智能运输系统概论第5章

智能运输系统概论第5章第一页，共40页。目录第1章绪论第2章智能运输系统的体系框架第3章智能运输系统的理论基础第4章交通信息采集与处理技术第5章通信技术第6章车辆定位技术第7章网络技术第8章数据库技术第9章新技术在智能运输系统中的应用第10章交通信息服务系统第二页，共40页。第5章通信技术概述5.1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5.3第三页，共40页。5.1概述智能运输系统是利用先进的信息通信技术建立道路、车辆、行人为一体的综合交通运输系统。在将道路、车辆、行人整合的过程中，通信系统起到了关键的作用，通信技术成为构建智能运输系统的基本要素。

现代通信技术包括数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术以及接入网与接入技术等。数字通信是现代通信网中的最主要的通信技术基础。用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。第四页，共40页。5.1概述数字通信以其抗干扰能力强，便于存储，处理和交换等特点，广泛应用于现代通信网的各种通信系统。信息传输技术主要包括光纤通信、数字微波通信、卫星通信、移动通信等。光纤是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，主要特点是频带宽，比常用微波频率高104-105倍；损耗低，中继距离长；具有抗电磁干扰能力；线经细，重量轻；还有耐腐蚀，不怕高温等优点。数字微波中继通信是指利用波长为1m-1mm范围内的电磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。第五页，共40页。5.1概述数字微波中继通信主要特点为信号可以“再生”，具有便于数字程控交换机的连接、便于采用大规模集成电路、保密性好以及占用频带较宽等的优点。卫星通信简单说就是地球上的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站而进行的通信。其具有通信距离远、工作频带宽、通信容量大、适用于多种业务的传输、通信线路稳定可靠以及通信质量高等优点。早期的通信形式属于固定点之间的通信，随着人类社会的发展，信息传递日益频繁，移动通信正是因为具有信息交流灵活，经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，第六页，共40页。概述5.1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5.2第5章通信技术第七页，共40页。5.2.1调频广播调频广播是以调频方式进行音频信号传输的.调频波的载波随着音频调制信号的变化而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致。频偏的大小是随音频信号的振幅大小而定。调频广播是高频振荡频率随音频信号幅度而变化的广播技术。具有抗干扰力强、失真小、设备利用率高等优点，但所占频带宽，因此常工作于甚高频段。第八页，共40页。由交通部门与广播电台联合打造的调频广播台不是传统意义的广播，而是跨行业，利用“多路段、差异化、定制化插播”技术，实现基于智能位置信息的差异化信息服务，是对普通调频同步广播系统的创新应用。具有紧急广播和数据推送功能，可全面提升现有道路网络的信息服务水平和效率，提高应对公路突发事件和应急处置能力。5.2.1调频广播第九页，共40页。5.2.23G移动通信3G（3rdGeneration）指第三代移动通信技术。与前两代相比,主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s。目前国际电联接受的3G标准主要有WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。

3G技术在车联网中的应用3G网络可以实现多节点的交互，例如：与不同城市智能运输系统之间的交互、车与车之间的交互、不同种类的信息平台之间交互等。使得车辆在出行前可以选择更为合理的出行路线，在出行中合理规避交通堵塞，遇到堵塞可以主动上传相关路况信息。还可为提供车辆监测。第十页，共40页。5.2.23G移动通信

3G技术在快速交通事故处理中的应用一般性车辆事故特别是未造成人身伤害的事故，可以通过3G网络提供的视频技术来解决。3G视频技术可以利用高带宽的无线接入在任一地点上传和接受图像。交警部门可以通过3G远程视频的方式来完成事故现场的勘察。可以快速处理交通事故，及时解决事发路段的交通拥堵状况，并节约交管部门成本。

3G技术在交通流诱导系统中的应用传统的车载导航系统只能提供单一的道路地图导航，无法做到实时更新前方路况信息，也就无法向出行者提供智能便捷的出行服务。第十一页，共40页。5.2.23G移动通信

