智能运输系统概论第5章课件

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主审,智能运输系统概论(第三版)普通高等教育“十一五”国家级规划,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,目 录第1章 绪论,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5,5.1,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。,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,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。,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,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,,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,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,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,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。,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.,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,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,,5.2.2 3G,移动通信,3G,(,3rd Generation,)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。,5.2.2 3G移动通信3G(3rd Generation),5.2.2 3G,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。,5.2.2 3G移动通信 3G技术在快速交通事故处理中的应用,5.2.2 3G,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。,5.2.2 3G移动通信 3G技术在交通流诱导系统中的应用随,专用短程移动通信,(,Dedicated Short Range Communications,,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,专用短程移动通信(Dedicated Short Range,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,DSRC是ITS的基础,通过信息的双向传输将车辆和道路有机地,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,RF,61m(200in.),550KB/s,512bit,Amtech,被动,RF,23-30m,(,750,100in.,),300,或,600KB/s,128bit,Siemens,红外,60-80m,(,197,262in.,),125KB/s,256byte,(下行链路,),128byte,(上行链路),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,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,车-路旁的信标类型有三种:(1)定位信标(2)信息信标(3),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,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,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(,Physical Layer,),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,5.2.3 专用短程移动通信DSRC协议是DSRC的基础,美,5.2.3,专用短程移动通信,数据链路层(,Data Link Layer,),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(,Application Layer,),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,5.2.3 专用短程移动通信数据链路层(Data Link,5.2.4,无线射频识别,无线射频识别,(,Radio Frequency Identification,,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,5.2.4 无线射频识别 无线射频识别(Radio Freq,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,5.2.4 无线射频识别 RFID系统主要由3个部分组成:系,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,Passive Tag,,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,Active Tag,,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,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,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,5.2.4 无线射频识别 RFID技术在智能运输系统中的应用,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,5.2.4 无线射频识别 车联网应用RFID应用,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5章 通信技术 概述5.1 交通数据信息源编码研究5.3通,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。,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,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,进行数据通信需要考虑的问题:5.3.2 信源编码的理论基础数,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,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,,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,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,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,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,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,5.3.2 信源编码的理论基础其中,,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,5.3.2 信源编码的理论基础的编码方案一定存在。其中,,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,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,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,。,5.3.2 信源编码的理论基础 编码效率很清楚,只要,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,。,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,5.3.3,车辆饱和度数据流的编码方案,若要,平均码长,接近,信源,的,熵,的,前提,是信源 的,概率分布,已知,。而使,接近,的算法之一就是,霍夫曼,算法,所得到的,编码,就是,最优变长编码,。,1,)时变最优编码,霍夫曼编码,设某,信源概率空间,为:,首先,将,消息符号,按其,出现概率,大小排列,,X,恰好是这种,排列方式,。然后分别把,1,和,0,分配给最后,两个符号,, 分配,1,, 分配,0,,再合并,最后两项,,即,5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案若要平均码长 接近信,5.3.3,车辆饱和度数据流的编码方案,霍夫曼编码,如果出现不按概率大小,顺序排列,,那么必须,重新排序,,使 。,依此类推,,合并,、,建立,新信源,最后可得各,消息符号,的,码字,。,霍夫曼编码,是,非续长码,,消息符号出现,概率最小,时,分配了,最长的码字,,,概率最大,时分配了,最短的码字,,平均码长最短。因此,,编码效率最高,。,时变最优编码,5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案霍夫曼编码时变最优编码,5.3.3,车辆饱和度数据流的编码方案,霍夫曼编码,霍夫曼,算法得到的,平均码长,不一定等于信源的,熵值,。例如:上列中,按公式(,5-4,),平均码长,就等于:,根据公式(,5-2,),信源的熵值,为,编码效率,为:,时变最优编码,5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案霍夫曼编码时变最优编码,5.3.3,车辆饱和度数据流的编码方案,路段饱和度数据的最优编码,对一天中,所有时刻所有路段,的,车辆饱和度百分比,值进行统计,就可以得到,饱和度,百分比的,概率分布,:,其中, 对这样一个,信源,X,,使用,霍夫曼,算法进行,最优编码,,可以得到,饱和度,的,码字节,,其中 的范围为从,0,到,100,。这样,,基站,就可以把由,百分比值,构成的,饱和度数据流,变成编码后的,二进制比特数据流,,然后由,电台,发送出去。,时变最优编码,5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编,5.3.3,车辆饱和度数据流的编码方案,路段饱和度数据的最优编码,对一天中,所有时刻所有路段,的,车辆饱和度百分比,值进行统计,就可以得到,饱和度,百分比的,概率分布,:,时变最优编码,5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编,
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