2022年智能交通系统中的无线通信技术及其应用 .pdf

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1、1 智能交通系统中的无线通信技术及其应用* 张树京摘要：本文分析在智能交通系统中使用的无线通信技术，它们是无线数据通信（RDS） 、数字移动通信（ GSM） 、第三代移动通信（UMTS ）和车辆无线通信（IVC） ，它们各有传输特点和应用领域，在ITS 中实现调度指挥控制功能，并为出行提供服务信息， 提高了出行效率和安全性。 本文还结合国外实际使用情况，说明其应用系统的功能特点。关键词：智能交通系统（ITS） ，无线数据通信，数字移动通信，车辆无线通信。Wireless Communications and its Application in Intelligent Transportati

2、on System Zhang shujing Abstract: This paper analysis the wireless communications and its application in Intelligent Transportation System, they are wireless data communication (RDS) 、digital mobile communication (GSM) 、 thirdgeneration mobile system(UMTS) and vehicle communication system (IVS). The

3、ir performance and functions are discussed in this paper. The application systems in ITS abroad introduced also. Key Words: Intelligent Transportation System, Wireless Data Communication, Digital Mobile Communication, Vehicle Communication System. *本文得到上海市教委重点学科课题支持。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -

4、- - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2 无线通信技术是将移动通信中的车辆与调度指挥控制中心紧密地连接起来，保证不间断地通信联络。 目前，在陆上移动通信频率资源中已有一对窄带频段分配给公路部门作智能交通用， 它们主要用于无线数据传输， 如电子收费系统的数据传输，紧急呼叫时提供窄带数字电话，以及传输交通求援信号等。 另外，数字移动通信在公众通信网中的应用已很普及，它同样可以在智能交通系统中提供通话和数据服务，可用于车辆调度管理、旅行信息服务、转运（乘）服务、停车场管理、集装箱管理等。

5、数字移动通信还可以提供无线寻呼、短消息服务 （SMS） 、分组数据业务等， 它们可为 ITS 用来传输报文、 传真，以及图片等多种媒体， 因此第三代移动通信可以在ITS 中实现多媒体调度指挥功能， 进一步加强车辆与调度控制中心的协调配合， 最大程度地保证安全和提高出行效率，并且实现全球交通联网漫游。本文将对上述三种无线通信技术的特点及其在智能交通系统中的应用作出分析， 并介绍国外 ITS 通信产品的应用情况。 本文最后还对车辆无线通信的特殊性进行探讨，在ITS 中它也有广泛应用。一、无线数据通信（ RDT ）无线数据通信是依靠窄带频率将移动车辆与指挥控制调度中心连接在一起并传输各种交通信息（如

6、交通流量、动态信号显示信息、事故求援信息等），因此它在智能交通系统中是必不可少的。1992 年美国交通部门曾将220222MHz频段内的5 对窄带频率分配给ITS 使用，同时开发了窄带无线调制解调器（Modem）实现了大于 14.4kb/s 速率传输的移动通信数据，和大于25kb/s 速率的定点数据通信，较好地满足了ITS 中无线数据通信的要求。事实上，在 ITS 中无线数据传输速率的需求范围很宽，传输交通流量控制信息仅需数百比特（每秒）就足够了，但传输压缩视频信息则需要几百个千比特（每秒）才够用。另外，用作传输ITS 信息的性能与传输环境有很大关系，例如在城市存在着很强的多径干扰， 频率使用

7、将受到限制， 而在郊区则传输条件要好的多。采用数字调制解调器可以提高窄带(通常只有 4 MHz 工作频带 )的频率利用 ,它一般可以做到每赫传输3 比特（每秒），信息量完全满足ITS 的传输要求。另外，依靠编程技术还可以实现多用途的无线数据调制解调器，它既可用作移动通信，又可用于定点和多址通信，这样的灵活性具有十分重要的开发价值。美国将 220222MHz 频段的频率资源分配如下：1、220.5525MHz(基站 )221.5325(车辆)用作传输交通流量与控制信息；2、220.5625MHz(基站 )221.5725(车辆)用作传输交通安全与警示信息；3、220.5825MHz(基站 )22

