人类类社社会会的的发发展展，信信息息传传递递日日益益频频繁繁，移移动动通通信信正正是是因因为为具具有有信信息交流息交流灵活灵活，经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，智能运输系统概论智能运输系统概论 概述概述5.1 交通数据信源编码研究交通数据信源编码研究5.3通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.2第第5 5章章 通信技术通信技术智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.1 调频广播调频广播调频广播调频广播是以是以调频调频方式进行方式进行音频信号音频信号传输的传输的.调调频频波波的的载载波波随随着着音音频频调调制制信信号号的的变变化化而而在在载载波波中中心心频频率率（未未调调制制以以前前的的中中心心频频率率）两两边边变变化化，每每秒秒钟钟的的频频偏偏变变化化次次数数和和音音频频信信号号的的调调制制频频率率一一致致。频频偏偏的的大大小小是是随随音音频频信号的信号的振幅大小振幅大小而定。而定。调调频频广广播播是是高高频频振振荡荡频频率率随随音音频频信信号号幅幅度度而而变变化化的的广广播技术。播技术。具具有有抗抗干干扰扰力力强强、失失真真小小、设设备备利利用用率率高高等等优优点点，但但所占所占频带宽频带宽，因此常工作于甚高频段。，因此常工作于甚高频段。智能运输系统概论智能运输系统概论由由交交通通部部门门与与广广播播电电台台联联合合打打造造的的调调频频广广播播台台不不是是传传统统意意义义的的广广播播，而而是是跨跨行行业业，利利用用“多多路路段段、差差异异化化、定定制制化化插插播播”技技术术，实实现现基基于于智智能能位位置置信信息息的的差差异异化化信信息服务息服务，是对，是对普通调频同步广播普通调频同步广播系统的创新应用。系统的创新应用。具具有有紧紧急急广广播播和和数数据据推推送送功功能能，可可全全面面提提升升现现有有道道路路网网络络的的信信息息服服务务水水平平和和效效率率，提提高高应应对对公公路路突突发发事事件件和和应急处置应急处置能力。能力。5.2.1 调频广播调频广播智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.2 3G移动通信移动通信3G3G（3rd 3rd GenerationGeneration）指指第第三三代代移移动动通通信信技技术术。与与前前两两代代相相比比,主主要要特特征征是是可可提提供供丰丰富富多多彩彩的的移移动动多多媒媒体体业业务务，其其传传输输速速率率在在高高速速移移动动环环境境中中支支持持144kb/s144kb/s，步步行行慢慢速速移移动动环环境境中中支支持持384kb/s384kb/s，静静止止状状态态下下支支持持2Mb/s2Mb/s。目目前前国国际电联接受的际电联接受的3G3G标准标准主要有主要有WCDMAWCDMA、CDMA2000CDMA2000与与TD-SCDMATD-SCDMA。3G3G技术在车联网中的应用技术在车联网中的应用3G3G网网络络可可以以实实现现多多节节点点的的交交互互，例例如如：与与不不同同城城市市智智能能运运输输系系统统之之间间的的交交互互、车车与与车车之之间间的的交交互互、不不同同种种类类的的信信息息平平台台之之间间交交互互等等。使使得得车车辆辆在在出出行行前前可可以以选选择择更更为为合合理理的的出出行行路路线线，在在出出行行中中合合理理规规避避交交通通堵堵塞塞，遇遇到到堵塞可以堵塞可以主动上传主动上传相关路况信息。还可为提供车辆监测。相关路况信息。还可为提供车辆监测。智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.2 3G移动通信移动通信 3G3G技术在快速交通事故处理中的应用技术在快速交通事故处理中的应用一一般般性性车车辆辆事事故故特特别别是是未未造造成成人人身身伤伤害害的的事事故故，可可以以通通过过3G3G网网络络提提供供的的视视频频技技术术来来解解决决。3G3G视视频频技技术术可可以以利利用用高高带带宽宽的的无无线线接接入入在在任任一一地地点点上上传传和和接接受受图图像像。