（信号与信息处理专业论文）一种动态交通信息获取系统的设计与实现.pdf

大连理l 大学硕士学位论文 摘要 随着我国城市化进程的加快，城市交通成为各个城市面临的一个共同问题。近年来智 能交通系统( i t s ) 应运而生，成为当今的热点。最近慕丰浩博士等人在一项发明专利申 请中提出了- 9 0 新型动态无线、红外双模式智能交通车辆监管系统。本文研究其中动态交 通信息获取系统的设计与实现问题。本文的主要工作包括如下三个部分： ( 1 ) 首先研究了慕丰浩博士等人提出的智能交通系统中各组成部分的功能，并分析 了无线基站与电子车牌间的通信协议和常见的几种时分多址协议。在此基础上给出了该系 统通信协议的具体实现方案，详细探讨了协议中的帧结构、时隙分配、数据包的数据结构 以及通信过程中的差错控制等技术细节的实现问题。 ( 2 ) 本文设计了一套实验系统，用于实现基站与电子车牌间的无线通信。该系统分 为基于f p g a 的数字基带信号处理模块和射频通信模块两个部分。其中数字基带信号处理 部分由本文设计制作，射频部分采用现有的短距离射频通信模块产品。本文的f p g a 选用 a l t e m 公司的c y c l o n e 系列器件，文中详细讨论了c y c l o n e 系列器件的特点、系统的电源设 计、器件的主动串行配置方式和配置器件等问题。 ( 3 ) 以基于f p g a 的硬件形式实现了该动态交通信息获取系统。本文给出了基站和 电子车牌的结构，各部分的功能和实现方法。其中包括异步串行通信模块、c r c 校验模 块、车牌中与基站同步的模块等等。同时还讨论了在f p g a 设计中涉及到的一些技术，如 同步时钟技术、并行技术等。最后实现了基站与电子车牌间的通信实验，给出了实验结 果。 关键词：智能交通系统；无线通信协议；f p g a 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f ad y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n s y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，t r a 师cj a mi sap r o b l e mi nm a n yc n e s i n t e l h g e n tt r a 茄cs y s t e m ( i t s ) i sak e y t ot h ep m b l e m m a n yp e o p l ee n g a g et h e m s e l v e si ni t s t l l i sp a p e rg i v e st h e d e s c r i p t i o no n i n t e l h g e n tt r a m cs y s t e mf i r s t t h e ni td e s i g n sad y n a m i c t r a f f l ci z f f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m w l t i c hi sas u b s y s t e mo f i t s t h i sp a p e rp u te m p h a s i so nt h er fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb a s es t a t i o na n dp l a t e 1 h sp a p e r d i v i d et h ej o bi n t o3p a r t s t h ef i r s tp a r ti st h es p e c i f i c a t i o no ft h er fc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 w h i c hi so u t l i n e di nd r m u sp a p e ri t sb a s e do nt h ew e i lk n o w ns l o t t e d a l o h a ，w h i c hi sam e m b e ro ft h ea l o h a p r o t o c 0 1 t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo fb o t hs l o t t e d - a l o h aa n da l o h ap r o t o c 0 1 n l e ng i v et h ed e f i n i t i o no f t h ef r a m es t r u c t u r e ，d a t as t r u c t u r ea n de r r o rc o n t r o im e c h a n i s m i nt h es e c o n dp a r t ，a ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dt ov e r i