從智能交通系統到車聯網

【摘要】車輛的爆炸式增長給人們帶來便利的同時也使得交通擁堵及安全問題日益突出，建立基于現代通訊網絡和信息技術的智能交通信息系統迫在眉睫。本文介紹了智能交通系統在國內外的發展狀況和趨勢，分析了主要相關技術特點及應用場合，為找到車聯網的發展方向和切入點提供了參考。

【關鍵詞】智能交通車聯網DSRC 802.11差分GPS

一、智能交通的歷史及現狀

智能交通起源于通過信息技術如仿真，實時控制以及通訊網絡來解決來城市交通阻塞問題所作的嘗試。交通阻塞已成為由于城市化和機動化所帶來的世界性問題，并造成交通設施的低效率，大氣污染及燃油消耗增加。智能交通的突出特點是以信息的收集、處理、發布、交換、分析、利用為主線，為交通參與者和管理者提供多樣性的服務。

早在1991年，美國的聯合地面運輸效率法案（ISTEA）開始成立聯邦項目研究開發和測試智能交通系統（ITS）并付諸推廣實施。2006年5月，美國交通部下屬機構研究和創新技術管理局成為美國ITS管理委員會的主管部門并成立ITS戰略規劃組。隨后美國交通部于2009年12月8日發布美國ITS戰略研究計劃（2010-2014），該計劃預計在未來5年中達成美國國內綜合地面運輸體系的愿景，其特征為將車輛，基礎設施和交通參與者連結起來，以撬動使安全，機動性和環境效能最大化的技術。

美國ITS研究的核心是車連網研究（connected vehicle），旨在建立安全的，可互操作的車-車（V2V），車-路（V2I）以及和交通參與者間的（包括其個人通訊設備的）網絡化的無線通訊。1992年，美國材料與實驗協會（ASTM）主要針對不停車收費（ETC）業務提出專用短程通信（DSRC）技術。1999年美國聯邦通信委員會FCC分配75MHz頻譜資源在5.850-5.925GHz頻段區間分配給運輸服務領域專門用于車載短程通信研究，可支持6-25 Mbps傳輸速率，傳輸距離可達到數百米。2002年ASTM通過DSRC標準E2213-02，2003年通過其改進標準E2213-03。在標準E2213-03的基礎之上，2004年，DSRC標準化工作轉入IEEE工作組。IEEE制訂了一套稱為WAVE/DSRC的標準，目標是使其成為下一代智能交通系統網絡的標準，用以改善行車和行人的安全，以及保證在高速車載環境下擁有卓越的通信性能。WAVE是Wireless Access in Vehicular Environments的縮寫。2006年IEEE通過了IEEE 1609.1—1609.4系列標準。2010年7月IEEE 802.11p標準正式發布，該標準是DSRC的物理層和MAC層標準，主要制定了物理層和介質訪問控制層規范。是針對ITS中的相關應用對IEEE 802.11標準的擴充延伸。IEEE 1609工作組基于802.11p標準制定了1609協議族，此協議族制定了鏈路層、網絡層、傳輸層、安全、資源管理規范。美國ITS部門計劃于2010年開始全面部署基于WAVE的智能交通系統基礎。美國政府近期的ITS活動更加聚焦于國土安全。正在建議的很多ITS系統都包含公路監控系統以及大規模人口撤離的需求。2012年8月美國交通部啟動了迄今最大規模的V2X車輛碰撞避免技術的路試，其能夠大幅度避免或減少碰撞事故的危害。

歐洲和日本都相應制定了相關的DSRC標準。歐洲DSRC標準化工作小組CEN/TC278第9工作組于1994年開始DSRC標準的起草工作，1995年，完成歐洲DSRC標準的制定工作。1997年通過了ENV12253 5.8 GHz DSRC物理層、ENV12795 DSRC數據鏈路層和ENN12834“DSRC應用層”標準。隨著歐洲ITS的演進，歐洲于2002年成立了eSafety論壇，旨在推進和加速智能車輛安全系統的開發和研究。2005年3月，論壇成立通訊工作組以定義歐洲智能車輛安全系統的通訊方面，包括頻譜和通訊標準。協同車路系統是eSafety組織下進行的一項重要開發研究項目，目的是設計，開發和測試車路間通訊所需的技術。1997年日本DSRC標準化工作小組TC204委員會完成了DSRC標準制訂工作，2001年和2004年又分別發布了ARIB STD-T75和ARIB STD-T88兩項標準。

日本松下電器在CEATEC JAPAN2006上展出了支持5.8GHz頻段DSRC的新一代ITS車載設備，這種通信系統將過去一直用于ETC的DSRC應用范圍擴展到了其他服務和安全行駛輔助領域，例如，接收交通擁堵信息等等。此外，推出DSRC芯片方案的還有沖電氣工業、東光和TransCore公司。以TransCore公司研制出的Modem為例，它除了具備專用短距離通信功能之外，還能夠實現長距離GPS和衛星通信的功能。據報道，該Modem的GPS精確度可達1米，并提供與汽車之間的多路通信通道，能夠給車輛提供安全服務，且具有自動預警功能，并不受地域限制。

1992年由國際標準化組織ISO設置了TC204，即“運輸信息與控制系統（TICS）技術委員會”，全面負責ITS領域的標準化工作。2001年4月在夏威夷召開的ISO/TC204全體會議上，一致通過將TC204的名稱更改為“智能運輸系統（ITS）技術委員會”。2003年9月，經中國國家標準化管理委員會批準成立“全國智能運輸系統標準化技術委員會”（簡稱ITS標委會），對口國際標準化組織智能運輸系統技術委員會（ISO/TC204）。

1998年，我國交通部ITS中心向交通部無線電管理委員會提出將5.8GHz頻段（5.795～5.815GHz：下行鏈路500Kbps，上行鏈路250Kbps）分配給DSRC技術領域。并于1999年成立國家智能交通系統工程技術研究中心，與智能交通技術交通運輸行業重點實驗室、全國智能運輸系統標準化技術委員會（SAC/TC268）三位一體，構成面向全國智能交通運輸領域技術研究和應用開發的國家級高新技術研發實體。

我國在“十五”科技攻關項目中，把發展DSRC列為重大攻關項目。ITSC于2007年發布GB/T 20851.1～5-2007《電子收費專用短程通信》等DSRC相關系列標準，并推出OBU/RSU樣機。但是，以上標準都有諸多限制，如：數據傳輸速率較低、無法實現車輛之間的通信、RSU設備的覆蓋范圍較窄、不易與傳統Internet融合，從而只能實現有限的智能交通應用，如：不停車收費（ETC）應用等，無法滿足ITS的長遠發展的需要。

二、從智能交通系統到車聯網的技術發展趨勢

近年來，汽車電子技術、計算機處理技術和數據通信傳輸技術得到了迅猛地發展，以及三者之間的相互滲透和融合奠定了通信網絡技術的應用，推動了社會信息化的發展。車輛的爆發式增長和無處不在的信息需求也日益將通信網絡和車輛緊密結合起來，推動了以車為節點的智能交通信息系統———車聯網的建立。

國家“十二五”規劃已明確提出，要發展寬帶融合安全的下一代國家基礎設施，推進物聯網的應用，而在物聯網的分支中，車聯網是最容易形成系統標準、最具備產業潛力的應用之一。車聯網是繼承了互聯網文化的技術產物，強調對現有技術和未來技術的融合，體現了技術的多樣性和包容性。在CVIS中，導航數據也是多種數據源（GPS，DGPS，加速度傳感器，慣性導航，里程表）的數據融合。車聯網所交換的數據例如氣象數據既可以來自車載設備（OBU），車內傳感器，甚至雨刮器的狀態，也可以來自路側設備（RSU）所配置的傳感器，或者是氣象臺站提供的數據。

三、車聯網的關鍵技術

1、通訊技術

在車聯網中，DSRC是智能交通系統所必備的基礎通訊技術。DSRC基于802.11 WiFi協議族，應用成本低，可實現小范圍內視頻、語音和數據的實時、準確、可靠的雙向傳輸，專門用于車輛和道路、車輛與車輛之間的通信。目前以美國的WAVE/DSRC標準發展最為完善。WAVE/DSRC的協議組成由圖1所示。

IEEE 802.11p是從IEEE 802.11a（OFDM physical layer）及IEEE 802.11e（QoS）等IEEE 802.11標準擴充而來的一個通訊標準，主要用于智能交通系統中車輛設備的無線通訊等應用。使用5.9GHz波段。應用層面包括車輛之間（V2V）以及車輛與路邊基礎設施之間（V2I）的高速數據交換。高層標準IEEE 1609以IEEE 802.11p為基礎。IEEE 802.11p有良好的兼容性，和多種已有的DSRC標準兼容，比如E2213-02、CALM M5和IEEE 802.11a。良好的兼容性使其很容易被推廣。IEEE 802.11p具備高速移動性，能夠在高速移動中收發數據。IEEE 802.11p還獲得了美國政府的支持，美國運輸部將負責基礎設施的建設。

IEEE 1609.4（Multi-channel Operation）：協調控制頻道（Control Channel，CCH）與服務頻道（Service Channel，SCH）的多頻道操作，比如優先級管理和頻道的切換控制。

IEEE 1609.3（Networking Services）：此模塊是相對與OSI網絡模型的網絡層與傳輸層，以便提供WAVE/DSRC的網絡服務，可以提供兩個車輛設備之間的通訊，或者車輛設備與路邊設備之間的通訊。

IEEE 1609.2（Security Services for Applications and Management Messages）：此模塊定義了在WAVE/DSRC系統中的安全消息封包格式，以及安全消息封包的處理方式。也定義了WAVE管理消息和應用消息的加密方法，車輛引起的安全消息的異常處理。

IEEE1609.1（Management Networking Service Extension for Resource Class）：此模塊位于應用層，引導信息的交換，定義資源設備（Resource Class Device）與資源管理設備（Resource Manager Device）之間的通訊格式和方法，以便數據消息、命令消息和狀態消息等的封包傳送。

同時應關注802.11的最新發展以及在車聯網中的應用，例如采用第4代無線通訊之多輸入多輸出（MIMO）技術的802.11n在車聯網中應用的可能性。802.11n是IEEE繼802.11b＼a＼g后全新的無線局域網技術，速度可達600Mbps。專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網絡的性能。MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統是一項運用于802.11n的核心技術，它利用多天線來抑制信道衰落。無線電發送的信號被反射時，會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的當前或老系統一次只能發送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時發送和接收多個空間流。它允許天線同時傳送和接收。MIMO接入點到MIMO客戶端同時發送和接收多個空間流。可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO已成為4G通訊遠期演進的必選技術。

2、定位技術

由于智能交通系統的其它項目的開發研究，基本上都離不開車輛定位導航技術，只有在車輛實時準確定位前提下，方能有效地指揮調度車輛，從而保障車輛安全行駛，提高運輸效率。因此從某種意義來講，車輛定位導航技術是實現智能交通系統的主要核心內容，具有較高的研究價值。高精度定位也是車聯網中的關鍵技術之一，如果位置信息的精確度可以達到1米之內，許多精細化導航及管理應用就可以實現，這無論是對于交通參與者和管理者來說都具有重要意義。

目前，可實現的高精度定位技術主要包括超寬頻定位，802.15.4定位和差分定位。

超寬帶UWB（UltdeWide Band）定位是近幾年發展起來的無線定位技術，UWB信號具有抗多徑效應好、定位精度和刷新率高等優點，但UWB一般只能用于進行室內高精度定位。

ZigBee定位采用飛思卡爾許可證的定位檢測硬件核心，系統需要有最少3-8個參考節點組成一個無線定位網采用該核心，可以實現0.25米的定位分辨率和1米左右的定位精度。這個精度，已經大大高于標準衛星定位服務（SPS）的精度，定位時間小于40微秒。但ZigBee技術并不適用于高速移動的行車環境。

差分全球定位系統（Differential Global Positioning System，簡稱DGPS或差分GPS，是一種應用于全球定位系統中用以提高民用定位精度的一種技術。美國政府在GPS的最初設計中，計劃向社會提供兩種服務：精密定位服務（PPS）和標準定位服務（SPS）。精密定位服務的主要對象是美國軍事部門和其它特許民用部門。使用C/A碼和雙頻P碼，以消除電離層效應的影響，使預期定位精度達到10m。標準定位服務的主要對象是廣大的民間用戶。它只使用結構簡單、成本低廉的C/A碼單頻接收機，預期定位精度只達到100m左右。但是，在GPS試驗階段，由于提高了衛星鐘的穩定性和改進了衛星軌道的測定精度，使得只利用C/A碼進行定位的GPS精度達到14m，利用P碼的PPS的精度達到3m，遠遠優于預期定位精度。美國政府考慮到自身的安全，于1991年7月在BlockⅡ衛星上實施SA和AS政策，就是對GPS衛星的基準頻率施加高頻抖動噪聲信號，而這種信號是隨機的，從而導致測量出的偽距誤差增大，其目的是降低GPS的定位精度。

為克服SA政策的影響，發展了差分GPS技術（DGPS），根據差分GPS定位原理，現已建立和發展各類型的差分系統。按照DGPS系統所覆蓋的地理范圍，可分為廣域DGPS（WADGPS）和局域DPGS（LADGPS）。

廣域差分GPS系統（WADGPS）。WADGPS可覆蓋整個國家，其對定位精度的改善與用戶和某一基準站的靠近程度無關。系統較為復雜，一般由國家組織投資建設。現有WADGPS系統包括美國國內的WAAS系統，歐洲境內的EGNOS系統，日本和東南亞境內的MSAS系統，以及印度境內的GA GAN系統。它是利用分布在全世界或全國各地的基準站對GPS進行連續觀測，從而計算出衛星軌道改正數、衛星鐘差改正數和電離層改正數。利用專用大功率電臺或專用衛星將這些改正數發送給用戶。用戶利用這些改正數對測得的觀測量進行修正，最后計算出點位坐標，精度可達到1m。這樣的差分方式定位精度不受距離限制。

局域差分GPS系統（LADGPS）的覆蓋范圍一般在10～100 km，偽距差分定位精度可以達到1 m左右，用戶距離基準站越遠，改善程度越小，但是實現過程相對簡單。這一技術已經成為差分GPS的最主要的技術手段。為了提高定位精度和保持偽距差分的可靠性，出現了準載波相位差分GPS，定位精度可達到50cm。而采用載波相位差分精度可以達到厘米級。

RBN-DGPS系統，這是我國交通部在沿海區域建立的無線電指向標/差分全球定位系統（Radio Beacon-Differential Global Position System）。整個系統由均勻分布在沿海的21個臺站組成，為我國沿海提供差分GPS的24h服務，使用戶在300km海域內接收差分信號，得到5-10m的定位精度。用戶只要擁有一臺信標GPS接收機，就可利用這一免費信號資源，進行實時差分定位。此技術正在得到推廣，但目前國內尚無自主知識產權的DGPS產品，系統實現主要依賴進口。

最近我國各大城市建立了連續運行衛星定位服務系統（Continuous Operational Reference System），如HZCORS，ZJCORS等。CORS系統源于20世紀80年代加拿大提出的主動控制系統， GPS的主要誤差源來自衛星星歷，可以通過一批永久性的參考點，通過這些站點組成的網絡解算出一定區域內的高精度星歷，并給出該區域的系統誤差及改正參數，從而實現更高精度的定位。CORS系統由一個或若干個固定的、連續運行的GPS參考站，利用現代計算機、數據通信和互聯網實時地向不同類型、需求和層次的用戶自動地提供經過檢驗的不同類型的GPS觀測值、各種改正數、狀態信息以及相關GPS服務。

四、結束語

伴隨著經濟的飛速發展，車輛的爆炸式增長給人們帶來便利的同時也使得交通擁堵及交通安全問題日益突出，尤其是在大城市地區，高峰期的交通堵塞為人們的出行帶來極大的不便。傳統的單純依靠現有技術以及人的經驗調度指揮已不能適應我國現代化建設所要求的高效交通系統。因此，以互聯網、物聯網為技術核心，具備自主組網、自主協同和分布式協同為特征的車聯網系統的建立迫在眉睫。

參考文獻

[1] ASTM E2213-03 Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems—5 GHz Band Dedicated Short Range Communications （DSRC） Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications -- ASTM， 2010

[2] IEEE 1609 Series Wireless Access in Vehicular Environments （WAVE） - IEEE， 2012

[3] GB/T 20851電子收費專用短程通信--中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會， 2007