交交警警部部门门可可以以通通过过3G3G远远程程视视频频的的方方式式来来完完成成事事故故现现场场的的勘勘察察。可可以以快快速速处处理理交交通通事事故故，及及时时解解决决事事发发路路段段的的交交通通拥拥堵堵状况，并状况，并节约节约交管部门交管部门成本成本。3G3G技术在交通流诱导系统中的应用技术在交通流诱导系统中的应用传传统统的的车车载载导导航航系系统统只只能能提提供供单单一一的的道道路路地地图图导导航航，无无法法做做到到实实时时更更新新前前方方路路况况信信息息，也也就就无无法法向向出出行行者者提提供智能便捷的出行服务。供智能便捷的出行服务。智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.2 3G移动通信移动通信 3G3G技术在交通流诱导系统中的应用技术在交通流诱导系统中的应用随随着着3G3G网网络络技技术术的的应应用用和和普普及及，车车载载导导航航系系统统将将与与3G3G网网络络技技术术进进行行完完美美结结合合，使使其其成成为为交交通通流流诱诱导导系系统统中中的的接接收收/发发送送设设备备。目目前前，在在3G3G网网络络中中广广泛泛使使用用的的移移动动定定位位技技术术有有三三种种：基基于于网网络络的的CELL-IDCELL-ID技技术术、OTDOAOTDOA技技术术、网网络与终端混合的络与终端混合的A-GPSA-GPS技术技术。移移动动定定位位可可以以实实现现援援助助服服务务、基基于于位位置置的的信信息息服服务务、广告服务广告服务以及以及追踪服务追踪服务等多种业务。等多种业务。3G3G通通信信技技术术很很好好地地解解决决了了智智能能运运输输系系统统数数据据传传输输中中存存在在的的问问题题，给给智智能能运运输输信信息息传传输输带带来来无无限限机机遇遇，今今后后会会有有更广阔的应用空间。更广阔的应用空间。智能运输系统概论智能运输系统概论专专 用用 短短 程程 移移 动动 通通 信信（Dedicated Dedicated Short Short Range Range CommunicationsCommunications，简简称称DSRCDSRC）是是一一种种无无线线通通信信系系统统，是是将将数数字字信信号号调调制制在在高高频频副副载载波波上上，再再以以此此搭搭载载有有信信号号的的副副载载波波调调制制到到频频率率、幅幅值值固固定定的的厘厘米米波波上上，由由天天馈馈线线在在路路面面通通信站和运动车辆之间信站和运动车辆之间来回传播来回传播。车车辆辆至至地地面面站站的的信信号号传传送送称称为为“上上行行”，地地面面站站至至车车辆辆的信号传送称为的信号传送称为“下行下行”。全全部部信信号号的的编编制制、发发射射、接接收收、处处理理、存存储储和和转转送送均均由由双方的双方的微处理器微处理器按专用按专用软件软件控制，并操作控制，并操作硬件硬件执行。执行。专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信智能运输系统概论智能运输系统概论DSRCDSRC是是ITSITS的的基基础础，通通过过信信息息的的双双向向传传输输将将车车辆辆和和道道路路有机地连接起来，主要是用来有机地连接起来，主要是用来控制车辆控制车辆运动和运动和征收通行费征收通行费。控控制制车车辆辆运运动动包包括括对对运运行行车车辆辆位位置置和和方方向向的的测测定定以以及及对对车辆车辆纵向纵向和和横向运动速度横向运动速度的控制等。的控制等。电电子子收收费费需需要要在在车车辆辆运运动动过过程程中中查查明明车车辆辆型型别别、进进出出高高速公路的站号速公路的站号，并将计算出的，并将计算出的应缴通行费额应缴通行费额通知给用户。通知给用户。完完成成这这些些工工作作都都需需要要路路侧侧固固定定通通信信站站与与运运动动车车辆辆多多次次交交流流数据数据，只有高可靠性的，只有高可靠性的移动通信移动通信才能满足这些要求。才能满足这些要求。专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信智能运输系统概论智能运输系统概论短短距距离离信信标标可可以以提提供供短短程程通通信信，并并可可在在有有限限的的频频谱谱上上以以高速转发数据高速转发数据。几几种种常常见见的的短短距距离离信信标标特特性性如如表表所所示示。