f yt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sc o m b i n e dw i t h2m o d u l e s r fc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i g i t a lb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d d e 1 1 1 i sp a p e rd e s i g n e dt h el a t t e rb a s e do na r ta l e t r a sc y c l o n ef a m i l y f p g a n ed e s i g ni s s u e so ft h ec y c l o n ef a m i l yf p g aa r ed i s c u s s e d ，s u c ha sp o w e rs u p p l y ， c o n f i g u r a t i o na n dt h eb o a r dl a y o u t i nt h e “r dp a r t ，t h ep r o t o c o li si m p l e m e n t e di na l lf p g a i nt h i sp a r t 、a n a l y z et h es t r u c t u r eo f b a s es t a t i o na n dp l a t e ，a n dg i v et h e i ri m p l e m e n t a t i o n s t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c r c c h e c k s u mg e n e r a t i o nm o d u l ea n ds y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l n i sp a p e ra l s o d i s c u s ss o m e t e c h n i q u e si nf p g ad e s i g ns t l c ha ss y n c h r o n i z i n gc l o c ka n dp a r a l l e ld a t ab u s k e yw o r d s ：i t s ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；f p g a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致调 的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 智能交通系统概述 随着我国经济的飞速发展，我国城市化、汽车化进程不断加快。由于我国从计划经济 到市场经济发展时闯比较短，城市化水平和汽车化水平都远不如发达国家。随着机动车数 量的急剧增加，大城市交通拥堵以及能源、环境问题已经相当严重。这其中主要原因是我 国道路基础设施的发展没能与机动车数量的增加协调一致，同发达国家相比这个差距更 大，加上混合交通的特点以及我国对交通认识和发展起步都t 匕较晚，管理的水平不高，使 得我国由交通问题造成的影响日渐突出。 虽然我国当前不断地发展公路建设，但是仍然无法赶上机动车的增加速度。我国大部 分城市格局属于单中心同心圆外扩的形式，市区人e 1 密度和工作单位密度高，自行车、公 交车、小车以及行人主要集中在市区范围内，不同类型的交通方式交织在一起，对道路交 通的需求越来越大，使得道路交通系统极为脆弱，一旦出现扰动，如交通事故、车辆故 障、特殊交通需求及节假日上下班的高峰，势必造成交通拥堵乃至交通瘫痪。 交通拥挤的加剧，不仅造成巨额的经济损失，发展严重时甚至会导致城市功能的瘫 痪。除此之外，低速行驶增加耗油量，导致燃料费用增加，能源浪费；汽车尾汽排放增加 会造成环境质量恶化。 目前高速公路的管理瓶颈主要在于人工现金收费和停车缴费两点，这主要是无法解决 车辆的完全自动识别，必须依靠人工参与而造成的。收费站的停车缴费必然使得高速公路 的车辆通行速度减慢，降低高速公路的利用率。 车辆的异地管理也是当前我国交通管理的一个弱项。我国现行的车辆管理基本上限于 本省或者本市的小范围内，对于异地车辆的管理主要局限于在收费路段或收费桥梁路口征 收过路费。这种管理方式只解决了征收养路费的问题，但是对于车辆的违章或者肇事逃逸 根本无法处理，日常管理更无从谈起。由于对异地车辆的管理存在很大的漏洞，对违章者 没有任何记录，使得车辆在异地无视信号控制系统的存在，为交通事故留下了隐患。 几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但是城市交通问题一直没有得到很 好的解决。在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯的修建道路，无法从根本上 缓解日益增长的交通压力，特别是在交通问题严重的市区，建筑格局已经比较固定，进行 大规模的道路建设往往是不实际的。