面向公路智能交通系統(tǒng)的無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究*

肖恒輝，李炯城 ，丁勝培，李桂愉

（1.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣州510630；2.廣州市無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化重點(diǎn)工程中心 廣州510630）

1 引言

新一代無線寬帶技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)更寬的傳輸帶寬、更大的地址規(guī)模、更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信應(yīng)用帶來了可能。本文致力于新一代無線寬帶技術(shù)在交通領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，探索新一代無線寬帶技術(shù)在公路交通信息化、智能化中的典型應(yīng)用，研究了公路交通信息化過程中所需要的無線通信關(guān)鍵技術(shù)，為新一代無線寬帶技術(shù)在交通領(lǐng)域內(nèi)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

作為信息化產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)[1～3]將服務(wù)對象從人擴(kuò)展到物，為推進(jìn)我國工業(yè)化與信息化的融合，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化升級帶來了新的機(jī)遇。智能交通作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的組成部分，將成為未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。IPv6、LTE等新興技術(shù)的發(fā)展，帶來了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式的發(fā)展。本文將研究如何支持這些新興技術(shù)在智能交通[4～9]領(lǐng)域中的應(yīng)用，論證基于新興通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在公路信息化中的特點(diǎn)和優(yōu)勢，研究面向智能交通的公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和此體系架構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域中的應(yīng)用得到新的擴(kuò)展提供前沿研究。

本文提出了公路無線物聯(lián)網(wǎng)的整體框架與技術(shù)實施方案，并論證了實施方案的可行性；驗證了公路無線物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵通信技術(shù)，研究了公路無線物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，開展了公路無線物聯(lián)網(wǎng)為提高交通效率、增強(qiáng)交通安全、減少交通污染的創(chuàng)新性研究，為我國公路信息化的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2 公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)、總體技術(shù)框架

本文在公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和技術(shù)框架方面將致力于以下3個方面的研究：

·完成面向公路路網(wǎng)信息化的無線移動通信新應(yīng)用相關(guān)框架設(shè)計；

·開展公路無線物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向的研究；

·提出公路無線物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域內(nèi)的典型應(yīng)用，為我國公路信息化的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

在未來的公路無線物聯(lián)網(wǎng)中，道路與車內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)將提供豐富的交通信息，路邊基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、終端用戶將通過新型（無線）通信技術(shù)形成一張綜合網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）。該網(wǎng)絡(luò)在交通系統(tǒng)中的功能是多方面的：

圖1 公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

·交管部門可以通過該網(wǎng)絡(luò)及時獲取與發(fā)布交通信息，有效地管理交通基礎(chǔ)設(shè)施與路面交通；

·交通基礎(chǔ)設(shè)施可以自動地根據(jù)路面交通狀況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；

·交通參與者可以獲取更全面的交通信息、出行建議和路上服務(wù)，獲得高效安全的交通服務(wù)；

·在節(jié)能環(huán)保方面，整個交通網(wǎng)絡(luò)更高效率地運(yùn)行將提高能源利用率、減少環(huán)境污染。

為實現(xiàn)如上所述的高效、安全、節(jié)能的交通環(huán)境，面向公路智能交通系統(tǒng)的無線物聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在圖1中可見，最底層是由車內(nèi)傳感器和車載嵌入式設(shè)備以及路邊設(shè)備中的傳感器組成的不同層次和類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)由中間層的通信網(wǎng)，底層傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)可以傳遞到上層應(yīng)用服務(wù)器。在應(yīng)用服務(wù)器中數(shù)據(jù)經(jīng)過融合和處理成為更有效的交通信息，可以為各種重要的交通服務(wù)（如智能物流、交通事故應(yīng)急處理等）所用。同樣的，上層應(yīng)用服務(wù)器也可以通過通信網(wǎng)把生成的交通指令或者其他業(yè)務(wù)指令發(fā)送到底層，以形成上下層的雙向控制。這種數(shù)據(jù)傳遞的雙向性為無線物聯(lián)網(wǎng)在智能交通上的應(yīng)用打下了牢固的基礎(chǔ)。