根根据据设设计计，信信标标可可用用于于单单向向周周期期性性广广播播、双双向向广广播播和和接接收收，或或者者双双向向点点对对点通信。点通信。信信标标可可以以用用于于车车辆辆定定位位和和导导航航、电电子子收收费费、车车辆辆自自动动识识别别、商业车辆运营商业车辆运营、交通管理交通管理和和车车-车的相互通信车的相互通信。专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信生产厂生产厂系统系统距离距离数据率数据率发送块大小发送块大小HughesHughes主动主动RFRF61m(200in.)61m(200in.)550KB/s550KB/s512bit512bitAmtechAmtech被动被动RFRF23-30m23-30m（750750100in.100in.）300300或或600KB/s600KB/s128bit128bitSiemensSiemens红外红外60-80m60-80m（197197262in.262in.）125KB/s125KB/s256byte256byte（下行链路下行链路)128byte128byte（上行链路）（上行链路）智能运输系统概论智能运输系统概论车车-路路旁旁的的信信标标类类型型有有三三种种：（1 1）定定位位信信标标（2 2）信信息息信标信标（3 3）单独通信信标单独通信信标定位信标定位信标发发送送信信号号以以确确定定其其位位置置、地地图图坐坐标标、路路段段取取向向以以及及信信标标数目。数目。信息信标信息信标既发送既发送定位信号定位信号又通过电缆又通过电缆中继中继当前当前路况路况和和交通信息交通信息。单独通信信标单独通信信标用来和用来和车辆车辆进行进行双向通信双向通信的。的。这些信标均可用来这些信标均可用来收集交通数据收集交通数据和和引导车辆引导车辆。信标通信信标通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信当当一一辆辆配配置置完完备备的的车车辆辆经经过过通通信信信信标标时时，就就可可以以通通过过信信标标向向中中心心主主机机发发送送测测得得的的行行程程时时间间和和经经历历信信号号灯灯的的等等待待时时间间。同同时时，它它可可从从信信标标接接收收到到返返回回的的相相关关定定位位和和引引导导信信息息，如图所示。如图所示。信标通信信标通信信标通信信标通信智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信DSRCDSRC协协议议是是DSRCDSRC的的基基础础，美美国国、欧欧洲洲、日日本本均均建建立立了了自自己己的的DSRCDSRC标标准准，目目前前国国际际标标准准化化组组织织尚尚未未制制定定出出完完整整的的DSRCDSRC国国际际标标准准。但但资资料料表表明明，基基于于5.8gHz5.8gHz的的DSRCDSRC国国际际统统一一标准标准将成为必然。将成为必然。DSRCDSRC标标准准可可以以分分为为三三个个层层次次：物物理理层层、数数据据链链路路层层和和应应用层用层。物理层（物理层（Physical LayerPhysical Layer）规规定定了了机机械械、电电器器、功功能能和和过过程程的的参参数数，以以激激活活、保保持持和和释释放放通通信信系系统统之之间间的的物物理理连连接接。其其中中载载波波频频率率是是一一个个很很关键的参数，它是造成世界上关键的参数，它是造成世界上DSRCDSRC系统差别系统差别的主要原因。的主要原因。DSRCDSRC协议协议智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信数据链路层（数据链路层（Data Link LayerData Link Layer）制制定定了了媒媒介介访访问问和和逻逻辑辑链链路路控控制制方方法法，定定义义了了进进入入共共享享物理媒介物理媒介、寻址寻址和和出错控制出错控制的的操作操作。应用层（应用层（Application LayerApplication Layer）提供了一些提供了一些DSRCDSRC应用应用的的基础性工具基础性工具。应应用用层层中中的的过过程程可可以以直直接接使使用用这这些些工工具具，例例如如：通通信信初初始化过程始化过程、数据传输数据传输和和擦去操作擦去操作等等。