在这种情况下，利用现代化的计算机技术、通信技 术、网络技术、控制技术以及卫星定位技术等辅助手段解决交通问题成为必然的选择。 面对曰益严峻的交通问题，人们在认识上逐渐达成一致，并于1 9 9 4 年1 1 月在巴黎召 开的第一次世界智能交通大会上提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，即 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 i t s ) 的概念【14 】，即运用现代的计算机、电子、通讯、人工智能等领域内的最新研究成 果，来改造传统的交通系统，达到人、车、路的智能化。使人在驾驶过程中可以随时通过 g p s g i s 、广播、信息发布板等手段了解到目前的交通状况。交通管理部门亦可通过道路 上的车辆传感器，视频摄像机等设备随时了解到各个路段的交通情况，并随时对各个交通 路口的交通信号进行调整以及对外界进行信息发布，使整个交通系统的通行能力达到最 大。 i t s 与以往交通控制的本质区别是信息技术成为支撑i t s 技术中的核心技术，除了大 量实时性的信息采集、信息整合、信息传输、信息汇总、信息融合、信息存储和发布外， 还增加了大量的“人、车、路”问的信息交互与共享，加强了人、车、路和管理系统的一 体化运作。 对智能交通系统的研究许多国家都投入了巨大的人力物力。一些发达国家从7 0 年代 就开始了对i t s 技术的研究，政府投入巨大的资金将其应用于实际交通运输管理之中，有 效地缓解了各种交通问题，并且直接或间接带来了巨大的经济效益和社会效益。目前已形 成以美国，日本和欧洲为代表的三大研究中心。 在美国p j ，i t s 的前身是i v h s ( i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ) 智能车路系 统。对于美国来说，i t s 的研究虽然起步最晚，但由于投入较多，目前在该领域已处于领 先水平。美国的i t s 主要是基于射频通信，工作于9 1 5 枷陇和5 8 g h z 两个频段。 日本是对i t s 进行研究最早，实用化最高的国家 6 】，智能交通的应用程度已相当高。 由于日本国土狭小等原因，日本在7 0 年代就开始汽车交通综合控制系统的研究，并在全 国范围内设置和修建交通管制中心。进入8 0 年代以来，又先后进行了路车间通信系统 ( r a c s ) 和先进的汽车交通信息通信系统( a m 盯i c s ) 的研究。进入9 0 年代后，日本积 极参加国际间的r r s 研究与合作，并成立了全国性的i t s 推进组织。目前，日本已建立了 较为完备的交通控制、信息服务等综合体系，并基本完成了覆盖全国的电子地图的绘制工 作。 我国在i t s 领域的研究起步较晚，但是随着全球范围的智能交通技术研究的兴起，进 入8 0 年代，我国也加快了进行智能交通研究的步伐。一方面，北京、上海、广州等大城 市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控等系统；另一方面，还加大 了自主开发的步伐。现在，我国已经把智能交通系统的研究放在“国家自然科学基金”的 重要位置，很多城市在交通管理中投入了大量的人力、物力和财力，也取得了一定的成 效。例如北京市在公交系统已经实现了半自动化，国内的部分高速公路网也实现了刷卡式 计费系统。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 交通信息采集技术概述 交通信息的采集可以说是整个i t s 的基础。如果没有大量的、准确的交通数据作为系 统的支撑，i t s 永远只能停留在概念阶段。采用不同的交通数据采集模式将直接影响智能 交通系统的体系结构。通常将交通信息的采集分为两大类：宏观的数据采集和微观的数据 采集【7 。9 1 。 所谓基于宏观数据采集的智能交通系统是指在该系统中可无车载单元，交通数据采集 是通过路边的传感器( 感应线圈) 、微波检测器等检测设备检测获取。获取的原始交通数 据主要是车流量、车流速度等宏观的数据，而对每个车辆的个体信息不关心也无法获取。 感应线圈检测器是最常见的一种交通信息获取方式。当有机动车通过检测区域时，检 测器内的电流在电磁感应的作用下会跳跃式上升，当电流超过指定阈值时会触发记录仪， 完成对车辆数及其持续时间的记录。该技术主要有技术成熟、易于掌握，检测精度高，全 天候工作和设备价格低等优点。但它的缺点是安装时需切割路面，影响路面寿命，安装维 护时需要中断交通，对已建成的道路应用比较困难。 微波检测器会向检测区域发射具有一定波长的能量波束，当有机动车穿过检测区域 时，该波束经车辆反射后被检测器接收和处理后获得所需的交通参数。此方式的优点是检 测精度高，而且可检测间距很小的车流。其缺点是检测精度易受环境影响，尤其是大风、 暴雨等影响，而且探头下方通过的人或物也会产生反射波，造成误检。 微观的数据采集与宏观的数据采集有所不同，它的路边采集设施主要是采集每一辆车 的信息，如车辆的车牌号，经过检测器的时间等信息。此类信息不仅仅是宏观信息的有益 补充，同时还是高速公路网管理系统的必要数据。