本文中公路無線物聯(lián)網(wǎng)的整體技術(shù)體系框架如圖2所示，它包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)和公共技術(shù)。

·感知層的數(shù)據(jù)采集主要用于采集公路上物體的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，包括各類車輛的位置信息和行駛狀態(tài)，公路上各類智能移動終端的狀態(tài)，還有一些路邊傳感器的實時數(shù)據(jù)等。公路無線物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、無線通信、多媒體信息采集等技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù)實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織組網(wǎng)以及多個傳感器對數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過程。

·網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，能夠把感知層所采集到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地傳送到公路無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，同時也可以把公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)和指令高效、實時、安全地傳送到感知層的相應(yīng)設(shè)備上；需要傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合。隨著LTE移動通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能夠較好地滿足公路無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

·應(yīng)用層主要包含公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和其他專網(wǎng)。其中移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和其他專網(wǎng)用于支撐跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通的功能。公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括智能導(dǎo)航、智能停車、安全駕駛、智能運(yùn)輸?shù)裙窡o線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 公路無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

·公共技術(shù)不屬于公路無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某個特定層面，而是與公路無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的3層都有關(guān)系，它包括標(biāo)識與解析、安全技術(shù)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。

在公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)中，本文將結(jié)合公路無線物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域內(nèi)的典型應(yīng)用，分析公路無線物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)包括的對象和涉及的單位，闡述公路無線物聯(lián)網(wǎng)中不同部件之間的連接、層級關(guān)系，解釋將公路物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有交通系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的方法和意義，通過以上內(nèi)容論證文中所提公路無線物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的合理性。在具體的公路無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，本文將建立一套示范性的面向智能交通的公路無線物聯(lián)網(wǎng)，研發(fā)相關(guān)硬件設(shè)備，編寫相關(guān)算法與軟件，測試示范應(yīng)用效果。

3 公路無線物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

3.1.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

具體而言，公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的目標(biāo)是在公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例中有效地實現(xiàn)對交通事件應(yīng)對的決策和對交通狀況的評估。從公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和總體技術(shù)框架中可以看出，公路無線物聯(lián)網(wǎng)是一個基于多傳感器的系統(tǒng)，即在公路無線物聯(lián)網(wǎng)中同時存在多個或者多類傳感器從不同的角度來感知交通事件。這樣在公路無線物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用中為了實現(xiàn)有效的交通決策和評估，就需要針對多維數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)或綜合分析。因此為了達(dá)到公路無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層目標(biāo)，基于公路無線物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)將成為支持公路無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要后臺處理技術(shù)之一。

數(shù)據(jù)融合概念是針對多傳感器系統(tǒng)而提出的。多傳感器系統(tǒng)中的一些特性使得數(shù)據(jù)融合技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，這些特性如下：

·信息表現(xiàn)形式多樣；

·數(shù)據(jù)量非常龐大；

·數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系非常復(fù)雜；

·數(shù)據(jù)處理的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性的問題非常突出。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、目標(biāo)跟蹤、身份識別等技術(shù)來解決這些特有問題。

正是由于這些特性，在多傳感器網(wǎng)絡(luò)中就需要更加有效的方法把大量而復(fù)雜的數(shù)據(jù)提升到一個可以被高效使用的層次。離開了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，多傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理將會由于低效和難以使用而成為系統(tǒng)的瓶頸。

在公路無線物聯(lián)網(wǎng)中這些特性同樣存在，譬如在公路無線物聯(lián)網(wǎng)中存在大量不同表現(xiàn)形式的信息來源，如攝像頭產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)、交通燈產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)、車載設(shè)備產(chǎn)生的用戶數(shù)據(jù)等。對這些數(shù)據(jù)的綜合分析和研究判斷往往是高質(zhì)量交通決策和交通狀況評估的基礎(chǔ)。另外，公路無線物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是非常巨大的，如路面上的監(jiān)控攝像設(shè)備需要24 h不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，這會產(chǎn)生大量的實時視頻數(shù)據(jù)可供分析和處理。同時多種傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也是復(fù)雜的，例如車載設(shè)備產(chǎn)生的用戶數(shù)據(jù)（如GPS位置信息、車輛速度信息等）和路邊設(shè)備感知到的信息的關(guān)系將會十分復(fù)雜。最后，在公路無線物聯(lián)網(wǎng)中對數(shù)據(jù)分析的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性的要求特別高。例如在交通危機(jī)管理系統(tǒng)中就要求交通事故能夠在第一時間得到有效的處理。這就要求有效的經(jīng)過融合的交通數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確、無誤地傳達(dá)到控制中心供相關(guān)人員或者設(shè)備進(jìn)行輔助決策之用。