等等。另外，应用层还提供了支持另外，应用层还提供了支持同时多请求同时多请求的功能。的功能。DSRCDSRC协议协议智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.4 无线射频识别无线射频识别 无无线线射射频频识识别别（Radio Radio Frequency Frequency IdentificationIdentification，简简称称RFIDRFID）是一种）是一种非接触式非接触式的的自动识别自动识别技术。技术。它它通通过过射射频频信信号号自自动动识识别别目目标标对对象象并并获获取取相相关关数数据据，无无须人工干预，可工作于各种须人工干预，可工作于各种恶劣环境恶劣环境。RFIDRFID技技术术可可识识别别高高速速运运动动物物体体并并可可同同时时识识别别多多个个标标签签，操作快捷方便。操作快捷方便。RFIDRFID系系统统是是一一种种简简单单的的无无线线系系统统，只只有有两两个个基基本本器器件件，该系统可用于该系统可用于控制控制、检测检测和和跟踪跟踪物体。物体。无线射频识别无线射频识别智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.4 无线射频识别无线射频识别 RFIDRFID系统系统主要由主要由3 3个部分个部分组成：组成：标签（标签（TagTag）由由耦耦合合元元件件及及芯芯片片组组成成，每每个个标标签签具具有有唯唯一一的的电电子子编编码码，附着在物体上标识目标对象。附着在物体上标识目标对象。阅读器（阅读器（ReaderReader）读读取取（有有时时还还可可以以写写入入）标标签签信信息息的的设设备备，当当装装有有标标签签的的物物体体通通过过阅阅读读器器时时，及及时时读读出出标标签签的的IDID信信息息，可可设设计计为为手持式手持式或或固定式固定式。天线（天线（ANTENNAANTENNA）在在标签标签和和阅读器阅读器间间传递射频信号传递射频信号。系统组成系统组成智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.4 无线射频识别无线射频识别 标标签签进进入入磁磁场场后后，接接收收阅阅读读器器发发出出的的射射频频信信号号，凭凭借借感感应应电电流流所所获获得得的的能能量量发发送送出出存存储储在在标标签签芯芯片片中中的的产产品品信信息息（该该标标签签称称为为Passive Passive TagTag，即即无无源源标标签签或或被被动动标标签签），或或者者标标签签主主动动发发送送某某一一频频率率的的信信号号（该该标标签签称称为为Active Active TagTag，即即有有源源标标签签或或主主动动标标签签）。阅阅读读器器读读取取信信息息并并解解码码后后，送至送至后台服务器后台服务器进行有关进行有关数据处理数据处理。一一套套完完整整的的RFIDRFID系系统统，由由电电子子标标签签、阅阅读读器器、应应用用软软件件三三部部分分组组成成。阅阅读读器器发发射射某某一一特特定定频频率率的的无无线线电电波波能能量量给给标标签签，用用以以驱驱动动标标签签电电路路将将内内部部的的数数据据送送出出，此此时时阅阅读读器器便依序接收便依序接收解读解读数据，发送给数据，发送给应用程序应用程序做相应的处理。做相应的处理。基本工作原理基本工作原理 RFID RFID基本工作原理基本工作原理智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.4 无线射频识别无线射频识别 RFIDRFID技术技术在智能运输系统中的应用：在智能运输系统中的应用：不不停停车车收收费费：RFIDRFID在在路路费费征征稽稽、高高速速公公路路或或各各种种停停车车场场收费中的应用体现为收费中的应用体现为不停车收费不停车收费。交交通通意意外外救救援援和和特特殊殊车车辆辆监监控控：通通常常在在主主干干道道上上、各各高高速速公公路路出出入入口口及及交交叉叉路路口口设设立立RFIDRFID信信息息采采集集点点。当当车车辆辆通通过时，过时，阅读器阅读器得到通过车辆的得到通过车辆的IDID及及经过时间经过时间，并形成，并形成记录记录。