同时对于异地车辆管理，车辆追踪都是 必不可少的一项基础信息。但是，要实现采集每辆车的信息，就必须在车上安装车载单 元，并解决车载单元与路边采集设施的无线通信问题。 现在微观数据采集的发展方向是基于短距离通信的采集模式。短距离通信又可分为红 外短距离通信和射频短距离通信两种。 红外通信有许多优点，首先它不受无线电干扰，对人体无害，且使用不受国家无线电 管理委员会限制。其次红外通信结构简单，不需天线，不论是车载单元还是路边采集单元 的成本都较射频方式低。还有一个重要的特点是红外通信的方向性强，也正是这个特点使 其成为停车场出入口处信息采集的理想选择。它的缺点是协议简单、保密性差，受自然环 境影响较大。 射频通信又可分为无源射频通信和有源射频通信。 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 无源射频通信也称无源r f i d ( 即r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频身份识别) ，其 特点是成本低，无需供电。但它的缺点是通信距离短，传输速率低，无法满足将来大信息 量的通信要求。 有源射频通信也称有源r f i d ，它的特点是通信距离远，传输速率高，可针对复杂的 通信协议。它的缺点是需要供电，成本较高。 1 3 本文主要研究工作和内容 本文主要研究了动态交通信息获取系统的设计与实现问题。该系统是动态无线、红外 双模式智能交通车辆监管系统【lo 】中的一个子系统。本文的工作主要分为三个部分。首先针 对i t s 系统的通信特点，根据文献【1 0 仲提出的系统通信方案，设计了一套用于电子车牌 与基站间无线通信的协议，之后设计了一套用于实现基站与电子车牌通信的实验系统，最 后在该系统上用f p g a 实现了协议的内容，并完成了计算机上的波形仿真和实际实验系统 间的通信。 本文共分为五章，其内容如下： 第一章为绪论，对我国交通系统的现状、智能交通管理系统、智能交通管理系统中的 信息获取技术及当前国内外该领域的研究现状做了简要综述。 第二章首先对文献0 0 提出的一种新型动态无线、红外双模式智能交通车辆监管系统 ( 包括其结构、工作模式和各部分的功能) 进行概述和分析。之后在分析现有的时分多址 接入协议和文献 1 0 的基础上，给出了一套用于实现电子车牌与基站间通信协议的技术方 案。 第三章重点研究动态交通信息获取系统的设计问题。给出一种基于f p g a 的实验系统 的总体结构设计，对实验系统中利用f p g a 实现通信协议进行讨论，给出计算机波形仿真 实验结果。 第四章研究了实验系统各组成部分的功能及其电路实现，并在该实验平台上进行了电 子车牌与基站的通信实验，最后给出了实现结果。 第五章是本文的总结与展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 动态交通信息获取系统通信协议及其实现方案 本章中主要讨论系统中通信协议的设计。首先对动态无线、红外双模式智能交通车辆 监管系统的总体结构进行了介绍，之后分析了现有几种常见的通信协议的性能和动态交通 信息获取系统中通信的特点，最后讨论了通信协议中各项参数的确定问题。 2 1 一种新型动态无线、红外双模式智能交通车辆监管系统概述 最近慕丰浩博士等人【l0 】在一项发明专利申请中提出一种新型动态无线、红外双模式智 能交通车辆监管系统。该系统采用有源r f d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，即射频身份 认证) 技术实现路边无线基站与电子车牌间的通信，对车辆身份进行识别。图2 1 为本文 所研究的动态交通信息获取系统的示意图。该系统可用于城市和非城市的交通和车辆管 理，通过在需要管理和监控的场合设立集信基站( 以下简称基站) ，基站通过无线通信方 式与安装在汽车上的电子车牌通信，获取车辆牌照( 或其它有关信息) ，并发布必要的交 通信息给车辆驾驶员。基站还与城区中的分控中心联网，而分控中心又与城市交通车辆管 理中心联网，从而构成整个城市动态交通监管系统。 图2 1 红外、无线双模式智能交通系统的结构示意图 f i g2 1s y s t e mc o n f i g u r a t i o no f l r r fm o d ei t s 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 无线基站主要用于各种无方向性要求的大小交通路口、广场、高速公路，正常工作时 覆盖半径一般在5 米至2 0 0 米，但在特殊工作模式时最大可达数千米。流动检查器具有与 基站相似的硬件设备和功能，并具有数字图像识别功能。可将由图像识别得到的车牌与该 车牌报告来的车牌d 进行比对，若两者不同，或是没有报告车牌i d ，则说明该车牌为非 法车牌。流动检查器可被车载或安装在飞行器上。当流动检查器处于某个无线基站覆盖区 域时，可以自动检测当前状况和监听该区域所有通过车辆的无线牌照报告。在停车场等收 费管理场所，流动检查器可用小功率无线模式，要求所覆盖的局部区域中所有车辆自动报 告牌照，也可用红外模式核查某车辆。 