“全智能交通通信网络”技术实现与应用的构想(完整版)

“全智能交通通信网络”技术实现与应用的构想王海舟从2009年的斯德格尔摩世界智能交通大会，欧盟所展示的CVIS系统、日本的Smartway系统、美国的IntelliDriveSM系统，到去年韩国釜山世界智能交通大会“无处不在、透明、可信赖”的主题，无不体现了世界智能交通发展的方向，也展示了通信技术在智能交通中的日趋重要的作用。尽管人们已经认识到通信的重要性，但以车辆传感与车辆检测为出发点，通常仅仅把通信技术当作是实现智能交通的一个重要环节或一项关键技术，从而使我们依据长期实际工作经验，容易得出这样的论断：智能交通发展所受到的阻碍和难题，都不是技术问题。而如果我们完全从通信技术以及从通信服务的视角来重新分析智能交通，可以发现一个截然不同的结论：恰恰是因为没有一个适用于智能交通无线通信技术，没有一个普适性、普惠性的交通通信网络技术，才造成了当前职能部门以及企业之间的技术方案，在实现方向上无法达成一致。更何况，DSRC和RFID技术在路网覆盖规模与该技术所引起的环境射频辐射之间存在无法解决的矛盾；而个人移动通信网络从主观、客观以及技术三个方面均无法支持未来智能交通通信的需求，这也是即便在互联网、3G通信网最为成熟的日本、韩国，近几年的智能交通也是在向“路-车”“车-车”通信方面发展的原因；这也是欧盟CVIS系统、日本SmartWay系统、美国IntelliDriveSM系统没有一个是依靠个人移动通信网络的原因。本人以“简单实现一个完整的、独立的、面向未来发展和服务的交通通信网络”为思想主线，所完成的《全智能交通通信网络》方案，引起了业界的兴趣，这也激发本人进一步对当前无线通信技术中若干关键技术进行调整，并尝试论证和打造一个“适用于交通通信的、具有普适性、普惠性”的无线通信新技术，以此表达这样一个观点：“通信”，是未来智能交通的基础和根本。一、适用于交通通信的无线技术1、CDMA/TDMA无线接口架构我们知道，个人移动通信技术，其技术源本是要解决人们的语音通信的需求。而由于语音业务的即时性和连续性的要求，因此，无论是CDMA技术还是GSM技术，一个无线通信小区的通信资源，最大仅能同时为几十个用户服务。但在交通无线通信中，为了满足行人与车辆的实时安全的需要，为了满足交通管理以获取实时的交通信息采集的需要，为了满足实时的出行诱导服务的需要；交通通信网络必须在交通安全的前提下，且只须在交通安全的前提下，保持每一个车载终端与网络的实时链接和通信。只有能够实现每一个车载终端与路侧信标的实时链接和通信，网络才能够通过实时的通信与测量，获得每一个车辆的实时行驶状况，从而获得整个路网的实时状况，也才能够为每一个车辆提供即时的安全保障，和提供更加详实和科学的道路诱导。这意味着，当车辆高速行驶时，系统需要为其分配更多的通信资源；当车辆慢速行驶时，系统则可以在一个相对较长的时间周期，与车载终端进行通信；而当一个路段出现车辆拥堵时，要求系统有能力在车辆安全的前提下，一个路侧信标更要为高达数千个车载通信终端“同时”提供通信和测量服务。这样一个对系统通信资源数量有巨大需求，同时对终端数据传输是基于安全而不是对连续性有限定的通信系统，完全可以通过对车辆行驶“安全”性的评估（如设：无论速度如何，车辆每前进4米的时间，为一个通信和测量周期），动态均衡通信速率与通信信道资源，来满足任何道路状况下（无论是高速行驶的几百辆还是拥堵时的几千辆）的无线通信需求。鉴于此，对最终未能成为3G标准的CDMA/TDMA的无线通信架构进行修改，可以使之成为最适合交通视距环境下的无线多址通信技术。图1：CDMA/TDMA无线信道架构表1：交通-CDMA/TDMAWCDMACDMA2000TD-SCDMA双工方式FDD+TDDFDD/TDDFDDTDD基站间同步异步异步GPS同步GPS同步功率控制导频估算开环+距离估算开环+慢闭环FDD:开环+快速闭环（1500hz）开环+快速闭环（800hz）开环+快速闭环（200hz）帧结构10ms10ms20ms5ms*2时隙数10157*2扩频前向：Walsh+PN反向：Walsh+PN前向：Walsh+Gold反向：Walsh+Gold前向：Walsh+M序列反向：Walsh+M序列前向：Walsh+PN反向：Walsh+PN调制数据调制：QPSK/BPSK数据调制：QPSK/BPSK扩频调制：QPSK数据调制：QPSK/BPSK扩频调制：QPSK/OQPSKQPSK相干解调前向：专用导频信道反向：专用导频信道前向：专用导频信道反向：专用导频信道前向：公用导频信道反向：专用导频信道前向：专用导频信道反向：专用导频信道上行同步精准同步无无上行同步多速率可变扩频因子，多时隙，多收多发天线（MIMO）技术可变扩频因子和多码RI检测；高速率业务盲检测可变扩频因子和多码盲检测；可变扩频因子多时隙，多码RI检测载波单载波单载波多载波多载波频带450MHZ/800MHZ1900MHZ1900MHZ1900MHZ信道带宽1.8MHZ5/10/20MHZ1.25/5/10/20MHZ1.6MHZChip速率1.536chip/s3.84Mchip/s1.2288Mchip/s1.28Mchip/s接收技术联合检测RAKERAKE联合检测天线技术信标智能天线车载智能天线极化极化基站智能天线2、网络同步以“全智能交通通信网络”为实现目标的、适用于交通无线通信的CDMA/TDMA技术，路侧信标之间将采用异步通信方式，这样，完全不需要依靠GPS进行系统的同步；另外，利用路侧信标与车载终端的精准测距关系，却又可以实现上、下行的精准同步。这样，视距通信环境下的精准上行同步，则可充分利用Walsh码的正交性，消除码间干扰，克服多址干扰，获取更高的增益和容量，并可简化路侧信标的解调设计方案。3、无线资源管理个人移动通信中，系统不会给没有通信需求的手机终端分配专用通信资源。而智能交通中，基于自己和他人的安全和服务需要，每一个车辆都需要实时与路侧信标存在通信和测距关系；因此，覆盖若干公里的路侧信标，需要能够“同时”与少则几百、多则几千辆不同速度的车载终端进行通信。CDMA/TDMA无线结构，能够满足车载通信终端与路侧信标实时的通信测距，使系统可以实时监控车辆的行驶状况，可以获取实时路况信息，并为车辆提供诱导服务、可以为车辆提供实时的安全服务。这样一个无线结构，设一个无线帧长为10ms（分为10个时隙，每个时隙可用于不同的信息和应用数据传输）；由于不存在可闻噪声的担忧，可令上下行的专用数据信道与专用控制信道均为时分复用方式；再设每个小区共有64个码道（设有14个广播和特殊行业信道，50个普通车辆专用信道，以下所有计算均仅以50个码道为计），则路侧信标的通信资源远远高于实际道路能够支持的车辆数量，为系统的安全性提供了较大的冗余：在城区道路拥堵状况下（设车速低于14km/h），在车辆行进一个车长（约4米）的时间内，一个路侧信标可完成与4000个车载终端的通信和测距需求。在一般城区道路中（设车速为40km/h），在车辆行进一个车长（约4米）的时间内，一个路侧信标可完成与2400个车载终端的通信和测距需求。而在高速公路环境中（设车速为126km/h），同样在车辆行进一个车长（约4米）的时间内，一个路侧信标可完成与720个车载终端的通信和测距需求。表2：不同的安全通信周期下，支持车载终端数量示意表如上所述，CDMA/TDMA无线通信结构，可以在“安全”的前提下，为其覆盖的5公里路段中，“同时”满足几千辆低速（小于10km/h）车载设备或近千辆中高速（80km/h~140km/h）车载终端或几百辆超高速车载终端（180km/h~360km/h）的通信测距。而且，通信小区所满足的车辆数量均远远大于道路所能够承载的实际最大车辆的数量。与个人移动通信系统的资源分配不同，车辆的资源分配是以“交通安全”为考量的。下图2可以较为直观地表明CDMA/TDMA无线资源分配的情况：图2车辆F，时速360km/h，与网络每40毫秒（车辆每前行约4米）进行一次测距和通信，一方面，车辆可及时获取道路和相邻车辆的信息，另一方面，使网络获知该车辆行进的状况，以便及时广播给其他相关车辆；车辆H，时速126km/h，与网络每110毫秒（车辆每前行3.85米）进行一次测距和通信。车辆N，时速80km/h，与网络每140毫秒（车辆每前行3米）进行一次测距和通信。车辆L，时速40km/h，与网络每300毫秒（车辆每前行3.7米）进行一次测距和通信。车辆P，时速0~14km/h，与网络每1000毫秒进行一次测距和通信。关于车辆X，仅从图表中分析，可能是车速为180km/h，与网络每80ms（车辆每前行4米）进行一次测距和通信；但也可能是与车辆F相邻，由于车辆F从其后面高速接近，无论车辆X本身的车速快慢，系统为其分配了更多的通信资源，每80毫秒与该车辆通信一次，不断提醒该车辆X：有车辆F正高速接近，建议保持车辆行驶状态，不要做变道等动作，以保证双方的安全。4、空口数据结构定义浅析综前所述，个人移动通信系统至少从无线通信资源分配环节，根本无法实现智能交通的需求；而交通通信网络的CDMA/TDMA技术，以1.536Mchips/s的通信速率，是否能够支持实现一个路侧信标在所设定的覆盖区域内，“同时”与几百辆高速行驶的车辆通信，或与几千辆慢速行驶的车辆通信呢？由设想的空口1.536Mchips/s的通信速率，可以得知1536chips/ms；为有良好的扩频增益，设SF=128，并采用卷积编码（1/2）方式，则一个1毫秒的通信时隙中，可以传输6bit的数据信息；也就是说，一个无线帧（10毫秒）将可以传输60bit的数据信息。这样，已经接入路网中的车载终端，与路侧信标之间的无线通信空口，各个字段可以如下表3描述所示。表3：无线通信与测量的字段描述全智能交通通信网络的下行广播信道，与个人移动通信系统也有较大的不同，需要提及的不同的下行广播信道中，存在一个高速公路下行广播信道，用于路侧信标以每20米为一个单位、以250毫秒为一个通信周期，广播该路侧信标覆盖5公路区域中所有车辆的分布；还存在一个高速公路下行广播信道，用于路侧信标时分复用方式发布车辆紧急事故告警、临时修路、维护和环保工人提醒、道路和服务区指示等信息。由于全智能交通通信网络，其空口数据的用途完全是基于通信与无线测距的需求，因此所传输的数据定义与传统ETC标准的通信内容存在很大的差异。全智能交通通信网络中，车载终端在车辆接入网络时，已经对车辆的属性进行了认证，因而即便是在高速入口收费处，也无需通过空口再一次进行鉴权加密等繁琐的通信流程，而是可由高速公路路侧信标通过有线通信网络访问和查询车辆归属信息即可；此时，仅需要在车载终端在由市区路侧信标切换至高速匝道路侧信标后，对车辆进行道路方向、支付费用的确认即可。在高速入口收费、服务区就餐、住宿、加油等需要支付的地方，全智能通信网络的空口完全能够支持相关的数据通信需求。由于交通的无线通信速率是基于“交通安全”考虑，完全以行驶距离（约每行驶4米）作为通信周期的，而每个通信周期中，空口提供了上行18bit~144bit（SF=128、64、32、16），下行30bit~240bit（SF=128、64、32、16）的应用字段；假设车辆驶入匝道，完成从城市道路切换至高速匝道后，仅需行驶160米（40个通信周期），即可在上行信道与高速入口路侧信标完成720bit（90字节）~5760bit（720字节）的信息传输，而同时，路侧信标在下行信道可以为车载终端提供1200bit（150字节）~9600bit（1200字节）的信息传输。因此，由上述表3中的字段显示，10毫秒的通信周期，可以满足全智能交通通信网络在任何路况下，对于路侧信标和车载终端之间进行实时通信和无线测量的需求；而上述高速入口收费为例的应用描述，进一步说明了前面“无线资源管理”章节中，所构想的CDMA/TDMA无线帧结构完全能够满足交通环境下基本应用的需求。5、小区覆盖、切换、测