交交通通流流检检测测及及交交通通违违章章取取证证：采采用用RFIDRFID的的交交通通流流检检测测系系统统，精精度度高高、受受环环境境影影响响小小、识识别别车车型型、安安装装维维护护较较方方便便。通通过过在在关关键键路路口口设设置置阅阅读读器器，可可实实现现对对于于车车辆辆闯闯红红灯灯或或禁禁令令的的违章取证违章取证。RFIDRFID应用应用智能运输系统概论智能运输系统概论5.2.4 无线射频识别无线射频识别 车联网应用车联网应用RFIDRFID识识别别技技术术可可以以读读取取装装载载在在车车辆辆上上的的电电子子标标签签，结结合合数数据据通通信信技技术术、自自动动控控制制技技术术、计计算算机机网网络络技技术术、信信息息发发布布技技术术等等现现代代化化科科技技手手段段，实实现现在在信信息息网网络络平平台台上上对对所所有有车车辆辆的的属属性性信信息息和和静静、动动态态信信息息进进行行提提取取和和有有效效利利用用，并并根根据据不不同同的的功功能能需需求求对对所所有有车车辆辆的的运运行行状状态态进进行行有有效效的的监监管管和提供和提供综合服务综合服务。RFIDRFID应用应用智能运输系统概论智能运输系统概论第第5 5章章 通信技术通信技术 概述概述5.1 交通数据信息源编码研究交通数据信息源编码研究5.3通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.2智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.1 问题的提出问题的提出 技术体系结构技术体系结构在在道道路路交交通通系系统统中中，道道路路路路况况信信息息越越多多、越越精精确确、越越及及时时，就就越越能能够够准准确确地地预预测测前前方方路路段段在在未未来来时时刻刻的的拥拥挤挤程程度度。因因此此，从从这这一一方方面面考考虑虑，我我们们希希望望把把更更多多路路段段的的交交通通信信息息从从通通信信基基站站传传送送给给车车辆辆。但但是是，从从另另一一方方面面考考虑虑，交交通通数数据据是是路路况况信信息息中中的的常常规规数数据据，需需要要连连续续不不断断地地由由基基站站向向外外广广播播，而而路路况况信信息息还还要要包包括括诸诸如如交交通通事事故故、紧紧急急通通知知、各各种种时时间间表表以以及及各各种种广广告告等等数数据据。但但无无线线信信道道的的容容量量是是有有限限的，所以希望用的，所以希望用更少位数更少位数尽量尽量精确地精确地传送交通数据。传送交通数据。为此，提出了为此，提出了交通流数据交通流数据的的信源编码信源编码问题。问题。智能运输系统概论智能运输系统概论进行进行数据通信数据通信需要考虑的问题：需要考虑的问题：采用何种采用何种通信方式通信方式；如何保证通信的如何保证通信的速度速度和和质量质量。通信系统的通信系统的主要指标主要指标是通信的是通信的有效性有效性和和可靠性可靠性。在在数数字字通通信信系系统统中中信信源源编编码码旨旨在在解解决决有有效效性性指指标标；而而信信道道编编码码，又又称称为为差差错错控控制制编编码码，是是用用来来提提高高通通信信的的可可靠靠性性指标。指标。数数据据通通信信系系统统的的框框架架如如图图。为为了了有有效效、安安全全地地传传输输数数据据，引引入入信信源源编编码码（指指数数据据编编码码）、信信道道编编码码（指指误误差差纠纠错编码）。错编码）。5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础数据通信系统框架数据通信系统框架智能运输系统概论智能运输系统概论信信源源编编码码，解解决决的的是是数数据据传传输输的的有有效效性性问问题题，即即通通过过对对信信源源的的处处理理，力力求求用用最最少少数数码码传传递递最最大大信信息息量量，使使信信号号更更适适宜宜传传输输。信信源源编编码码的的一一个个主主要要目目的的就就是是要要解解决决数数据据的的压压缩缩问问题题，即即以以最最少少的的数数码码表表示示信信源源所所发发的的信信号号，减减少少容容纳纳给给定定消消息息集集合合或或数数据据采采样样集集合合的的信信号号空空间间，其其中中信信号号空空间是指某信号集合所占的间是指某信号集合所占的空间域空间域、时域时域和和频域空间频域空间。