為了支持公路無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用，需要研究和攻關(guān)的關(guān)鍵問題包括：

·數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)的選擇；

·數(shù)據(jù)融合時機(jī)；

·數(shù)據(jù)融合算法。

本文中數(shù)據(jù)融合算法的功能主要由以下幾個部分組成。

·像素級融合：在采集到的原始數(shù)據(jù)層把錯誤的、異常的數(shù)據(jù)以及沒有用的信息剔除掉，進(jìn)行數(shù)據(jù)的凈化處理。

·特征級融合：是指對來自傳感器的原始信息進(jìn)行特征提取，然后對提取的特征信息進(jìn)行綜合分析和處理；在本文中該功能所做的數(shù)據(jù)融合得到的結(jié)果是利用各種判別算法取得的各種來自不同數(shù)據(jù)源的交通狀態(tài)。

·決策級融合：從具體決策問題出發(fā)，充分利用特征級融合的最終結(jié)果，直接針對具體決策目標(biāo)，融合結(jié)果直接影響決策水平。在本文中該功能的目標(biāo)是對按照各種數(shù)據(jù)來源判別出來的交通狀態(tài)進(jìn)行綜合利用，融合得到路段的一致性交通狀態(tài)描述。

公路無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合是為了配合公路無線物聯(lián)網(wǎng)中的新型應(yīng)用的。其應(yīng)用的主要內(nèi)容包括有效地實現(xiàn)對交通事件應(yīng)對的決策和對交通狀況的評估。這項工作是通過公路無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理來完成的。同時無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還有能力整合已有的交通系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來更好地達(dá)到其數(shù)據(jù)管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理主要包括對感知數(shù)據(jù)的獲取、存儲、查詢、挖掘和操作，目的就是把物聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖和網(wǎng)絡(luò)的物理實現(xiàn)分離開來，使用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無需關(guān)心物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。這就要求在無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與無線物聯(lián)網(wǎng)之間有一個中間件來負(fù)責(zé)統(tǒng)籌兩者之間的數(shù)據(jù)輸入輸出。

3.1.2 中間件技術(shù)

中間件的核心概念就是屏蔽底層差別，向上層提供一種統(tǒng)一的接口。當(dāng)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算資源等存在差別時，就需要有中間件。在公路無線物聯(lián)網(wǎng)中，各層次間的差別是明顯的。例如在最底層布設(shè)有多種類型的交通傳感器，這些傳感器不僅基于的硬件不同，所采集的交通數(shù)據(jù)格式也各有不同。這些傳感器的數(shù)據(jù)還需要通過通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳遞到上層應(yīng)用層。如果不給予上層應(yīng)用服務(wù)器（如數(shù)據(jù)融合服務(wù)器）一個統(tǒng)一的接口來獲取/發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器的實現(xiàn)將會十分復(fù)雜且無法具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性。因此構(gòu)建一個關(guān)聯(lián)無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和無線物聯(lián)網(wǎng)本身的中間件也是本文的重要目標(biāo)之一。

目前沒有一個通用的中間件技術(shù)能夠給出通用的中間件接口。中間件在各個領(lǐng)域根據(jù)不同的需求有其各自的實現(xiàn)。圖3是本文提出的公路無線物聯(lián)網(wǎng)中間件的架構(gòu)和中間件與公路無線物聯(lián)網(wǎng)中各模塊的相互關(guān)系。