8、1.5925(车辆)用作双向通信。下面以位于印地安纳州西北部80/94号高速公路应用 220 222MHz 窄带频段传输 ITS 信息为例来加以说明。该公路是美国东西部相连的州际公路的一部分，目前第一期工程是在芝加哥与印地安纳波利斯两大城市之间的Borman段公路上做 ITS 试验， 全长为 16哩。 据统计，在这段公路上的日平均车辆为140,000，其中货车所占的比例较大，晚间要达到 70，白天也有 30。由于日均交通流量已经接近该段公路的交通容量，特别是大型车辆的比例过大， 因此经常出现交通阻塞和事故， 计划在今后 510 年内将进行结构性改造。 但为了解决目前的交通问题，印地安纳州交通部

9、门（INDOT ） 决定采用 ITS 方案中的交通管理（ATMS）项目，以缓解交通流量与运输能力之间的矛盾。首先是建立事故救援车辆（IRV ，如图 1 所示它是中型卡车，装备有50 尺名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 3 长的可伸缩杆，顶端装有视野摄像头（可控制），用来摄取现场景物，车内备有专用软件的计算机， 用来记录事故特征和其他交通信息。另外，车内有全球定位系统（ GPS）接收机，用来计算和确定事故现场的方位和

10、离开急救中心的距离，并用来引导救援车辆的抵达。为了使IRV 有效地运行，必须提供各种通信设备，它包括移动电话和无线数据通信（即 220 MHz 无线通道），传输和控制各种交通信息，并不间断地与交通管理部门保持联系。为了监控交通流量，在 Borman的 ATMS系统中沿线敷设许多路边传感器 （见图 2） ，用来检测行驶中的车辆。这里采用了五种传感技术，它们分别是有源微波雷达传感器用来检测车数和车速；无源红外传感器检测现存信息；有源超声传感器检测车数；有源激光雷达传感器检测车数、车速和车型；还有传统的导线环路用来检测车数和车速。 这些传感器传输的信息速率都很低，例如用微波雷达传感器检测每辆车只要3

11、2 比特长度，平均用1/2 秒时间，因此数据速率只有64比特 （每秒） 。 尽管有的传感器需要较高的数据率 （例如激光雷达）， 但具有 25 kb/s的无线数据通信信道就足够用了。如果要传输压缩视频工程图象，那么对于具有4kHz 带宽的无线数据通道也是勉强可以的。交通监控的目的是为了有效地调度管理，因此指挥控制中心要及时根据路况和交通流量，来控制交通信号，并用动态信息显示牌或车内导航设备（见图3）尽快地告示车辆驾驶员。 它也是用无线数据通道来传输控制信号的信息，调度中心装备有车辆导航专用的计算机和GPS 接收机，将来自路边传感器采集的交通信息汇总到计算机，并经过计算和储存在CDROM 上的专家

12、系统软件进行评估，最后在屏幕上显示出所要行驶的最佳路径（见图4） 。实际上，这类信息的传输速率也很低（一般低于1200 b/s）依靠无线数据调制解调器完全可以满足220MHz 无线数据通道内传输。但是这类无线数据通信是单向的，并且通过广播方式发送， 因此存在着以下三方面缺点：数据容量有限；对个别驾驶员来说，接收到许多无用的信息；驾驶员无法与调度中心进行反向通信。因此，在 ITS 中除了采用单向通信外， 还需要提供双向通信的无线设备，这就是数字移动通信。在欧洲则广泛采用泛欧联盟制定的GSM 标准，作为欧洲高速公路上统一用于ITS 的数字移动通信制式。二、数字移动通信（ GSM ）GSM 是泛欧蜂

13、窝移动通信的标准制式，它提供移动车辆和基站之间的双向通信，并通过 GSM 网络将各种行驶中的车辆与指挥控制调度中心连结在一起，如图 5 所示。它可以提供话音和数据两类双向通信业务，因此可以克服原来无线数据通道（ RDS）的缺点，非常适合于ITS 应用。GSM 所提供的数据业务， 其最大传输速率可达到9.6 kb/s，它是通过拨号方式入网，实现端对端的电路连接，在ITS 中除了传输交通流量信息（速率在200 b/s以下）外，还可以传输数据较高的报文或图片。在 GSM 中提供的新业务还有单向或双向寻呼和短消息服务（SMS） ，它可以采用端对端连接，或者广播方式连接，前者的传输速率不过160 b/s

