高速公路通信中移動寬帶無線接入技術(shù)的應(yīng)用探究

陳萬東

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引 言

智能化公路通信系統(tǒng)是將計算機(jī)、電子程序控制、數(shù)字通信及公路管理等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，其高效的通信能力能夠使公路資源得到最大化的利用、能夠最大程度地保證公路運(yùn)輸?shù)陌踩?、能夠最佳?yōu)化公路的使用效率。

近年來，中國在公路領(lǐng)域中使用移動無線寬帶進(jìn)行通信取得不斷進(jìn)步，尤其是在公路實時運(yùn)行的數(shù)據(jù)管理、公路運(yùn)行信息采集整理、公路通信信息的分類等方面獲得不錯成績，并且逐步形成了移動無線寬帶應(yīng)用平臺以及應(yīng)用框架，同時在很多省市高速公路的通信系統(tǒng)中進(jìn)行了相應(yīng)的使用，在其公路交通管理上取得了非凡成績?？墒?，分析當(dāng)前公路的通信系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，我國大部分公路交通通信系統(tǒng)還處于收集公路運(yùn)行信息并進(jìn)行相應(yīng)處理的程度，主要通過電子信息指示牌與廣播進(jìn)行信息提示發(fā)布，只局部使用了無線通信系統(tǒng)進(jìn)行通信服務(wù)。這種方式存在很大的缺陷，因為公路行駛的車輛與公路管理無法形成實時的信息交換，司機(jī)不能實時獲得大量信息，公路交通的優(yōu)化利用不能得到有效實施。在智能化的公路交通信息系統(tǒng)中，行駛的車輛與公路管理能夠?qū)崟r進(jìn)行大量信息的交換。因此，公路通信系統(tǒng)必須應(yīng)用相應(yīng)的移動無線寬帶技術(shù)，完善公路運(yùn)營系統(tǒng)的高效通信[1]。

本文通過在高速公路引入移動無線寬帶技術(shù)，使公路行駛的車輛之間以及公路管路部門之間通過網(wǎng)絡(luò)達(dá)到互聯(lián)，進(jìn)而實現(xiàn)對公路的通信交換的服務(wù)。

1 當(dāng)前高速公路的網(wǎng)絡(luò)通信存在的問題

1.1 吞吐量的問題

當(dāng)前公路現(xiàn)有通信設(shè)備已經(jīng)達(dá)到自身設(shè)備信息處理極限能力，有些甚至超出自身設(shè)備信息處理能力，公路通信設(shè)備已經(jīng)制約了公路交通運(yùn)行的管理。要想達(dá)到公路交通管理的實際需要，必須采用與之相應(yīng)，甚至超出現(xiàn)有通信量的設(shè)備，移動無線寬帶技術(shù)就是解決的有效方法。

1.2 保密性的問題

無線通信的信息傳送是開放性的，只有在無線網(wǎng)絡(luò)的管理層面才具有相應(yīng)的安全保證。在公路無線信息通信過程中，雖然無線網(wǎng)絡(luò)具有信息傳輸便捷的優(yōu)勢，但是由于用戶共同使用一個頻帶，存在保密性不高的問題。必須接收信息的設(shè)備與發(fā)送信息的設(shè)備進(jìn)行跳頻與擴(kuò)頻才能解析信息時，公路的信息系統(tǒng)才能得到保密性的保證。但是，由于跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)不能在單頻傳輸中使用，因此相關(guān)單位需要開發(fā)出針對公路信息系統(tǒng)的動態(tài)保密程序，不僅能降低成本，而且能滿足信息傳輸?shù)谋Ｃ苄訹2]。

1.3 公路基站通信的部署問題

公路區(qū)域基站的覆蓋量是衡量無線移動通信質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)。公路移動無線寬帶的業(yè)務(wù)量具有不均衡的特點，將導(dǎo)致通信系統(tǒng)的運(yùn)營性能的降低。例如，在公路通信業(yè)務(wù)相對稠密的區(qū)域，因為各種干擾的增多，通信服務(wù)的質(zhì)量相對會有所降低；在公路通信服務(wù)相對較少區(qū)域，其通信服務(wù)的質(zhì)量會出現(xiàn)過剩。對公路進(jìn)行各區(qū)域通信覆蓋檢測，并與維修部門所掌握的信息結(jié)合，就能得出各區(qū)域信息通信業(yè)務(wù)量的均衡參考數(shù)據(jù)，從而確定出基站的使用功率、基站天線應(yīng)具有的高度、基站天線傾角等各項基站的參數(shù)。需注意，降低通信基站的功率以及天線的高度，加大天線傾角將會縮小基站通信覆蓋的范圍，會加大信號傳輸?shù)拿^(qū)。在引入移動無線寬帶技術(shù)中，必須依據(jù)公路環(huán)境，選擇相應(yīng)的基站類型和天線，從而適應(yīng)公路自身的環(huán)境，進(jìn)而滿足客戶的要求，合理優(yōu)化資源。