公路無線物聯(lián)網(wǎng)中間件主要有5大主要功能。

·提供統(tǒng)一接口連接應(yīng)用服務(wù)器 （如數(shù)據(jù)融合服務(wù)器）和交通傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動。

·提供統(tǒng)一接口連接現(xiàn)有交通系統(tǒng)和公路無線物聯(lián)網(wǎng)，為后臺數(shù)據(jù)融合提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持和補(bǔ)充。

·為終端用戶提供訪問交通服務(wù)的接口，把融合后的交通數(shù)據(jù)順暢地提供給終端用戶使用。

·為終端用戶提供基礎(chǔ)能力接口。

·提供面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具和開發(fā)平臺，讓開發(fā)者能夠開發(fā)基于公路無線物聯(lián)網(wǎng)的各類服務(wù)。

3.1.3 終端嵌入式軟件

這些公路無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還需要終端嵌入式軟件的支持。根據(jù)前文提出的公路無線物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，其中主要有兩種終端嵌入式設(shè)備單元，一種為路邊設(shè)備單元，另一種為車載設(shè)備單元。

路邊設(shè)備的功能主要是：

·關(guān)聯(lián)該設(shè)備中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和公路無線物聯(lián)網(wǎng)的上層應(yīng)用；

圖3 公路無線物聯(lián)網(wǎng)中間件

·跟車載設(shè)備進(jìn)行無線通信。

車載設(shè)備的主要功能是：

·連接車載設(shè)備中的無線傳感器與公路無線物聯(lián)網(wǎng)的上層應(yīng)用；

·與其他車載設(shè)備以及路邊設(shè)備進(jìn)行通信，為了實現(xiàn)路邊設(shè)備和車載設(shè)備中的功能，在兩者中需要研制相關(guān)的終端嵌入式軟件。

因此終端嵌入式軟件的功能如下。

·利用短程無線通信技術(shù)，其中包括IEEE 802.11以及IEEE 802.15.4協(xié)議、超寬帶技術(shù)、IPv6技術(shù)，實現(xiàn)車載設(shè)備與車載設(shè)備以及車載設(shè)備與路邊設(shè)備之間的通信。

·利用網(wǎng)關(guān)技術(shù)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，以實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和上層應(yīng)用的互聯(lián)。同時終端嵌入式軟件還需要支持傳輸外線啞資源采集巡檢、任務(wù)派發(fā)和提醒、故障信息排查協(xié)助，軟件要求人機(jī)界面交互友好，功能設(shè)計貼合操作人員的日常操作。軟件還應(yīng)支持后期對業(yè)務(wù)需求的靈活擴(kuò)展，支持靈活升級更新。

傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括了各種各樣的傳感器終端、智能車載終端和路邊設(shè)備單元，組成了一個公路交通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，收集和發(fā)布各種交通信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一張龐大的交通網(wǎng)絡(luò)，它具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸及時等特點(diǎn)。為了滿足公路無線物聯(lián)網(wǎng)高速、大數(shù)據(jù)量的通信需求，將使用先進(jìn)的LTE移動通信網(wǎng)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6互聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)。

3.2 公路物聯(lián)網(wǎng)的無線移動通信關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 LTE技術(shù)

LTE是國際3G標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，是一種專門為移動高寬帶應(yīng)用而設(shè)計的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。國家正在全力推動LTE的創(chuàng)新研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和國際化發(fā)展。LTE作為通信產(chǎn)業(yè)變革期的重要機(jī)遇，主要包含3大特點(diǎn)。

·TD-LTE由我國主導(dǎo)，包含大量我國的專利，同時得到了廣泛的國際支持，成為了國際標(biāo)準(zhǔn)。

·上網(wǎng)速度快，能夠達(dá)到TD-SCDMA技術(shù)的幾十倍，使無處不在的高速上網(wǎng)成為可能。

·產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，與其他國際移動寬帶技術(shù)基本實現(xiàn)了同步發(fā)展，代表著當(dāng)今世界移動通信產(chǎn)業(yè)的最先進(jìn)水平。

