高速公路通信中移動寬帶無線接入技術的應用探究

陳萬東

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引 言

智能化公路通信系統是將計算機、電子程序控制、數字通信及公路管理等相關技術進行結合，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輸的安全、能夠最佳優化公路的使用效率。

近年來，中國在公路領域中使用移動無線寬帶進行通信取得不斷進步，尤其是在公路實時運行的數據管理、公路運行信息采集整理、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用平臺以及應用框架，同時在很多省市高速公路的通信系統中進行了相應的使用，在其公路交通管理上取得了非凡成績。可是，分析當前公路的通信系統不難發現，我國大部分公路交通通信系統還處于收集公路運行信息并進行相應處理的程度，主要通過電子信息指示牌與廣播進行信息提示發布，只局部使用了無線通信系統進行通信服務。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，司機不能實時獲得大量信息，公路交通的優化利用不能得到有效實施。在智能化的公路交通信息系統中，行駛的車輛與公路管理能夠實時進行大量信息的交換。因此，公路通信系統必須應用相應的移動無線寬帶技術，完善公路運營系統的高效通信[1]。

本文通過在高速公路引入移動無線寬帶技術，使公路行駛的車輛之間以及公路管路部門之間通過網絡達到互聯，進而實現對公路的通信交換的服務。

1 當前高速公路的網絡通信存在的問題

1.1 吞吐量的問題

當前公路現有通信設備已經達到自身設備信息處理極限能力，有些甚至超出自身設備信息處理能力，公路通信設備已經制約了公路交通運行的管理。要想達到公路交通管理的實際需要，必須采用與之相應，甚至超出現有通信量的設備，移動無線寬帶技術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，只有在無線網絡的管理層面才具有相應的安全保證。在公路無線信息通信過程中，雖然無線網絡具有信息傳輸便捷的優勢，但是由于用戶共同使用一個頻帶，存在保密性不高的問題。必須接收信息的設備與發送信息的設備進行跳頻與擴頻才能解析信息時，公路的信息系統才能得到保密性的保證。但是，由于跳頻、擴頻技術不能在單頻傳輸中使用，因此相關單位需要開發出針對公路信息系統的動態保密程序，不僅能降低成本，而且能滿足信息傳輸的保密性[2]。

1.3 公路基站通信的部署問題

公路區域基站的覆蓋量是衡量無線移動通信質量好壞的標準。公路移動無線寬帶的業務量具有不均衡的特點，將導致通信系統的運營性能的降低。例如，在公路通信業務相對稠密的區域，因為各種干擾的增多，通信服務的質量相對會有所降低；在公路通信服務相對較少區域，其通信服務的質量會出現過剩。對公路進行各區域通信覆蓋檢測，并與維修部門所掌握的信息結合，就能得出各區域信息通信業務量的均衡參考數據，從而確定出基站的使用功率、基站天線應具有的高度、基站天線傾角等各項基站的參數。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，會加大信號傳輸的盲區。在引入移動無線寬帶技術中，必須依據公路環境，選擇相應的基站類型和天線，從而適應公路自身的環境，進而滿足客戶的要求，合理優化資源。

2 高速公路移動無線寬帶技術的引入

隨著社會的不斷發展，高速公路的需求與建設也隨之增長，公路通信對信息傳輸的移動性與多媒體服務需求迅速增高。IEEE802.11無線的局域網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進行大量信息傳輸交換需求[3]。

2002年，公路通信系統引入802.20移動無線寬帶技術。該技術能夠實現無線實時數據的傳輸，能夠為行駛速度在250km/h的車輛進行1Mb/s的數據傳輸。該技術具有信號覆蓋范圍大、與高速行駛車輛進行數據傳輸時信號穩定的優勢。此外，該技術還支持小區快速切換的功能，從而解決了無線WLAN局域網漫游難題。

802.20 的核心是OFDM。OFDM技術主要是將高速數據信息，通過串口、并口分配到各子信道，由于子信道傳輸的速度相對低一些，所以可減輕多信道傳輸的時延造成系統彌散現象。此外，可利用接入大信道時延保護，最大程度地消除多信道產生的信號干擾影響。OFDM具有抗頻率衰減的特性，適應在多路徑與衰減的公路環境中進行高速、大流量的數據信息傳輸，能隨時增容，并且還能適用于多媒體的通信業務，能夠進行大容量多媒體信息的傳輸，其系統原理如圖1所示。

圖1 OFDM系統原理

OFDM技術最大的優點是能夠快速對傳輸的信息進行解調與調制，進而簡化系統的工作流程。每個OFDM包含多個合成調制信號，OFDM系統解調與調制是通過FFT/DFT進行運算[4]。OFDM利用DFT高速運算，將頻域符號的數據轉變成時域符號的數據，利用載波射頻調制后傳送于無線的信道。每個DFT所輸出的符號數據都是通過載波進行疊加形成的數據，為了能夠使轉變信號前后的功率不變，其DFT定義公式為：

3 OFDM系統化的仿真

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

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

仿真實驗的過程中，因為信號傳輸與接收存在相互運動關系，會出現傳輸信號路徑發生改變，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下的信噪比、誤碼率的曲線分析進行研究，車輛行駛的速度通過多普勒的頻移反映出來，設定載波的頻率是2.5GHz。

通過OFDM系統化的仿真可知，OFDM技術能夠較好制約誤碼情況的發生，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產生的影響逐漸加大，接收的信號會出現彌散頻率的現象，并出現時間衰落的情況也逐漸加大，從而使系統的總體性能發生下降。雖然出現上述情況，但在車輛高速行駛狀態時，本系統仍然保證曲線相對平穩，能夠很好保證系統整體穩定性[5,6]。因此，通過仿真實驗證明，OFDM系統能夠很好地適用于公路的交通通信系統。

表1 A、B信道參數

4 結 論

本文根據公路信息系統所具有的特點以及無線移動寬帶技術，通過OFDM系統化的仿真實驗，研究證明了移動無線寬帶技術在公路交通信息系統中的應用具有非常大的潛力，今后在公路交通通信領域移動無線寬帶技術將成為必然的發展趨勢。