分控中一心和城市交通车辆管理中心根据所获取车辆牌照、地域编码和通过时间，形成 车辆行驶汜录，并以数据库的形式存档。在全国范围内，城市交通车辆管理中心可通过互 联网查询任何车辆信息。 城市车辆管理中心是交通管理的通信、调度、监控、协调指挥枢纽，可分级分区设 置。主区域控制中心下辖多个分控中心，分控中心按不同的区域平行设置。控制中心之间 可以相互交换数据，可实现交通车辆的跨区域管理、调度与协调。分控中心的设置应该根 据交通道路的主次、道路密度及道路的交通密度来设置。 2 2 系统通信协议的分析 2 2 1 典型的时分多址协议 图2 2 列出一些常见的时分多址接入协议及它们的分类方法【1 1 - 1 3 。时分多址接入协议 可分为同步时分多址和异步时分多址两大类。 f 竺竺兰兰兰全竺。竺l r l 1 匝巫蠡臣互量 亩tdmacsma 匪囵陶陶 i 【一竖一 大连理： 大学硕士学位论文 同步时分多址即t d m a 。它是一种将信道资源在系统中各个用户间固定分配的方式。 在这种方式中，将时间划分成一个个时间段( t i m es l o t s ) ，每个时间段的时长等于或略大 于一个数据帧的发送时间。假如网络中有n 个用户，按照各用户均等的方案分配全部信道 资源，则编号为i 的用户发送数据时，固定使用编号为( k n “) 的时间段。该方式的特点 是不论是否有数据要发送。各个用户都占用一个时间段。这种多址方式比较适合网络中用 户较少，而每个用户点要求发送数据量较大的场合。对于本文所论及的交通车辆信息获取 问题，其特点是对任何一个集信基站来说，用户不固定，用户数量也不定。同时每次用户 与基站的通信实际上需交流的信息量又很少。所以这种同步时分多址通信方式不适合本问 题。 异步时分多址是在对信道的访问上，不再为网络中各用户分配固定的时间段。这种方 式的目的是要使得当某些用户没有发送数据的要求时，其它用户可以利用较多的信道资 源、占用较多的时间来发送它们的数据。这种多址方式较同步多址方式灵活许多。 异步时分多址又可分为随机竞争方式和按需分配方式。随机竞争方式的时分多址协议 多用于广播信道，连接在广播信道上的任一用户在需要发送信息时，要以某种方式竞争信 道资源的使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去。所有用户都能收到这一信息，如果 某用户发现信息是发给自己的，便存储并处理，否则丢弃。a l o h a 协议就是随机竞争方 式中的一种。a l o h a 协议又可分为纯a l o h a 协议和时隙a l o h a 协议f s l o t t e d - a l o h a ) 。 2 t 2 2 纯a l o h a 协议和时隙a l o h a 协议及其性能分析 所谓纯a l o h a 协议，是指在时间上不划分时间段的a l o h a 协议。当网络中任一用 户有数据要发送时，不管信道忙与闲，立即发送出去。当检测到所发送的数据与其它用户 发出的数据发生碰撞时，则独立延迟一段时间再重新发送出去。如再次发生碰撞，重复以 上过程，直至发送成功。如图2 3 所示，帧1 和帧2 成功发送，没有发生碰撞。帧3 和帧 4 发生碰撞，碰撞后两帧均无法正确接收。于是移动站2 在经过一段延时后重发帧3 ，此 次没有产生碰撞，成功发送。 用户1 用户2 回圈 l 坠j 鬯鳖耋：匡型三一i 卜一延时叫 图2 3 纯a l o h a 协议示意图 f i g 2 3c h a n n e lu s a g eo f a l o h ap r o t o c o 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 按照这种发送机制，如果一个a l o h a 数据帧的时长为t ，这个数据帧要想发送成功 ( 不产生碰撞) ，必须要求在2 t 的时间内没有其它数据帧发送。如图2 4 所示。较先于此 数据不超过t 时间发送的其它数据帧将碰到此帧的头部，较晚于此数据帧不超过时间t 发 送的其它数据帧将碰到此帧尾部，形成长达2 t 的易损坏区，又叫碰撞窗口。 第2 帧发送 l 第1 帧 第3 帧 爨蒸j 囊妻麟参 i l 醛j24纯a l o i i a 仂- 议的盛? 童窗口 f i g24c o l l i s i o nw i n d o uo f a l o h ap r o t o c o 由于数据帧生成后不用等待就立即发出去，故纯a l o h a 协议的发送等待时间小，在 网络业务量很小时，有利于提高系统的吞吐量。然而由于发送前不检测信道忙闲，在网络 中业务量大时，数据帧碰撞概率较大。不加控制时反而会导致系统吞吐量的急剧减小与延 迟的急剧增加。 在纯a l o h a 协议的基础上，人们又提出了时隙a l o h a 协议( s l o t t e d - a l o h a ) ， 又称为分时间段a l o h a 协议。它是纯a l o h a 协议的改进形式。在时隙a l 0 队中，将 信道传输时间按一帧时长t 划分成时间片( s l o t ) ，某站的待发送帧无论产生于何时刻， 发送起止时间都在一个时间片内进行。如此可能产生的碰撞都应该是完全重叠式的碰撞， 从而将碰撞窗口减小为t 。如图2 5 所示。 