近近代代信信源源编编码码的的理理论论与与方方法法，主主要要也也是是以以压压缩缩数数字字编编码码的的数数码码率率为为目目标标。因因此此在在今今天天，“数数据据压压缩缩”与与“信信源源编码编码”已是两个具有相同含义的术语了。已是两个具有相同含义的术语了。信源编码的理论依据信源编码的理论依据5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础对对于于一一个个信信源源而而言言，它它既既可可以以送送出出事事件件a1a1，也也可可以以送送出出别别的的事事件件aiai。因因此此从从统统计计平平均均观观点点来来看看，它它所所含含有有的的信信息息量量就就是是平平均均信信息息量量的的概概念念。借借用用热热力力学学的的名名词词，把把它它叫叫做做熵熵（EntropyEntropy）。因此，若）。因此，若信源的概率模型信源的概率模型写为：写为：其其中中，为为信信源源的的字字母母集集。则则该该信信源源熵熵可定义为：各事件可定义为：各事件不肯定性不肯定性的数学期望，即：的数学期望，即：熵的意义熵的意义智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础对对于于一一个个信信源源而而言言，它它既既可可以以送送出出事事件件a1a1，也也可可以以送送出出别别的的事事件件aiai。因因此此从从统统计计平平均均观观点点来来看看，它它所所含含有有的的信信息息量量就就是是平平均均信信息息量量的的概概念念。借借用用热热力力学学的的名名词词，把把它它叫叫做做熵熵（EntropyEntropy）。因此，若）。因此，若信源的概率模型信源的概率模型写为：写为：其其中中，为为信信源源的的字字母母集集。则则该该信信源源熵熵可定义为：各事件可定义为：各事件不肯定性不肯定性的数学期望，即：的数学期望，即：熵的意义熵的意义智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础其中，其中，可可以以证证明明 就就是是离离散散无无记记忆忆信信源源进进行行无无失失真真编编码码时的时的基本极限基本极限。根据根据编码定理编码定理，对于，对于二进制二进制系统，满足：系统，满足：的的编码方案编码方案一定存在。其中，一定存在。其中，为为平均码长平均码长。当当要要求求无无损损传传送送数数据据时时，对对于于一一个个固固定定信信源源在在二二进进制制系统中由系统中由变长编码定理变长编码定理，满足，满足 熵的意义熵的意义智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础的的编码方案编码方案一定存在。其中，一定存在。其中，为为概率已知的信源，概率已知的信源，为为信信源源的的熵熵，为为编编码码后后的的平平均均码码长长，为为信信源源中中第第 个符号的个符号的码长码长，为信源的为信源的总字符数总字符数。熵的意义熵的意义熵熵有下式成立，有下式成立，式中，式中，即为即为最大熵最大熵。熵的最大性熵的最大性智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础信信源源只只要要不不是是等等概概率率分分布布，就就存存在在着着数数据据压压缩缩的的可可能能性性，而而其其基基本本途途径径就就是是改改变变原原有有的的概概率率分分布布，使使之之逼逼近近或或达到达到等概率分布等概率分布。离离散散无无记记忆忆信信源源的的冗冗余余度度寓寓于于概概率率的的非非等等分分布布之之中中。因因此此数数据据压压缩缩的的基基本本途途径径之之一一，就就是是改改变变信信源源的的概概率率分分布布，以期尽可能达到以期尽可能达到等概率分布等概率分布之目的，即之目的，即统计编码统计编码。数据压缩基本途径数据压缩基本途径智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础 编码效率编码效率很很清清楚楚，只只要要 ，就就表表明明信信源源编编码码后后，仍仍有有冗冗度度存在。故还可得存在。故还可得相对冗余度相对冗余度为：为：可可见见，统统计计编编码码的的实实质质问问题题就就在在于于减减低低 ，以以使使 趋近于趋近于1 1，趋近趋近0 0。智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案城城市市车车辆辆饱饱和和度度数数据据是是指指城城市市中中同同一一时时刻刻所所有有路路段段的的车车辆辆饱饱和和度度。