14、，后者则更少，只有93 b/s，在车内设备中有转换开关可加以选择。除了电路连接外，GSM 所提供的数据业务也可以实现分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 4 组连接，它称为GPRS 业务，其传输速率可高达9.6kb/s，并可采用端对端、组播或广播多种传输方式。 从调度中心发出的交通信息可以通过组播或广播方式传输给行驶中的车辆， 以便提供路径引导信息， 因为这类信息在一分钟内要重复播放多次，因此对驾驶员来说， 偶尔收不

15、到一、 二次不会造成很大困难。 从车辆驾驶员到调度中心则要采用单播方式（即端对端），它提供正在行驶中的车辆信息，每次播放的内容都很重要， 不允许丢失， 但由于它的传输速率很低， 不会给网络传输带来困难。由此可见，GSM 所提供的数据业务要比原来RDS 的无线数据通道改进了许多，不仅业务种类增加，而且连网快、功能强、成本下降，成为新开发的ITS 通信产品，在德国、瑞典等跨国通信企业已经抢先推出。例如瑞典爱立信公司生产的 Mobiex 系统，它的技术指标是最大传输速率8 kb/s，通道宽度 12.5 kHz，数据分组长度最大为512 字节，采用 ARQ 纠错协议。另外，它具有连接计算机的标准接口，

16、使用频率可以根据不同国家和地区的频率资源分配来定制。由于无线终端的体积很小， 可以与手提计算机相连， 增加了使用上的灵活性， 扩大了市场，降低了成本，实现全欧漫游，因此目前已在欧洲大多数国家推广应用。三、第三代无线移动通信（UMTS ）第三代无线移动通信俗称个人通信， 因为它提供面向个人服务的宽带传输平台，并且兼容各种不同的通信网络（如电缆、光纤、微波、卫星等）和多种不同功能的通信终端（如电话机、传真机、计算机等），因此它可以在任何时间和任何地点实现用户对用户之间的双向通信，它还可提供传输多媒体业务（如报文、数据、话音和图象等综合业务） 的能力。由于它的设计目标具备移动性、全球性、智能化、个人

17、化和宽带高速等特点， 完全满足人们对通信业务的需求，具有潜在的用户市场， 成为面向新世纪的通信产业发展方向。到目前为止， 各国已经提出10 多种实现第三代无线移动通信的技术方案和试用产品，但只有在成本价格大幅度降低后才会投入市场。国际电联（ITU ）曾经定义第三代无线移动通信为FPLMS（未来公众陆地移动通信系统），但最近更名为IMT2000（2000 年国际移动通信），欧洲联盟则取名为 UMTS（全球移动通信系统），它将为满足欧盟国家的通信需求，并为实现泛欧交通网络的智能化起到促进作用。图6 表示 UMTS 全球移动通信网络的结构，其中通过微微蜂窝小区（Pico cell）实现局域网通信（如

18、校园、办公楼群、社区、医院等通信环境） ，微蜂窝小区（ Micro cell）则实现城域网通信（城区，包括市郊），而宏蜂窝（ Macro cell）实现广域网通信（城市之间漫游） ，最后是通过卫星网络实现全球无线通信联网。由于全球无线移动通信兼容各种通信环境和不同的通信终端，提供多媒体（数据、音频、视频等）通信服务，因此非常适用于智能交通系统对通信和导航的要求，并有利于将ITS 在全球范围内推广应用。UMTS 采用的是 ATM（异步转换模式） 技术，提供高达 2155Mb/s 的传输速率和多媒体业务平台，实现全球漫游（依靠卫星与地面网络的兼容性），并提供智能性增值业务（依靠各种虚拟网） 。UM

19、TS 应用于智能交通系统中可以增强通信导航能力利用UMTS 网络可以建立ITS 专用的无线信道来开展旨在加强交通流量管理、提高交通安全、 降低交通事故等增值业务， 其中包括动态路径引导、车队管理、旅行信息服务等功能，并且覆盖全球的陆路、水运和航空运输部门。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 5 在欧洲提供全球无线移动通信的使用频段是18852025MHz （上行） 和 21102200 MHz（下行） ，它们都已进入