移 移 帧2l帧4 i 重发帧4l 兰：b 帧3i重发帧3j 碰撞窗口t 图2 5时隙a l o h a 协议示意图 f i g 2 , 5c h a n n e lu s a g eo f s l o t t e d - a l o h ap r o t o c o l 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3a l o h a 协议的吞吐量性能分析 这里我来分析上述a l o h a 协议的通信性能。通常用吞吐量、总业务量和平均传输迟 延等技术指标来评价通信性能 1 4 - t 6 1 。 吞吐量是单位时间内在信道上成功传送的信息量，其单位是b s 、k b s 或m b s 。而实 用中为分析方便，吞吐量常用其理论上的最大值即信道的传输速率r ( b s ) 来归一化，用 符号s 表示。所以有0 茎s l 。 系统的总业务量就是系统中所有终端的传输要求的总和。定义为系统中所有终端在单 位时间内要求传送的信息量的总和，其单位和吞吐量一样，也是b s 、k b s 或m b s 。总业 务量也常用信道的信息传输速率r 来归一化，用符号g 来表示。尽管吞吐量s 不可能大 于1 ，但业务量g 作为系统的传输要求，是可以大于1 的。当g 大于1 时，意味着系统的 总传输要求超过了信道的传输能力。 某一数据帧从进入发送缓冲器到成功到达目的地的接收器所经过的时间称为该数据帧 的传输迟延。平均传输迟延是对所有数据帧的传输迟延求得的统计平均值，用符号d 来表 示。平均传输迟延常用传输时间来归化。该归一化的平均传输迟延是一个大于1 的数。 假设在一个帧时间t 内生成k 个数据帧的概率服从泊松分布： 最( 丁) = 【( 五r ) 。k ! e “7 1 ( 2 1 ) 上式中五为单位时间内平均要发送的帧数( 包括新生成的帧和重传帧) ，或称帧的到 达率。由于g = a r ，有 最( t ) = 【g 。硼9 1 ( 2 2 ) 一个数据帧发送成功的概率是在一定时段( 碰撞窗口) 内没有其他数据帧生成的概率 只。而吞吐量则是总业务量与发送成功率之积，即 s = ( 2 3 ) 由此我们得到结论： 对纯a l o h a 协议，由于其碰撞窗口为2 t ，则 p o ( 2 t ) = e “ ( 2 4 ) s = g e 。6 ( 2 5 ) 对于时隙a l o h a 协议，由于其碰撞窗口为t ，则 p o ( 2 t ) = e “( 2 6 ) s = g e 坩 ( 2 7 j 纯a l o h a 协议与时隙a l o h a 协议的吞吐量s 与总业务量g 的关系如图2 6 所示。 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 0 5 t 础 蓉o ，4 o 3 o 2 0 l o 一一 一一。、 j- _- ， ， 夕7 _ _ oo 511 52 时隙a l o h a a l o h a 2 5 总业务量 图2 6纯a l o h a 与时隙a l o h a 协议的吞吐量比较 f i g 2 6p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e na l o h a s l o t t e d a l o h a 从式2 5 、2 7 和图2 6 中可以看出，当总业务量g 很小时，吞吐量s 随着g 的增大而 上升，纯a l o h a 与时隙a l o h a 系统的吞吐量s 分别在g = 0 5 和g = i 时取得最大值， 数值分别为1 ( 2 e ) 和l e 。从中可见时隙a l o h a 系统的吞吐量比纯a l o h a 系统要优 越。还可以看到，随着g 的增大达到一定程度，吞吐量s 不仅不能上升，反而急剧下降， 这是出现大量数据帧碰撞的结果。 2 _ 3 实现系统通信协议的技术方案 本文的动态交通信息获取系统是动态无线、红外双模式智能交通车辆监管系统中的一 个子系统，主要是完成基站与电子车牌间的无线通信。 由前面分析可知，基站与电子车牌间的通信是典型的一对多随机通信问题。在同一时 刻，可能有多个电子车牌处于某一基站的覆盖范围内。若不对其通信采取控制，必然会产 生大量的碰撞，导致无法进行通信。该系统中通信的另一个特点是电子车牌处于某一基站 覆盖范围中的时间通常较短，因此车牌需在较短的时间内与基站完成通信。 在文献 1 0 j 中，为解决电子车牌与基站的通信问题，提出了基于时隙a l o h a 的通信 协议方案。在该协议方案中，将时间划分为帧。再将帧划分为若干个时隙。这些时隙包括 帧头信号时隙、上报时隙和应答时隙等等如图2 7 所示。其中将每秒分为f 个帧，每帧又 分为m + n + 2 个时隙。第一个时隙为桢头信号，其后有m 个上报时隙，供电子车牌发送上 报信息。之后是一个h 时隙，用于功能扩展。最后是n 个应答时隙，用于基站向电子车牌 发送应答信息。 大连理工大学硕士学位论文 针对该协议方案，本文研究如何实现的问题，探讨如何具体确定如协议中帧的长度 时隙的数量，上行、下行通信如何控制以及如何解决通信中的同步等问题。 