3G技术在交通流诱导系统中的应用随着3G网络技术的应用和普及，车载导航系统将与3G网络技术进行完美结合，使其成为交通流诱导系统中的接收/发送设备。目前，在3G网络中广泛使用的移动定位技术有三种：基于网络的CELL-ID技术、OTDOA技术、网络与终端混合的A-GPS技术。移动定位可以实现援助服务、基于位置的信息服务、广告服务以及追踪服务等多种业务。3G通信技术很好地解决了智能运输系统数据传输中存在的问题，给智能运输信息传输带来无限机遇，今后会有更广阔的应用空间。第十二页，共40页。专用短程移动通信（DedicatedShortRangeCommunications，简称DSRC）是一种无线通信系统，是将数字信号调制在高频副载波上，再以此搭载有信号的副载波调制到频率、幅值固定的厘米波上，由天馈线在路面通信站和运动车辆之间来回传播。车辆至地面站的信号传送称为“上行”，地面站至车辆的信号传送称为“下行”。全部信号的编制、发射、接收、处理、存储和转送均由双方的微处理器按专用软件控制，并操作硬件执行。专用短程移动通信5.2.3专用短程移动通信第十三页，共40页。DSRC是ITS的基础，通过信息的双向传输将车辆和道路有机地连接起来，主要是用来控制车辆运动和征收通行费。控制车辆运动包括对运行车辆位置和方向的测定以及对车辆纵向和横向运动速度的控制等。电子收费需要在车辆运动过程中查明车辆型别、进出高速公路的站号，并将计算出的应缴通行费额通知给用户。完成这些工作都需要路侧固定通信站与运动车辆多次交流数据，只有高可靠性的移动通信才能满足这些要求。专用短程移动通信5.2.3专用短程移动通信第十四页，共40页。短距离信标可以提供短程通信，并可在有限的频谱上以高速转发数据。几种常见的短距离信标特性如表所示。根据设计，信标可用于单向周期性广播、双向广播和接收，或者双向点对点通信。信标可以用于车辆定位和导航、电子收费、车辆自动识别、商业车辆运营、交通管理和车-车的相互通信。专用短程移动通信5.2.3专用短程移动通信生产厂系统距离数据率发送块大小Hughes主动RF61m(200in.)550KB/s512bitAmtech被动RF23-30m（750－100in.）300或600KB/s128bitSiemens红外60-80m（197－262in.）125KB/s256byte（下行链路)128byte（上行链路）第十五页，共40页。车-路旁的信标类型有三种：（1）定位信标（2）信息信标（3）单独通信信标定位信标发送信号以确定其位置、地图坐标、路段取向以及信标数目。信息信标既发送定位信号又通过电缆中继当前路况和交通信息。单独通信信标用来和车辆进行双向通信的。这些信标均可用来收集交通数据和引导车辆。信标通信5.2.3专用短程移动通信第十六页，共40页。5.2.3专用短程移动通信当一辆配置完备的车辆经过通信信标时，就可以通过信标向中心主机发送测得的行程时间和经历信号灯的等待时间。同时，它可从信标接收到返回的相关定位和引导信息，如图所示。信标通信信标通信第十七页，共40页。5.2.3专用短程移动通信DSRC协议是DSRC的基础，美国、欧洲、日本均建立了自己的DSRC标准，目前国际标准化组织尚未制定出完整的DSRC国际标准。但资料表明，基于5.8gHz的DSRC国际统一标准将成为必然。DSRC标准可以分为三个层次：物理层、数据链路层和应用层。物理层（PhysicalLayer）规定了机械、电器、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信系统之间的物理连接。其中载波频率是一个很关键的参数，它是造成世界上DSRC系统差别的主要原因。DSRC协议第十八页，共40页。5.2.3专用短程移动通信数据链路层（DataLinkLayer）制定了媒介访问和逻辑链路控制方法，定义了进入共享物理媒介、寻址和出错控制的操作。应用层（ApplicationLayer）提供了一些DSRC应用的基础性工具。应用层中的过程可以直接使用这些工具，例如：通信初始化过程、数据传输和擦去操作等等。另外，应用层还提供了支持同时多请求的功能。DSRC协议第十九页，共40页。5.2.4无线射频识别

无线射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID系统是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统可用于控制、检测和跟踪物体。无线射频识别第二十页，共40页。5.2.4无线射频识别

RFID系统主要由3个部分组成：标签（Tag）由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器（Reader）读取（有时还可以写入）标签信息的设备，当装有标签的物体通过阅读器时，及时读出标签的ID信息，可设计为手持式或固定式。天线（ANTENNA）在标签和阅读器间传递射频信号。系统组成第二十一页，共40页。5.2.4无线射频识别

标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在标签芯片中的产品信息（该标签称为PassiveTag，即无源标签或被动标签），或者标签主动发送某一频率的信号（该标签称为ActiveTag，即有源标签或主动标签）。阅读器读取信息并解码后，送至后台服务器进行有关数据处理。一套完整的RFID系统，由电子标签、阅读器、应用软件三部分组成。阅读器发射某一特定频率的无线电波能量给标签，用以驱动标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，发送给应用程序做相应的处理。基本工作原理RFID基本工作原理第二十二页，共40页。5.2.4无线射频识别

RFID技术在智能运输系统中的应用：不停车收费：RFID在路费征稽、高速公路或各种停车场收费中的应用体现为不停车收费。交通意外救援和特殊车辆监控：通常在主干道上、各高速公路出入口及交叉路口设立RFID信息采集点。当车辆通过时，阅读器得到通过车辆的ID及经过时间，并形成记录。交通流检测及交通违章取证：采用RFID的交通流检测系统，精度高、受环境影响小、识别车型、安装维护较方便。通过在关键路口设置阅读器，可实现对于车辆闯红灯或禁令的违章取证。RFID应用第二十三页，共40页。5.2.4无线射频识别

