智能運輸系統(tǒng)概論第5章

智能運輸系統(tǒng)概論第5章第一頁，共40頁。目錄第1章緒論第2章智能運輸系統(tǒng)的體系框架第3章智能運輸系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)第4章交通信息采集與處理技術(shù)第5章通信技術(shù)第6章車輛定位技術(shù)第7章網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第8章數(shù)據(jù)庫技術(shù)第9章新技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用第10章交通信息服務(wù)系統(tǒng)第二頁，共40頁。第5章通信技術(shù)概述5.1通信技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用5.2交通數(shù)據(jù)信源編碼研究5.3第三頁，共40頁。5.1概述智能運輸系統(tǒng)是利用先進的信息通信技術(shù)建立道路、車輛、行人為一體的綜合交通運輸系統(tǒng)。在將道路、車輛、行人整合的過程中，通信系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用，通信技術(shù)成為構(gòu)建智能運輸系統(tǒng)的基本要素。

現(xiàn)代通信技術(shù)包括數(shù)字通信技術(shù)、程控交換技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)、ISDN與ATM技術(shù)、寬帶IP技術(shù)以及接入網(wǎng)與接入技術(shù)等。數(shù)字通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)中的最主要的通信技術(shù)基礎(chǔ)。用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息，或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健５谒捻?，?0頁。5.1概述數(shù)字通信以其抗干擾能力強，便于存儲，處理和交換等特點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信網(wǎng)的各種通信系統(tǒng)。信息傳輸技術(shù)主要包括光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、移動通信等。光纖是以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的一種通信方式，主要特點是頻帶寬，比常用微波頻率高104-105倍；損耗低，中繼距離長；具有抗電磁干擾能力；線經(jīng)細，重量輕；還有耐腐蝕，不怕高溫等優(yōu)點。數(shù)字微波中繼通信是指利用波長為1m-1mm范圍內(nèi)的電磁波通過中繼站傳輸信號的一種通信方式。第五頁，共40頁。5.1概述數(shù)字微波中繼通信主要特點為信號可以“再生”，具有便于數(shù)字程控交換機的連接、便于采用大規(guī)模集成電路、保密性好以及占用頻帶較寬等的優(yōu)點。衛(wèi)星通信簡單說就是地球上的無線電通信站之間利用人造地球衛(wèi)星作中繼站而進行的通信。其具有通信距離遠、工作頻帶寬、通信容量大、適用于多種業(yè)務(wù)的傳輸、通信線路穩(wěn)定可靠以及通信質(zhì)量高等優(yōu)點。早期的通信形式屬于固定點之間的通信，隨著人類社會的發(fā)展，信息傳遞日益頻繁，移動通信正是因為具有信息交流靈活，經(jīng)濟效益明顯等優(yōu)勢，得到了迅速的發(fā)展，第六頁，共40頁。概述5.1交通數(shù)據(jù)信源編碼研究5.3通信技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用5.2第5章通信技術(shù)第七頁，共40頁。5.2.1調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播是以調(diào)頻方式進行音頻信號傳輸?shù)?調(diào)頻波的載波隨著音頻調(diào)制信號的變化而在載波中心頻率（未調(diào)制以前的中心頻率）兩邊變化，每秒鐘的頻偏變化次數(shù)和音頻信號的調(diào)制頻率一致。頻偏的大小是隨音頻信號的振幅大小而定。調(diào)頻廣播是高頻振蕩頻率隨音頻信號幅度而變化的廣播技術(shù)。具有抗干擾力強、失真小、設(shè)備利用率高等優(yōu)點，但所占頻帶寬，因此常工作于甚高頻段。第八頁，共40頁。由交通部門與廣播電臺聯(lián)合打造的調(diào)頻廣播臺不是傳統(tǒng)意義的廣播，而是跨行業(yè)，利用“多路段、差異化、定制化插播”技術(shù)，實現(xiàn)基于智能位置信息的差異化信息服務(wù)，是對普通調(diào)頻同步廣播系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用。具有緊急廣播和數(shù)據(jù)推送功能，可全面提升現(xiàn)有道路網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)水平和效率，提高應(yīng)對公路突發(fā)事件和應(yīng)急處置能力。5.2.1調(diào)頻廣播第九頁，共40頁。5.2.23G移動通信3G（3rdGeneration）指第三代移動通信技術(shù)。與前兩代相比,主要特征是可提供豐富多彩的移動多媒體業(yè)務(wù)，其傳輸速率在高速移動環(huán)境中支持144kb/s，步行慢速移動環(huán)境中支持384kb/s，靜止狀態(tài)下支持2Mb/s。目前國際電聯(lián)接受的3G標準主要有WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA。