2 高速公路移動無線寬帶技術(shù)的引入

隨著社會的不斷發(fā)展，高速公路的需求與建設(shè)也隨之增長，公路通信對信息傳輸?shù)囊苿有耘c多媒體服務(wù)需求迅速增高。IEEE802.11無線的局域網(wǎng)由于其覆蓋能力有限，在公路信息通信中不能滿足車輛在高速行駛狀態(tài)進(jìn)行大量信息傳輸交換需求[3]。

2002年，公路通信系統(tǒng)引入802.20移動無線寬帶技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無線實時數(shù)據(jù)的傳輸，能夠為行駛速度在250km/h的車輛進(jìn)行1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)具有信號覆蓋范圍大、與高速行駛車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時信號穩(wěn)定的優(yōu)勢。此外，該技術(shù)還支持小區(qū)快速切換的功能，從而解決了無線WLAN局域網(wǎng)漫游難題。

802.20 的核心是OFDM。OFDM技術(shù)主要是將高速數(shù)據(jù)信息，通過串口、并口分配到各子信道，由于子信道傳輸?shù)乃俣认鄬Φ鸵恍?，所以可減輕多信道傳輸?shù)臅r延造成系統(tǒng)彌散現(xiàn)象。此外，可利用接入大信道時延保護(hù)，最大程度地消除多信道產(chǎn)生的信號干擾影響。OFDM具有抗頻率衰減的特性，適應(yīng)在多路徑與衰減的公路環(huán)境中進(jìn)行高速、大流量的數(shù)據(jù)信息傳輸，能隨時增容，并且還能適用于多媒體的通信業(yè)務(wù)，能夠進(jìn)行大容量多媒體信息的傳輸，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理

OFDM技術(shù)最大的優(yōu)點是能夠快速對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行解調(diào)與調(diào)制，進(jìn)而簡化系統(tǒng)的工作流程。每個OFDM包含多個合成調(diào)制信號，OFDM系統(tǒng)解調(diào)與調(diào)制是通過FFT/DFT進(jìn)行運(yùn)算[4]。OFDM利用DFT高速運(yùn)算，將頻域符號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成時域符號的數(shù)據(jù)，利用載波射頻調(diào)制后傳送于無線的信道。每個DFT所輸出的符號數(shù)據(jù)都是通過載波進(jìn)行疊加形成的數(shù)據(jù)，為了能夠使轉(zhuǎn)變信號前后的功率不變，其DFT定義公式為：

3 OFDM系統(tǒng)化的仿真

使用軟件Matlab7.0對OFDM進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)性能的仿真實驗。在進(jìn)行仿真過程中，本文使用IEEE802.20無線寬帶接入系統(tǒng)抽頭延遲線作為車輛信道參數(shù)，使用其中信道Vehicular-a以及Vehicular-b進(jìn)行相應(yīng)仿真操作，其中信道信號衰落值設(shè)定為0。

仿真實驗過程中，用編碼Reed-Solomon實時改正出現(xiàn)的誤碼和差錯。表1是A信道與B信道延遲參數(shù)。

仿真實驗的過程中，因為信號傳輸與接收存在相互運(yùn)動關(guān)系，會出現(xiàn)傳輸信號路徑發(fā)生改變，所以信道是實時變化的。在仿真過程中，是通過在A信道與B信道中各車輛不同行駛狀態(tài)下的信噪比、誤碼率的曲線分析進(jìn)行研究，車輛行駛的速度通過多普勒的頻移反映出來，設(shè)定載波的頻率是2.5GHz。

通過OFDM系統(tǒng)化的仿真可知，OFDM技術(shù)能夠較好制約誤碼情況的發(fā)生，將誤碼率控制在很低水平。隨著公路行駛車輛行駛速度的不斷升高，多普勒的頻移對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響逐漸加大，接收的信號會出現(xiàn)彌散頻率的現(xiàn)象，并出現(xiàn)時間衰落的情況也逐漸加大，從而使系統(tǒng)的總體性能發(fā)生下降。雖然出現(xiàn)上述情況，但在車輛高速行駛狀態(tài)時，本系統(tǒng)仍然保證曲線相對平穩(wěn)，能夠很好保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定性[5,6]。因此，通過仿真實驗證明，OFDM系統(tǒng)能夠很好地適用于公路的交通通信系統(tǒng)。

表1 A、B信道參數(shù)

4 結(jié) 論

本文根據(jù)公路信息系統(tǒng)所具有的特點以及無線移動寬帶技術(shù)，通過OFDM系統(tǒng)化的仿真實驗，研究證明了移動無線寬帶技術(shù)在公路交通信息系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常大的潛力，今后在公路交通通信領(lǐng)域移動無線寬帶技術(shù)將成為必然的發(fā)展趨勢。