LTE系統(tǒng)作為4G技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率為中心目標(biāo)，以O(shè)FDM為核心技術(shù)，采用扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在20 MHz信道寬度下，使下行峰值速率提高到100 Mbit/s。在各種移動通信技術(shù)中，在覆蓋廣度和峰值速率等業(yè)務(wù)性能方面取得了較好的折衷。其中，LTE FDD作為全球主流技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期；而以我國為主的TD-LTE促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)融合，提出了通信產(chǎn)業(yè)“2G跟隨、3G突破、LTE引領(lǐng)”的跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，得到了國際產(chǎn)業(yè)的廣泛支持。

3.2.2 近距離無線通信技術(shù)

近距離無線通信主要是指傳輸距離為100 m以內(nèi)的無線通信，包括超寬帶（ultra wide band，UWB)、近場通信（near field communication，NFC）技術(shù)、超聲波、紅外數(shù)據(jù)協(xié)議 （infrared data association，IRDA）技術(shù)、ZigBee、藍(lán)牙（bluetooth）、射頻識別(RFID)、Wi-Fi技術(shù)、IEEE 802.11p 等，具有低成本、低功耗、小型化等共同特點(diǎn)，是無線個域網(wǎng)（wireless personal area network，WPAN）的主流技術(shù)。由于近距離無線通信面向龐大的個人終端用戶，隨著網(wǎng)絡(luò)向個人終端延伸，家庭、汽車、消費(fèi)電子等網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢，因而近距離無線通信具有巨大的市場需求，被列入我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 （2006-2020年）》16個重大科技專項之一。

IEEE 802.11p（wirelessaccessin the vehicularenvironment，WAVE）是一個由IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充的通信協(xié)議，主要用于車載電子無線通信，工作于5.9 GHz的頻段，并擁有1 000英尺的傳輸距離和6 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。它本質(zhì)上是IEEE 802.11的擴(kuò)充延伸，符合智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system，ITS）的相關(guān)應(yīng)用。應(yīng)用層面包括高速車輛之間以及車輛與ITS路邊基礎(chǔ)設(shè)施 （5.85～5.925 GHz頻段）之間的數(shù)據(jù)交換。IEEE 802.11p將被用在車載通信（或稱專用短距離通信（dedicated shortrange communications，DSRC））系統(tǒng)中，這是美國交通部 （U.S.Department of Transportation）基于歐洲針對車輛的通信網(wǎng)絡(luò)，特別是電子道路收費(fèi)系統(tǒng)、車輛安全服務(wù)與車上的商業(yè)交易系統(tǒng)等應(yīng)用而規(guī)劃的中長距離無線通信CALM （continuousairinterfaceslong and medium range）系統(tǒng)的計劃。IEEE 802.11p對傳統(tǒng)的無線短距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以擴(kuò)展，可以實現(xiàn)對汽車非常有用的功能，包括更先進(jìn)的切換機(jī)制、移動操作、增強(qiáng)安全、識別、對等網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證。最重要的是，在分配給汽車的5.9 GHz頻率上進(jìn)行通信，將充當(dāng)DSRC。從技術(shù)上來看，IEEE 802.11p對IEEE 802.11進(jìn)行了多項針對汽車這樣的特殊環(huán)境的改進(jìn)，如更先進(jìn)的熱點(diǎn)切換、更好地支持移動環(huán)境、增強(qiáng)了安全性、加強(qiáng)了身份認(rèn)證等。目前的車載通信市場很大部分上由手機(jī)通信所主導(dǎo)，但客觀上說，蜂窩通信覆蓋成本比較高昂，提供的帶寬也比較有限。而使用IEEE 802.11p有望降低部署成本，提高帶寬，實現(xiàn)實時收集交通信息等。

3.3 系統(tǒng)實施框架

基于我國公路信息化的新需求以及應(yīng)對這些需求的場景，筆者提出的公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及實施方案如圖4所示。