车联网应用RFID识别技术可以读取装载在车辆上的电子标签，结合数据通信技术、自动控制技术、计算机网络技术、信息发布技术等现代化科技手段，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。RFID应用第二十四页，共40页。第5章通信技术概述5.1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5.2第二十五页，共40页。5.3.1问题的提出技术体系结构在道路交通系统中，道路路况信息越多、越精确、越及时，就越能够准确地预测前方路段在未来时刻的拥挤程度。因此，从这一方面考虑，我们希望把更多路段的交通信息从通信基站传送给车辆。但是，从另一方面考虑，交通数据是路况信息中的常规数据，需要连续不断地由基站向外广播，而路况信息还要包括诸如交通事故、紧急通知、各种时间表以及各种广告等数据。但无线信道的容量是有限的，所以希望用更少位数尽量精确地传送交通数据。为此，提出了交通流数据的信源编码问题。第二十六页，共40页。进行数据通信需要考虑的问题：采用何种通信方式；如何保证通信的速度和质量。通信系统的主要指标是通信的有效性和可靠性。在数字通信系统中信源编码旨在解决有效性指标；而信道编码，又称为差错控制编码，是用来提高通信的可靠性指标。数据通信系统的框架如图。为了有效、安全地传输数据，引入信源编码（指数据编码）、信道编码（指误差纠错编码）。5.3.2信源编码的理论基础数据通信系统框架第二十七页，共40页。信源编码，解决的是数据传输的有效性问题，即通过对信源的处理，力求用最少数码传递最大信息量，使信号更适宜传输。信源编码的一个主要目的就是要解决数据的压缩问题，即以最少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间，其中信号空间是指某信号集合所占的空间域、时域和频域空间。近代信源编码的理论与方法，主要也是以压缩数字编码的数码率为目标。因此在今天，“数据压缩”与“信源编码”已是两个具有相同含义的术语了。信源编码的理论依据5.3.2信源编码的理论基础第二十八页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础对于一个信源而言，它既可以送出事件a1，也可以送出别的事件ai。因此从统计平均观点来看，它所含有的信息量就是平均信息量的概念。借用热力学的名词，把它叫做熵（Entropy）。因此，若信源的概率模型写为：其中，为信源的字母集。则该信源熵可定义为：各事件不肯定性的数学期望，即：熵的意义第二十九页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础对于一个信源而言，它既可以送出事件a1，也可以送出别的事件ai。因此从统计平均观点来看，它所含有的信息量就是平均信息量的概念。借用热力学的名词，把它叫做熵（Entropy）。因此，若信源的概率模型写为：其中，为信源的字母集。则该信源熵可定义为：各事件不肯定性的数学期望，即：熵的意义第三十页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础其中，可以证明就是离散无记忆信源进行无失真编码时的基本极限。根据编码定理，对于二进制系统，满足：的编码方案一定存在。其中，为平均码长。当要求无损传送数据时，对于一个固定信源在二进制系统中由变长编码定理，满足熵的意义第三十一页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础的编码方案一定存在。其中，为概率已知的信源，为信源的熵，为编码后的平均码长，为信源中第个符号的码长，为信源的总字符数。熵的意义熵有下式成立，式中，即为最大熵。熵的最大性第三十二页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础信源只要不是等概率分布，就存在着数据压缩的可能性，而其基本途径就是改变原有的概率分布，使之逼近或达到等概率分布。离散无记忆信源的冗余度寓于概率的非等分布之中。因此数据压缩的基本途径之一，就是改变信源的概率分布，以期尽可能达到等概率分布之目的，即统计编码。数据压缩基本途径第三十三页，共40页。5.3.2信源编码的理论基础编码效率很清楚，只要，就表明信源编码后，仍有冗度存在。故还可得相对冗余度为：可见，统计编码的实质问题就在于减低，以使趋近于1，趋近0。第三十四页，共40页。5.3.3车辆饱和度数据流的编码方案城市车辆饱和度数据是指城市中同一时刻所有路段的车辆饱和度。当时间变化时，形成了一个时间序列，即车辆饱和度数据流。这一时间序列可以认为是一个随机过程。更确切地说，是一个马尔可夫随机过程，而交通量在总体上是符合正态分布的。根据编码定理可知，平均码长有一个下限（见5-4），任何编码得到的如果小于必然存在失真。即对概率已知的信源，任何编码的平均码长下限是已知的，若要找到更小的，就必须对信源进行变换，使变换后的信源熵值比原始信源的熵值更小