r 时鼠码( 报告时际r i ，i = 2 ，n i ) 匣雯 臣翌翌口里墅二臣亘雯卫墅至卫囹 b 时隙码( 通告时隙b j j5 1 ，2 吣 l 兰! 竺竺j 兰兰竺查! ! 竺! 兰兰望竺竺i 苎竺竺竺! 竺i 苎兰! ! 竺l 竺皇竺竺 图2 7 基于时隙a l o h a 的通信协议方案 f i g 2 7s c h e m eo f t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do i ls l o t t e d - a l o h a 23 1 时隙数据的结构设计及其实现方案 在本交通通信系统中，最基本的通信任务是用户向基站报告自己的车牌号码和基站向 用户通告上次已收到了哪些车牌的报告。现在的车牌编码除了一部分特种车辆外，都采用 l 位汉字加上六位数字或英文字母子的方式。这样我们对牌号中的每一要素进行编码。对 于汉字，通常代表车辆所在省或是特种车辆的代码，因此汉字种类不会超过1 0 0 个。我们 在这里采用8 位二进制数来表示。对其后的6 位数字或英文字母，共3 6 种可能，因此采 用6 位二进制数表示，这样一来，共需4 4 位二进制数。如对某些特种车辆，可使用1 0 位 二进制数表示足够。为给将来扩容留有足够的空间，并考虑实现上的方便，本设计取6 4 位二进制数来表示车牌号码。进一步，为了对数据进行差错控制，在6 4 位数据后加上3 2 位的校验码，共9 6 位数据作为一个数据包 ”o 啦”。 在这里我们使用c r c 校验作为通信过程中的差错控制编码方法。c r c 是循环冗余检 验的意思。该方法由于其简单有效已成为最常用的一种差错检验方式。它是把原始数掘输 入到一个校验公式中，生成一定长度的校验码，然后把校验码添加到原始数据后面组成新 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 的数据帧。在接收端，将收到的数据帧中数据部分取出，按同样的方式生成校验码，并与 收到的校验码进行比较，若相同则既明通信过程中没有误码。 c r c 的检验能力和生成多项式有关，若针对传输信息的差错模式设计合适的多项式就 能有效的检测错误。目前设计了很多生成多项式，其中以下几种已成为国际标准。 ( 1 ) c r c 1 2 ：g ( x 1 = l + x + x 2 + 工3 + 一+ x 他 ( 2 ) c r c 一1 6 ：g ( x 1 = 1 + x 2 + x 1 5 + z 1 6 ( 3 )c r c c c i t t ： g ( 二c ) = 1 + z 5 + x 1 2 + x 1 6 ( 4 )c r c 3 2 ： g ( x 、= 1 + x + x 2 + z 44 - x 5 + x 74 - x 8 + 一o + x “+ x 1 2 + x 1 6 + x 2 2 + x 玎+ x 2 6 + z 3 2 其中c r c 一1 2 产生1 2 b i t 的校验序列。c r c 一1 6 和c r c c c i t t 生成1 6 b i t 的校验序列。 c r c 3 2 可生成3 2 b i t 的校验序列。在上述c r c 中，c r c 。3 2 的检错能力最强，它能检测所 有长度不大于3 2 位的突发错误；对于3 2 位或大于3 2 位的突发错误检测分别可达 9 9 9 9 9 9 9 9 9 5 和9 9 9 9 9 9 9 9 9 8 t 2 2 1 。 我们这里采用c r c 一3 2 校验方式对通信数据进行编码。这样对6 4 位数据编码，产生 3 2 位的c r c 校验和。因此一个标准的数据包如下图2 8 所示。 6 4 位数据3 2 位校验和l 一个完整的数据包，共9 6 位数据 图2 8协议中一个数据包的结构 f i g 2 , 8s t m c w , r eo f ad a t a g r a m 在每帧中的第一个时隙，称为帧头时隙，它对车牌与基站在通信过程中能否同步起着 至关重要的作用。关于车牌与基站同步的方法将在后续章节中介绍。在车牌要与基站通信 时，必须能从基站的数据中找到帧头信息，之后才有可能正确地接收信息。因此帧头信息 必须与其它时隙中的信息有所不同。本文规定帧头信息为6 4 位。该信息的前3 2 位为 “0 1 0 1 0 1 ”交替出现，这样既有利于同步，也利于与其它数据区分。后3 2 位为前3 2 位的c r c 校验码。帧头时隙中的所有数据即这6 4 位帧头码。这样一来，帧头信息就成了 一个特定的比特序列。而且与其它时隙有数据相同的概率为2 “( 约为1 0 。1 9 ) 。 由于每个数据包的数据量为9 6 b i t ，因此每个时隙的时长必须要大于一个数据包的长 度。出于对将来系统升级的考虑，在这里我们规定其长度为1 4 4 个比特位的长度。这样， 不论基站还是车牌，当有数据要发送时，先将数据放入缓存，待到一个时隙开始时开可以 大连理工大学硕士学位论文 发送。而且整个数据包必须在一个时隙中发送完毕，也就是说一次发送过程只能占用一个 时隙。 2 3 2 通信协议中帧结构的设计及实现方案 帧是由一定数量的时隙组成，是通信过程中最大的单位。从时间角度来看，信道中的 数据是以帧为单位周而复始地进行。 各个时隙在一帧中有着不同的定义，表示着不同的信息。