在方案中，感知層由兩種類型的設(shè)備組成，它們分別是車載設(shè)備和路邊設(shè)備。這兩種設(shè)備以及存在于這兩種設(shè)備中的傳感器組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用基于IEEE 802.11和IEEE 802.15.4等協(xié)議的無線短程通信技術(shù)來完成車內(nèi)設(shè)備間以及車載設(shè)備和路邊設(shè)備間的通信。路邊設(shè)備和車載設(shè)備可以通過LTE技術(shù)接入通信網(wǎng)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)和中間件技術(shù)和上層的應(yīng)用服務(wù)器相連接。

在本文中，公路無線物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的技術(shù)拓?fù)湟约巴ㄐ偶夹g(shù)的協(xié)議棧分別如圖5和圖6所示。

圖4 公路無線物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及實施方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線傳感器網(wǎng)關(guān)組成。每個傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、通信模塊以及供電模塊等組成。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點(diǎn)的角色；網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的橋梁或是翻譯器角色。節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站或路邊設(shè)備單元；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或路邊設(shè)備單元；作為簇頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或路邊設(shè)備單元。與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的特征：

·網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；

·網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁；

·網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯能力。

通過路邊設(shè)備單元的無線傳感器網(wǎng)關(guān)把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和LTE移動通信網(wǎng)有機(jī)、無縫地結(jié)合起來。LTE是專門為移動高寬帶應(yīng)用而設(shè)計的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而且LTE基于全I(xiàn)P架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)也使得與IPv6互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)更加順暢。

公路信息化的新需求以及應(yīng)對這些需求的場景紛繁復(fù)雜，不僅需要在物理實施上利用各種先進(jìn)技術(shù)滿足這些需求，也需要在邏輯層面上對這些需求有一個整體的把握。因此筆者在邏輯上提出了應(yīng)對這些需求的總體數(shù)據(jù)流框架，在這個數(shù)據(jù)流框架的指導(dǎo)下，公路無線物聯(lián)網(wǎng)中的物理設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)可以被放置在相應(yīng)的數(shù)據(jù)流環(huán)節(jié)中，讓其各司其職，使得設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)能夠相互關(guān)聯(lián)和配合，保證了系統(tǒng)在滿足信息化需求方面的完整性和嚴(yán)密性。

4 結(jié)束語

本文研究了公路智能交通的無線移動通信技術(shù)需求和新型的應(yīng)用場景。通過本文的研究，完成了面向公路路網(wǎng)信息化的無線移動通信新應(yīng)用相關(guān)框架設(shè)計，解決了以下問題：

·構(gòu)建了基于IPv6、LTE、短程寬帶無線通信技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的公路無線物聯(lián)網(wǎng)的框架體系；

·研究了公路無線物聯(lián)網(wǎng)中的LTE和短程寬帶無線技術(shù)的特點(diǎn)和對應(yīng)的組網(wǎng)技術(shù)；

·提出了基于中間件技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流分析、融合和挖掘以及公路無線物聯(lián)網(wǎng)智能終端的嵌入式集成技術(shù)。

1 諸瑾文，王藝.從電信運(yùn)營商角度看物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)和發(fā)展．電信科學(xué)，2010(4)

2 趙鈞.構(gòu)建基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營平臺.電信科學(xué)，2010(6)

3 郝鋒鋼.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對通信網(wǎng)絡(luò)的影響.中國有線電視，2012(1)

4 陸化普，史其信.智能交通系統(tǒng)研究發(fā)展動向與啟示.科技導(dǎo)報，1996(10)

5 史其信.中國道路交通的現(xiàn)狀與ITS研究展望.第一屆亞太地區(qū)ITS會議，東京，1996

6 Shi Q X.The present situation of road transportation and expectation of ITS researches in China.Proceedings of the 3rd World Congress on ITS，Orlando，1996

7 史其信，陸化普.中國的ITS的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.第二屆亞太地區(qū)ITS會議，澳大利亞，1997

8 史其信，陸化普.智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究發(fā)展策略.中國土木工程學(xué)會第八屆年會論文集.北京：清華大學(xué)出版社，1998

9 Shi Q X，Lu H P.The conceivability of the ITS development strategy in China.Proceedings of the 5th World Congress on ITS,Seoul,1998