3G技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用3G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多節(jié)點的交互，例如：與不同城市智能運輸系統(tǒng)之間的交互、車與車之間的交互、不同種類的信息平臺之間交互等。使得車輛在出行前可以選擇更為合理的出行路線，在出行中合理規(guī)避交通堵塞，遇到堵塞可以主動上傳相關(guān)路況信息。還可為提供車輛監(jiān)測。第十頁，共40頁。5.2.23G移動通信

3G技術(shù)在快速交通事故處理中的應(yīng)用一般性車輛事故特別是未造成人身傷害的事故，可以通過3G網(wǎng)絡(luò)提供的視頻技術(shù)來解決。3G視頻技術(shù)可以利用高帶寬的無線接入在任一地點上傳和接受圖像。交警部門可以通過3G遠程視頻的方式來完成事故現(xiàn)場的勘察。可以快速處理交通事故，及時解決事發(fā)路段的交通擁堵狀況，并節(jié)約交管部門成本。

3G技術(shù)在交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用傳統(tǒng)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)只能提供單一的道路地圖導(dǎo)航，無法做到實時更新前方路況信息，也就無法向出行者提供智能便捷的出行服務(wù)。第十一頁，共40頁。5.2.23G移動通信

3G技術(shù)在交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和普及，車載導(dǎo)航系統(tǒng)將與3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行完美結(jié)合，使其成為交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)中的接收/發(fā)送設(shè)備。目前，在3G網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的移動定位技術(shù)有三種：基于網(wǎng)絡(luò)的CELL-ID技術(shù)、OTDOA技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與終端混合的A-GPS技術(shù)。移動定位可以實現(xiàn)援助服務(wù)、基于位置的信息服務(wù)、廣告服務(wù)以及追蹤服務(wù)等多種業(yè)務(wù)。3G通信技術(shù)很好地解決了智能運輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中存在的問題，給智能運輸信息傳輸帶來無限機遇，今后會有更廣闊的應(yīng)用空間。第十二頁，共40頁。專用短程移動通信（DedicatedShortRangeCommunications，簡稱DSRC）是一種無線通信系統(tǒng)，是將數(shù)字信號調(diào)制在高頻副載波上，再以此搭載有信號的副載波調(diào)制到頻率、幅值固定的厘米波上，由天饋線在路面通信站和運動車輛之間來回傳播。車輛至地面站的信號傳送稱為“上行”，地面站至車輛的信號傳送稱為“下行”。全部信號的編制、發(fā)射、接收、處理、存儲和轉(zhuǎn)送均由雙方的微處理器按專用軟件控制，并操作硬件執(zhí)行。專用短程移動通信5.2.3專用短程移動通信第十三頁，共40頁。DSRC是ITS的基礎(chǔ)，通過信息的雙向傳輸將車輛和道路有機地連接起來，主要是用來控制車輛運動和征收通行費?？刂栖囕v運動包括對運行車輛位置和方向的測定以及對車輛縱向和橫向運動速度的控制等。電子收費需要在車輛運動過程中查明車輛型別、進出高速公路的站號，并將計算出的應(yīng)繳通行費額通知給用戶。完成這些工作都需要路側(cè)固定通信站與運動車輛多次交流數(shù)據(jù)，只有高可靠性的移動通信才能滿足這些要求。專用短程移動通信5.2.3專用短程移動通信第十四頁，共40頁。短距離信標可以提供短程通信，并可在有限的頻譜上以高速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。幾種常見的短距離信標特性如表所示。根據(jù)設(shè)計，信標可用于單向周期性廣播、雙向廣播和接收，或者雙向點對點通信。信標可以用于車輛定位和導(dǎo)航、電子收費、車輛自動識別、商業(yè)車輛運營、交通管理和車-車的相互通信。專用短程移動通信5.2.3專用短程移動通信生產(chǎn)廠系統(tǒng)距離數(shù)據(jù)率發(fā)送塊大小Hughes主動RF61m(200in.)550KB/s512bitAmtech被動RF23-30m（750－100in.）300或600KB/s128bitSiemens紅外60-80m（197－262in.）125KB/s256byte（下行鏈路)128byte（上行鏈路）第十五頁，共40頁。車-路旁的信標類型有三種：（1）定位信標（2）信息信標（3）單獨通信信標定位信標發(fā)送信號以確定其位置、地圖坐標、路段取向以及信標數(shù)目。信息信標既發(fā)送定位信號又通過電纜中繼當前路況和交通信息。單獨通信信標用來和車輛進行雙向通信的。這些信標均可用來收集交通數(shù)據(jù)和引導(dǎo)車輛。信標通信5.2.3專用短程移動通信第十六頁，共40頁。5.2.3專用短程移動通信當一輛配置完備的車輛經(jīng)過通信信標時，就可以通過信標向中心主機發(fā)送測得的行程時間和經(jīng)歷信號燈的等待時間。同時，它可從信標接收到返回的相關(guān)定位和引導(dǎo)信息，如圖所示。信標通信信標通信第十七頁，共40頁。5.2.3專用短程移動通信DSRC協(xié)議是DSRC的基礎(chǔ)，美國、歐洲、日本均建立了自己的DSRC標準，目前國際標準化組織尚未制定出完整的DSRC國際標準。但資料表明，基于5.8gHz的DSRC國際統(tǒng)一標準將成為必然。DSRC標準可以分為三個層次：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層（PhysicalLayer）規(guī)定了機械、電器、功能和過程的參數(shù)，以激活、保持和釋放通信系統(tǒng)之間的物理連接。其中載波頻率是一個很關(guān)鍵的參數(shù)，它是造成世界上DSRC系統(tǒng)差別的主要原因。DSRC協(xié)議第十八頁，共40頁。5.2.3專用短程移動通信數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）制定了媒介訪問和邏輯鏈路控制方法，定義了進入共享物理媒介、尋址和出錯控制的操作。應(yīng)用層（ApplicationLayer）提供了一些DSRC應(yīng)用的基礎(chǔ)性工具。應(yīng)用層中的過程可以直接使用這些工具，例如：通信初始化過程、數(shù)據(jù)傳輸和擦去操作等等。另外，應(yīng)用層還提供了支持同時多請求的功能。DSRC協(xié)議第十九頁，共40頁。5.2.4無線射頻識別

無線射頻識別（RadioFrequencyIdentification，簡稱RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID系統(tǒng)是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)可用于控制、檢測和跟蹤物體。無線射頻識別第二十頁，共40頁。5.2.4無線射頻識別

RFID系統(tǒng)主要由3個部分組成：標簽（Tag）由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器（Reader）讀?。ㄓ袝r還可以寫入）標簽信息的設(shè)備，當裝有標簽的物體通過閱讀器時，及時讀出標簽的ID信息，可設(shè)計為手持式或固定式。天線（ANTENNA）在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。系統(tǒng)組成第二十一頁，共40頁。5.2.4無線射頻識別

標簽進入磁場后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在標簽芯片中的產(chǎn)品信息（該標簽稱為PassiveTag，即無源標簽或被動標簽），或者標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（該標簽稱為ActiveTag，即有源標簽或主動標簽）。閱讀器讀取信息并解碼后，送至后臺服務(wù)器進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。一套完整的RFID系統(tǒng)，由電子標簽、閱讀器、應(yīng)用軟件三部分組成。閱讀器發(fā)射某一特定頻率的無線電波能量給標簽，用以驅(qū)動標簽電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，發(fā)送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。基本工作原理RFID基本工作原理第二十二頁，共40頁。5.2.4無線射頻識別

RFID技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用：不停車收費：RFID在路費征稽、高速公路或各種停車場收費中的應(yīng)用體現(xiàn)為不停車收費。交通意外救援和特殊車輛監(jiān)控：通常在主干道上、各高速公路出入口及交叉路口設(shè)立RFID信息采集點。當車輛通過時，閱讀器得到通過車輛的ID及經(jīng)過時間，并形成記錄。交通流檢測及交通違章取證：采用RFID的交通流檢測系統(tǒng)，精度高、受環(huán)境影響小、識別車型、安裝維護較方便。通過在關(guān)鍵路口設(shè)置閱讀器，可實現(xiàn)對于車輛闖紅燈或禁令的違章取證。RFID應(yīng)用第二十三頁，共40頁。5.2.4無線射頻識別