由于该系统使用的是半双工 的广播信道，即在某一时刻，信息的传输是单向的，所有的信息都在同一信道中传输。所 以单从接收到的射频信号无法判断该信号是由基站发出的还是其它车牌发出的。这样就会 使通信造成混乱。解决这个问题有两种方式：一是在所有的数据中都加上一定数量的信息 位，以表明谁是该数据包的发送者。这种方式或者增加数据包的长度，或者降低数据包中 其它信息的容量。还有一种方法就是对一帧中各个时隙规定不同的含义。除帧头时隙外， 将其它时隙分为两大类，一类是下行时隙，即通信方向是由基站传给电子车牌；另一类是 上行时隙，即由电子车牌向基站发送数据。这样一来，处于下行时隙的数据一定是由基站 发出的，而处于上行时隙的数据一定是电子车牌发出的。这样做虽会略微增加协议的复杂 性，但可以提高通信的效率。因此，我们选择第二种方法。在将时隙分为上行时隙和下行 时隙的基础上，可以再对其进行细分。 在由基站发送的信息中，包括有通信控制信息、交通信息、应答信息等多种信息。 通信控制信息是基站向电子车牌发送的最重要的信息之一。该信息中包含基站向其覆 盖范围内的电子车牌发布通信系统关键指标参数，如通信功率、通信频点、基站i d 等 等。 交通信息是基站向电子车牌发送的广播信息，主要内容是该基站周围的交通状况。 应答信息是当基站收到个车牌的报告后，对该电子车牌发送回的一个应答，表示基 站已成功收到刚才的上报信息，从而下次不必再次上报。 对于基站发送的不同信息，在将时隙分为上行时隙和下行时隙的基础上，可以再对其 进行细分：将下行时隙又分为帧头时隙、信息时隙和应答时隙。 在定义了帧和时隙后，下一个问题是如何安排个此时隙。一是每帧中时隙的数量，二 是不同时隙在一帧中位置。 先考虑一帧中时隙的数量。由于每一帧都需要帧头时隙和通信信息时隙，因此，若是 一帧中所含时隙数量过少的话，会使帧头时隙和通信信息在一帧中占的比重过大。如果一 帧中有四个时隙( 一个为帧头时隙，一个为通信信息，一个为应答时隙，一个为上报日寸 隙) ，则帧头时隙和通信信息时隙就占用了5 0 ，这样效率是很低的。若是一帧中的时隙 过多的话，虽然帧头和通信信息占的比重会减少，但一帧的时间会过长。由于车辆在行驶 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 过程中，处于某一基站覆盖范围的时间并不长。当一帧时间过长的话，电子车牌收到的帧 数就会变得很少。再加上无线信道的误码，可能会使电子车牌在短暂的时间内无法成功抓 住一个帧头，并与之同步。因此一帧中时隙的数量不宜过大，也不宜过小。在这里，本文 规定一帧中为8 个时隙。 再对每帧中的8 个时隙的各自用途进行细分。第1 个时隙为帧头时隙。第2 个时隙和 第3 个时隙为信息时隙，即前面所述的通信控制信息和交通信息。第4 个时隙和第5 个时 隙为应答时隙，用来对上一帧中收到的车牌数据进行应答。剩下的第6 、7 、8 个时隙作为 上行时隙，供电子车牌上报使用。 现在，一帧的结构己经确定，如图2 9 所示。 一帧 下行时隙上行时隙 图2 9基站与电子车牌通信协议中的帧格式 f i g 2 , 9f r a m es t r u c t u r ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 本通信系统的波特率设定为9 6 k b p s ，由于每帧被划分为8 个时隙，每个时隙的时间为 1 4 4 个码元长度，由此可以算出该协议下的每秒的帧数为： 9 6 k b p s ( 8 ( 时隙) 1 4 4 ( 比特) ) z 8 3 ( 帧) 帧、时隙的时间关系如图2 】0 所示。由于该协议中每帧有3 个上行时隙，那么每秒钟 的8 3 个帧中共有2 4 9 个上行时隙。根据前面对时隙a l o h a 协议的分析，系统吞吐量最 大时为业务量为t 时，即每秒2 4 9 个车辆通过基站，这样的流量远远大于实际的公路流 量。以双向1 0 车道为例，设机动车的速度高达1 8 0 公里，j 、时，各车间距为2 0 米，则最大 车流量为每秒2 5 辆。这表明该系统的最大通信业务量约为o 1 ，小于该系统可能达到的最 大吞吐量( o 3 6 8 ) 。于是该系统可以保证几乎所有通过其覆盖区的车牌都能成功上报。 大连理工大学硕士学位论文 + 一1 秒一 【f ， f 2f 3 f 4f 5f 6 f n 、 艨黼麟瓣剿黼剿s s s 78 8 下行时隙上行时隙 图2 1 0协议中帧、时隙的关系 f i g21 0 f r a m e s l o t s 赵泰洋：一种动态交通信息获取系统的设计与实现 3 系统中关键子模块的f p g a 实现 本文使用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，即现场可编程逻辑阵列) 实现了基 站与电子车牌问的通信协议。该部分是本文的重点。本章首先简要阐述通信实验系统的设 计思路，之后研究基站与电子车牌中f p g a 的功能，最后给出基站与电子车牌中f p g a 的 实现细节。 3 1 实验系统的总体设计方案 为了实现前述的电子车牌与基站间的通信协议，本文设计了一套基于f p g a 的硬件实 验系统。该系统分为两部分，一部分是数字基带部分，全