当当时时间间变变化化时时，形形成成了了一一个个时时间间序序列列，即即车车辆辆饱饱和和度度数数据据流流。这这一一时时间间序序列列可可以以认认为为是是一一个个随随机机过过程程。更更确确切切地地说说，是是一一个个马马尔尔可可夫夫随随机机过过程程，而而交交通通量量在在总总体体上是符合上是符合正态分布正态分布的。的。根根据据编编码码定定理理可可知知，平平均均码码长长 有有一一个个下下限限（见见5-45-4），任任何何编编码码得得到到的的 如如果果小小于于 必必然然存存在在失失真真。即即对对概概率率已已知知的的信信源源，任任何何编编码码的的平平均均码码长长下下限限是是已已知知的的，若若要要找找到到更更小小的的 ，就就必必须须对对信信源源进进行行变变换换，使使变变换换后后的的信信源源熵值比原始信源的熵值比原始信源的熵值更小熵值更小。智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案若若要要平平均均码码长长 接接近近信信源源的的熵熵 的的前前提提是是信信源源 的的概概率率分分布布 已已知知。而而使使 接接近近 的的算算法法之之一一就就是是霍霍夫曼夫曼算法，所得到的算法，所得到的编码编码就是就是最优变长编码最优变长编码。1 1）时变最优编码）时变最优编码霍夫曼编码霍夫曼编码设某设某信源概率空间信源概率空间为：为：首首先先，将将消消息息符符号号按按其其出出现现概概率率大大小小排排列列，X X 恰恰好好是是这这种种排排列列方方式式。然然后后分分别别把把1 1和和0 0分分配配给给最最后后两两个个符符号号，分分配配1 1，分配分配0 0，再合并，再合并最后两项最后两项，即，即智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案霍夫曼编码霍夫曼编码如如果果出出现现不不按按概概率率大大小小顺顺序序排排列列，那那么么必必须须重重新新排排序序，使使 。依依此此类类推推，合合并并、建建立立新新信信源源，最最后后可可得得各各消消息息符符号号的的码字码字。霍霍夫夫曼曼编编码码是是非非续续长长码码，消消息息符符号号出出现现概概率率最最小小时时，分分配配了了最最长长的的码码字字，概概率率最最大大时时分分配配了了最最短短的的码码字字，平平均均码码长最短。因此，长最短。因此，编码效率最高编码效率最高。时变最优编码时变最优编码智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案霍夫曼编码霍夫曼编码霍霍夫夫曼曼算算法法得得到到的的平平均均码码长长不不一一定定等等于于信信源源的的熵熵值值。例例如：上列中，按公式（如：上列中，按公式（5-45-4）平均码长平均码长就等于：就等于：根据公式（根据公式（5-25-2）信源的熵值信源的熵值 为为编码效率编码效率为：为：时变最优编码时变最优编码智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编码路段饱和度数据的最优编码对对一一天天中中所所有有时时刻刻所所有有路路段段的的车车辆辆饱饱和和度度百百分分比比值值进进行行统计，就可以得到统计，就可以得到饱和度饱和度百分比的百分比的概率分布概率分布：其其中中，对对这这样样一一个个信信源源X X，使使用用霍霍夫夫曼曼算算法法进进行行最最优优编编码码，可可以以得得到到饱饱和和度度 的的码码字字节节 ，其其中中 的的范范围围为为从从0 0到到100100。这这样样，基基站站就就可可以以把把由由百百分分比比值值构构成成的的饱饱和和度度数数据据流流变变成成编编码码后后的的二二进进制制比比特特数数据流据流，然后由，然后由电台电台发送出去。发送出去。时变最优编码时变最优编码智能运输系统概论智能运输系统概论5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编码路段饱和度数据的最优编码对对一一天天中中所所有有时时刻刻所所有有路路段段的的车车辆辆饱饱和和度度百百分分比比值值进进行行统计，就可以得到统计，就可以得到饱和度饱和度百分比的百分比的概率分布概率分布：时变最优编码时变最优编码