20、千兆赫（GHz）频率范围，因此，其中有线与无线网络接口是个很大的技术问题。另外，设备成本价格和性能安全可靠也是当前迫切需要解决的问题， 只有这些问题解决后才有可能替代第二代无线移动通信（GSM） 。四、车辆无线通信（ IVC）车辆无线通信是指对行驶中车辆的移动通信，它可能传输以下4 类实时信息，即旅行信息， 例如交通情况， 拥塞信息、交通规则等， 调度中心则用广播方式送到每辆行驶车辆那里，这在旅行信息系统（ATIS）内已广泛应用。车辆监控与管理信息， 它从车队或运输部门那里以命令方式传送到所属的车辆和驾驶员，起到有效调度和管理作用。驾驶员信息， 它属于驾驶员之间的个人信息，例如各种礼貌用语、

21、提示信息等，在公安巡逻或特种车队（消防、油罐、危险品、运钞车）中应用。车辆安全信息， 例如车况、 车位、车速、加速等信息对保证车辆安全行驶非常重要，主要用于车辆控制系统（AVCS）内。随着车辆（或驾驶员） 间交换数据的需求日益增多， IVC 的通信能力也要增强，例如：对于驾驶员间的个人信息， 通常可用移动电话呼叫和通信，它的传输范围应该覆盖所有调度控制中心所属的道路和车辆。对于交通事故信息， 例如追尾、碰撞等信息则要求车辆在最短时间内自动发送，虽然它的可能发生率很低， 但对行驶安全来说非常重要，它是采用广播方式传送，覆盖范围至少100200 米。对于协同驾驶信息，它是IVC 的主要功能，它采用

22、数据传输，例如在超车或避让时车辆间要保持双向数据传送，它的传输距离要求在100 米左右，并且在短时间内重复传输，重复间隔为0.170.14 秒，通信周期为50ms。又如在车队行驶时要保持车间距离，因此需要提供调整空挡信息的单向数据,其通信周期很短，一般为10ms 。由此可见， IVC 主要用于行驶中的车队管理和指挥，并保持队形和足够的间距，以防止意外事故发生。对于车辆无线通信来说，在技术上必须考虑以下几个问题：选择通信信道。由于IVC 的通信功能要求短距离和强方向性，因此采用毫米波或激光比较合适。传输速率可达1.544Mb/s。如图 7 所示，车头摄像机接收机与车尾发射机之间保持规定的空挡，并

23、可以辅助控制调整。通信方式。单向或双向数据传输，它们可加以转换，每帧周期为20ms，帧内共分 29 个时隙，同步信号在移动通信过程中形成，并由领头的车辆主发，其它车辆定时接收。通信协议。 由于呼叫频率比较低， 故可以采用 ALOHA 移动通信协议， 但因在车辆控制系统（ AVCS）中要进行数据交换，因此应在通信协议中增加选择（polling） 、识别（ identifying）等功能，以便及时取得联系，并防止干扰。前一辆车在任一时隙内发出选择信号，并通过识别装置， 后续车辆接收后反馈给前者特定的响应信息。经试验，日本的IVC 通信数据误码率小于10-6，方向角为 10o，能够满足名师资料总结

24、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 6 防止追尾、 碰撞等需求， 但下一步要采取新的防干扰措施，以加强通信系统的可靠性。另外，尚需进一步开发专用IVC 移动通信协议，并能与其它通信系统相兼容。五、结束语通过上述对四种无线通信技术及其在智能交通系统中的应用可以认为，实现ITS 离不开无线通信（包括无线数据通信和移动电话），它与无线定位一样是实现 ITS 的关键技术， 并随着通信技术的发展， 它在 ITS 中的作用与地位将日益明显。参

25、考文献：1、M.P.Fitz and J.V.Krogmeier, The 220MHz ITS Spectral Allocation, IEEE Com., Vol.34, No.10,1996, pp.42 54 2 、W. Schulz, Traffic Management Improvement by Integrating Modern Communication Systems, IEEE Com. V ol. 34, No.10, 1996, pp.5660 3、J.S. Dasilva and B.Arrogo, European ThirdGeneration Mobile Systems ,IEEE Com., V ol.34,No.10,1996, pp.6883 4、M.Aoki and H.Fujii, InterVehicle Communication: Technical Issue on Vehicle Control Application ,IEEE Com.,Vol.34,No.10,1996, pp.9093 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -