智能交通系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)及其應(yīng)用

PAGE2PAGE5智能交通系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)及其應(yīng)用*摘要：本文分析在智能交通系統(tǒng)中使用的無線通信技術(shù)，它們是無線數(shù)據(jù)通信（RDS）、數(shù)字移動(dòng)通信（GSM）、第三代移動(dòng)通信（UMTS）和車輛無線通信（IVC），它們各有傳輸特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，在ITS中實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮控制功能，并為出行提供服務(wù)信息，提高了出行效率和安全性。本文還結(jié)合國外實(shí)際使用情況，說明其應(yīng)用系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)（ITS），無線數(shù)據(jù)通信，數(shù)字移動(dòng)通信，車輛無線通信。WirelessCommunicationsandit`sApplicationinIntelligentTransportationSystemZhangshujingAbstract:Thispaperanalysisthewirelesscommunicationsandit`sapplicationinIntelligentTransportationSystem,theyarewirelessdatacommunication(RDS)、digitalmobilecommunication(GSM)、third—generationmobilesystem(UMTS)andvehiclecommunicationsystem(IVS).Theirperformanceandfunctionsarediscussedinthispaper.TheapplicationsystemsinITSabroadintroducedalso.KeyWords:IntelligentTransportationSystem,WirelessDataCommunication,DigitalMobileCommunication,VehicleCommunicationSystem.*本文得到上海市教委重點(diǎn)學(xué)科課題支持。無線通信技術(shù)是將移動(dòng)通信中的車輛與調(diào)度指揮控制中心緊密地連接起來，保證不間斷地通信聯(lián)絡(luò)。目前，在陸上移動(dòng)通信頻率資源中已有一對(duì)窄帶頻段分配給公路部門作智能交通用，它們主要用于無線數(shù)據(jù)傳輸，如電子收費(fèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，緊急呼叫時(shí)提供窄帶數(shù)字電話，以及傳輸交通求援信號(hào)等。另外，數(shù)字移動(dòng)通信在公眾通信網(wǎng)中的應(yīng)用已很普及，它同樣可以在智能交通系統(tǒng)中提供通話和數(shù)據(jù)服務(wù)，可用于車輛調(diào)度管理、旅行信息服務(wù)、轉(zhuǎn)運(yùn)（乘）服務(wù)、停車場(chǎng)管理、集裝箱管理等。數(shù)字移動(dòng)通信還可以提供無線尋呼、短消息服務(wù)（SMS）、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，它們可為ITS用來傳輸報(bào)文、傳真，以及圖片等多種媒體，因此第三代移動(dòng)通信可以在ITS中實(shí)現(xiàn)多媒體調(diào)度指揮功能，進(jìn)一步加強(qiáng)車輛與調(diào)度控制中心的協(xié)調(diào)配合，最大程度地保證安全和提高出行效率，并且實(shí)現(xiàn)全球交通聯(lián)網(wǎng)漫游。本文將對(duì)上述三種無線通信技術(shù)的特點(diǎn)及其在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用作出分析，并介紹國外ITS通信產(chǎn)品的應(yīng)用情況。本文最后還對(duì)車輛無線通信的特殊性進(jìn)行探討，在ITS中它也有廣泛應(yīng)用。一、無線數(shù)據(jù)通信（RDT）無線數(shù)據(jù)通信是依靠窄帶頻率將移動(dòng)車輛與指揮控制調(diào)度中心連接在一起并傳輸各種交通信息（如交通流量、動(dòng)態(tài)信號(hào)顯示信息、事故求援信息等），因此它在智能交通系統(tǒng)中是必不可少的。1992年美國交通部門曾將220—222MHz頻段內(nèi)的5對(duì)窄帶頻率分配給ITS使用，同時(shí)開發(fā)了窄帶無線調(diào)制解調(diào)器（Modem）實(shí)現(xiàn)了大于14.4kb/s速率傳輸?shù)囊苿?dòng)通信數(shù)據(jù)，和大于25kb/s速率的定點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，較好地滿足了ITS中無線數(shù)據(jù)通信的要求。事實(shí)上，在ITS中無線數(shù)據(jù)傳輸速率的需求范圍很寬，傳輸交通流量控制信息僅需數(shù)百比特（每秒）就足夠了，但傳輸壓縮視頻信息則需要幾百個(gè)千比特（每秒）才夠用。另外，用作傳輸ITS信息的性能與傳輸環(huán)境有很大關(guān)系，例如在城市存在著很強(qiáng)的多徑干擾，頻率使用將受到限制，而在郊區(qū)則傳輸條件要好的多。采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)器可以提高窄帶(通常只有4MHz工作頻帶)的頻率利用,它一般可以做到每赫傳輸3比特（每秒），信息量完全滿足ITS的傳輸要求。另外，依靠編程技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多用途的無線數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，它既可用作移動(dòng)通信，又可用于定點(diǎn)和多址通信，這樣的靈活性具有十分重要的開發(fā)價(jià)值。美國將220—222MHz頻段的頻率資源分配如下：1、220.5525MHz(基站)－221.5325(車輛)用作傳輸交通流量與控制信息；2、220.5625MHz(基站)－221.5725(車輛)用作傳輸交通安全與警示信息；3、220.5825MHz(基站)－221.5925(車輛)用作雙向通信。下面以位于印地安納州西北部80/94號(hào)高速公路應(yīng)用220－222MHz窄帶頻段傳輸ITS信息為例來加以說明。該公路是美國東西部相連的州際公路的一部分，目前第一期工程是在芝加哥與印地安納波利斯兩大城市之間的Borman段公路上做ITS試驗(yàn)，全長為16哩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在這段公路上的日平均車輛為140,000，其中貨車所占的比例較大，晚間要達(dá)到70％，白天也有30％。由于日均交通流量已經(jīng)接近該段公路的交通容量，特別是大型車輛的比例過大，因此經(jīng)常出現(xiàn)交通阻塞和事故，計(jì)劃在今后5－10年內(nèi)將進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改造。但為了解決目前的交通問題，印地安納州交通部門（INDOT）決定采用ITS方案中的交通管理（ATMS）項(xiàng)目，以緩解交通流量與運(yùn)輸能力之間的矛盾。首先是建立事故救援車輛（IRV〕，如圖1所示它是中型卡車，裝備有50尺在歐洲提供全球無線移動(dòng)通信的使用頻段是1885－2025MHz（上行）和2110－2200MHz（下行），它們都已進(jìn)入千兆赫（GHz）頻率范圍，因此，其中有線與無線網(wǎng)絡(luò)接口是個(gè)很大的技術(shù)問題。另外，設(shè)備成本價(jià)格和性能安全可靠也是當(dāng)前迫切需要解決的問題，只有這些問題解決后才有可能替代第二代無線移動(dòng)通信（GSM）。四、車輛無線通信（IVC）車輛無線通信是指對(duì)行駛中車輛的移動(dòng)通信，它可能傳輸以下4類實(shí)時(shí)信息，即①旅行信息，例如交通情況，擁塞信息、交通規(guī)則等，調(diào)度中心則用廣播方式送到每輛行駛車輛那里，這在旅行信息系統(tǒng)（ATIS）內(nèi)已廣泛應(yīng)用。②車輛監(jiān)控與管理信息，它從車隊(duì)或運(yùn)輸部門那里以命令方式傳送到所屬的車輛和駕駛員，起到有效調(diào)度和管理作用。③駕駛員信息，它屬于駕駛員之間的個(gè)人信息，例如各種禮貌用語、提示信息等，在公安巡邏或特種車隊(duì)（消防、油罐、危險(xiǎn)品、運(yùn)鈔車）中應(yīng)用。④車輛安全信息，例如車況、車位、車速、加速等信息對(duì)保證車輛安全行駛非常重要，主要用于車輛控制系統(tǒng)（AVCS）內(nèi)。隨著車輛（或駕駛員）間交換數(shù)據(jù)的需求日益增多，IVC的通信能力也要增強(qiáng)，例如：①對(duì)于駕駛員間的個(gè)人信息，通?？捎靡苿?dòng)電話呼叫和通信，它的傳輸范圍應(yīng)該覆蓋所有調(diào)度控制中心所屬的道路和車輛。②對(duì)于交通事故信息，例如追尾、碰撞等信息則要求車輛在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)發(fā)送，雖然它的可能發(fā)生率很低，但對(duì)行駛安全來說非常重要，它是采用廣播方式傳送，覆蓋范圍至少100－200米。③對(duì)于協(xié)同駕駛信息，它是IVC的主要功能，它采用數(shù)據(jù)傳輸，例如在超車或避讓時(shí)車輛間要保持雙向數(shù)據(jù)傳送，它的傳輸距離要求在100米左右，并且在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)傳輸，重復(fù)間隔為0.17－0.14秒，通信周期為50ms。又如在車隊(duì)行駛時(shí)要保持車間距離，因此需要提供調(diào)整空擋信息的單向數(shù)據(jù),其通信周期很短，一般為10ms。由此可見，IVC主要用于行駛中的車隊(duì)管理和指揮，并保持隊(duì)形和足夠的間距，以防止意外事故發(fā)生。對(duì)于車輛無線通信來說，在技術(shù)上必須考慮以下幾個(gè)問題：①選擇通信信道。由于IVC的通信功能要求短距離和強(qiáng)方向性，因此采用毫米波或激光比較合適。傳輸速率可達(dá)1.544Mb/s。如圖7所示，車頭攝像機(jī)接收機(jī)與車尾發(fā)射機(jī)之間保持規(guī)定的空擋，并可以輔助控制調(diào)整。②通信方式。單向或雙向數(shù)據(jù)傳輸，它們可加以轉(zhuǎn)換，每幀周期為20ms，幀內(nèi)共分29個(gè)時(shí)隙，同步信號(hào)在移動(dòng)通信過程中形成，并由領(lǐng)頭的車輛主發(fā)，其它車輛定時(shí)接收。③通信協(xié)議。由于呼叫頻率比較低，故可以采用ALOHA移動(dòng)通信協(xié)議，但因在車輛控制系統(tǒng)（AVCS）中要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此應(yīng)在通信協(xié)議中增加選擇（polling）、識(shí)別（identifying）等功能，以便及時(shí)取得聯(lián)系，并防止干擾。前一輛車在任一時(shí)隙內(nèi)發(fā)出選擇信號(hào)，并通過識(shí)別裝置，后續(xù)車輛接收后反饋給前者特定的響應(yīng)信息。經(jīng)試驗(yàn)，日本的IVC通信數(shù)據(jù)誤碼率小于10-6，方向角為±10o，能夠滿足防止追尾、碰撞等需求，但下一步要采取新的防干擾措施，以加強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性。另外，尚需進(jìn)一步開發(fā)專用IVC移動(dòng)通信協(xié)議，并能與其它通信系統(tǒng)相兼容。五、結(jié)束語通過上述對(duì)四種無線通信技術(shù)及其在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用可以認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)ITS離不開無線通信（包括無線數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)電話），它與無線定位一樣是實(shí)現(xiàn)ITS的關(guān)鍵技術(shù)，并隨著通信技術(shù)的發(fā)展，它在ITS中的作用與地位將日益明顯。參考文獻(xiàn)：1、M.P.FitzandJ.V.Krogmeier,The220MHzITSSpectralAllocation,IEEECom.,Vol.34,No.10,1996,pp.42－542、W.Schulz,TrafficManagementImprovementbyIntegratingModernCommunicationSystems,IEEECom.Vol.34,No.10,1996,pp.56－603、J.S.DasilvaandB.Arrogo