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用RFID識別技術(shù)可以讀取裝載在車輛上的電子標簽，結(jié)合數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)等現(xiàn)代化科技手段，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)。RFID應(yīng)用第二十四頁，共40頁。第5章通信技術(shù)概述5.1交通數(shù)據(jù)信息源編碼研究5.3通信技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用5.2第二十五頁，共40頁。5.3.1問題的提出技術(shù)體系結(jié)構(gòu)在道路交通系統(tǒng)中，道路路況信息越多、越精確、越及時，就越能夠準確地預(yù)測前方路段在未來時刻的擁擠程度。因此，從這一方面考慮，我們希望把更多路段的交通信息從通信基站傳送給車輛。但是，從另一方面考慮，交通數(shù)據(jù)是路況信息中的常規(guī)數(shù)據(jù)，需要連續(xù)不斷地由基站向外廣播，而路況信息還要包括諸如交通事故、緊急通知、各種時間表以及各種廣告等數(shù)據(jù)。但無線信道的容量是有限的，所以希望用更少位數(shù)盡量精確地傳送交通數(shù)據(jù)。為此，提出了交通流數(shù)據(jù)的信源編碼問題。第二十六頁，共40頁。進行數(shù)據(jù)通信需要考慮的問題：采用何種通信方式；如何保證通信的速度和質(zhì)量。通信系統(tǒng)的主要指標是通信的有效性和可靠性。在數(shù)字通信系統(tǒng)中信源編碼旨在解決有效性指標；而信道編碼，又稱為差錯控制編碼，是用來提高通信的可靠性指標。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的框架如圖。為了有效、安全地傳輸數(shù)據(jù)，引入信源編碼（指數(shù)據(jù)編碼）、信道編碼（指誤差糾錯編碼）。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)框架第二十七頁，共40頁。信源編碼，解決的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行詥栴}，即通過對信源的處理，力求用最少數(shù)碼傳遞最大信息量，使信號更適宜傳輸。信源編碼的一個主要目的就是要解決數(shù)據(jù)的壓縮問題，即以最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號，減少容納給定消息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號空間，其中信號空間是指某信號集合所占的空間域、時域和頻域空間。近代信源編碼的理論與方法，主要也是以壓縮數(shù)字編碼的數(shù)碼率為目標。因此在今天，“數(shù)據(jù)壓縮”與“信源編碼”已是兩個具有相同含義的術(shù)語了。信源編碼的理論依據(jù)5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)第二十八頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)對于一個信源而言，它既可以送出事件a1，也可以送出別的事件ai。因此從統(tǒng)計平均觀點來看，它所含有的信息量就是平均信息量的概念。借用熱力學的名詞，把它叫做熵（Entropy）。因此，若信源的概率模型寫為：其中，為信源的字母集。則該信源熵可定義為：各事件不肯定性的數(shù)學期望，即：熵的意義第二十九頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)對于一個信源而言，它既可以送出事件a1，也可以送出別的事件ai。因此從統(tǒng)計平均觀點來看，它所含有的信息量就是平均信息量的概念。借用熱力學的名詞，把它叫做熵（Entropy）。因此，若信源的概率模型寫為：其中，為信源的字母集。則該信源熵可定義為：各事件不肯定性的數(shù)學期望，即：熵的意義第三十頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)其中，可以證明就是離散無記憶信源進行無失真編碼時的基本極限。根據(jù)編碼定理，對于二進制系統(tǒng)，滿足：的編碼方案一定存在。其中，為平均碼長。當要求無損傳送數(shù)據(jù)時，對于一個固定信源在二進制系統(tǒng)中由變長編碼定理，滿足熵的意義第三十一頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)的編碼方案一定存在。其中，為概率已知的信源，為信源的熵，為編碼后的平均碼長，為信源中第個符號的碼長，為信源的總字符數(shù)。熵的意義熵有下式成立，式中，即為最大熵。熵的最大性第三十二頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)信源只要不是等概率分布，就存在著數(shù)據(jù)壓縮的可能性，而其基本途徑就是改變原有的概率分布，使之逼近或達到等概率分布。離散無記憶信源的冗余度寓于概率的非等分布之中。因此數(shù)據(jù)壓縮的基本途徑之一，就是改變信源的概率分布，以期盡可能達到等概率分布之目的，即統(tǒng)計編碼。數(shù)據(jù)壓縮基本途徑第三十三頁，共40頁。5.3.2信源編碼的理論基礎(chǔ)編碼效率很清楚，只要，就表明信源編碼后，仍有冗度存在。故還可得相對冗余度為：可見，統(tǒng)計編碼的實質(zhì)問題就在于減低，以使趨近于1，趨近0。第三十四頁，共40頁。5.3.3車輛飽和度數(shù)據(jù)流的編碼方案城市車輛飽和度數(shù)據(jù)是指城市中同一時刻所有路段的車輛飽和度。當時間變化時，形成了一個時間序列，即車輛飽和度數(shù)據(jù)流。這一時間序列可以認為是一個隨機過程。更確切地說，是一個馬爾可夫隨機過程，而交通量在總體上是符合正態(tài)分布的。根據(jù)編碼定理可知，平均碼長有一個下限（見5-4），任何編碼得到的如果小于必然存在失真。即對概率已知的信源，任何編碼的平均碼長下限是已知的，若要找到更小的，就必須對信源進行變換，使變換后的信源熵值比原始信源的熵值更小