智能交通系統中的無線通信技術及其應用

林文蔚

（北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會 北京市 102022）

智能交通系統(ITS)是基于信息和通信技術的一種集成系統，目的是用于提高交通網絡的安全性，移動性和效率性。ITS 主要包括處理和共享信息的各種應用程序，最終達到改善交通的管理，緩解擁堵的目的。同時ITS 的主要目標也是通過開發決策系統來節省生命，金錢與時間，改變環境和能源來提高運輸系統的性能。

1 ITS的設計背景

中國對ITS 的研究開始于二十世紀九十年代，ITS 領域的廣泛研究與發展是為了應對日益增長的交通強度，城市化加快的進程。具體來說ITS 的設計初衷和目標是為了解決道路交通擁堵、交通環境與交通安全等問題[1]。

交通擁堵是城市中的常見問題，當前為達到改善交通，減少交通擁堵的目的，世界各國主要通過三種方法解決交通擁堵問題。一是通過擴大城市交通網絡容量，二是采用科學的交通規劃管理方法，三是應用以計算機技術和現代通信技術為核心的ITS[2]。

世界衛生組織報告稱全世界有1 億多人死于交通事故，從當前解決交通事故的方案上看，通過車輛之間重要的安全和緊急信息交換，可以避免大多數此類事故，即無線通信技術具有在車輛環境中啟用許多與安全相關的應用程序的潛力，以防止碰撞并挽救數千條生命[3]。

高的交通擁堵可能會大大增加交通污染，最終降低空氣質量。此類交通污染增加了居住在道路附近的駕駛員，通勤者和個人家庭的發病風險。而擁堵也會改變駕駛方式，最終導致加速和減速的次數增加[4]。

綜上所述，建立控制車輛運輸的措施非常重要，此類措施對于減少交通擁堵，交通污染以及因人身傷害和死亡造成的道路交通事故的發生具有重要意義。目前已經開發了能夠集成廣泛系統的ITS，主要包括傳感，通信，信息傳播和流量控制。

2 無線通信技術的優勢

在ITS 中，無線通信技術為其作主要依托。如智能交通數據采集、遠程交通控制和應用服務都離不開無線通信技術的支撐。成熟的無線通信技術已廣泛應用于傳輸網和ITS 核心網。以ZigBee 和專用的短距離通信為代表的無線傳感器網絡技術在智能交通流量數據采集與控制、信號優先和車輛定位等領域全面推廣。隨著5G 移動通信時代的到來，監測數據傳輸帶寬也得到了提高。此外，談到交通地理信息系統，它是收集，分析，整合，存儲和分析城市交通信息的GIS 技術，而各種交通信息則是提供可視化交通信息服務和交通決策分析處理技術相結合的支持平臺。其在智能交通領域的主要應用包括電子地圖的應用，路網規劃，道路基礎設施的維護，交通企業的運營和管理等。通過分析智能交通所需的一些核心技術，不難看到當今信息社會的飛速發展已經能夠為世界交通提供必要的技術支持，可實現智能管理。

3 無線通信技術的分類

無線通信技術的分類如圖1所示，其中無線通信技術主要包括傳統的通信技術和車輛通信技術。

圖1：無線通信技術的分類

3.1 傳統通信技術

傳統通信技術包括基于基礎設施的和無基礎設施的技術。其中基于基礎設施的技術包括蜂窩網絡，全球微波接入互操作性，以及數字視頻廣播和數字音頻廣播。而無基礎設施的技術包括無線局域網，毫米波，ZigBee 與藍牙。

3.1.1 蜂窩網絡

蜂窩網絡已存在多年，以低成本和穩定的服務質量提供廣泛的服務和全球漫游，該技術在提供公共移動通信服務方面起著重要作用。

在現代時代，大多數網絡流量都來自蜂窩設備，并與蜂窩設備交互或發往蜂窩設備。隨著我們朝著數十億自動智能節點的方向發展，這些節點將在未來幾年部署，蜂窩網絡將成為幾乎所有網絡流量的最后一跳。這些設備將如何與網絡服務交互，如網絡流量、視頻流、社交媒體和消息傳遞，這迫使移動運營商將繼續改進其核心網絡基礎設施，并投資于新的移動技術。在之前的研究發展中，蜂窩技術從1G 進化到4G，但前四代無線蜂窩系統無法滿足這些數據速率要求，并且延遲明顯。但如今移動數據傳輸研發的新方向已經出現，蜂窩技術的下一次迭代被稱為5G，有望實現高傳輸速率，同時具有極低的延遲和整體上提高的可靠性，這將也是促進智能交通發展的契機。

3.1.2 全球微波接入互操作性

基于IEEE 802.16 標準的全球微波接入互操作性是一種電信技術，旨在以各種方式從點對點鏈接到完整的移動蜂窩式訪問，提供長距離無線數據。

由IEEE 802.16e 定義的移動全球微波接入互操作性提供了對移動性的支持。全球微波接入互操作性提供便攜式連接，高速數據以及用于最后一英里寬帶訪問的電纜的無線替代產品。此外，該潛在技術還可以與蜂窩網絡一起使用，作為增加容量的中轉站。像蜂窩網絡一樣，全球微波接入互操作性可以用于V2I 或I2I 遠程通信，以向移動用戶提供高速網絡訪問。

此外，全球微波接入互操作性具有寬帶寬、低延遲、內置安全機制和服務質量支持。這種架構具有快速、可擴展和具有良好成本效益的部署，將成為交通信號系統的基礎，同時將允許新的增值服務來訓練控制系統，提高交通運輸的安全性。

3.1.3 數字視頻廣播與數字音頻廣播

數字廣播系統已越來越多地用于各種服務，最重要的是數字廣播系統可用于集中廣播（如交通管理和道路狀況監視應用程序）。數字廣播系統包括數字視頻廣播和數字音頻廣播，數字視頻廣播是一個行業領導的聯盟，致力于設計一系列標準化技術，該技術的三個關鍵標準包括DVB-T，DVB-C 和DVB-S，它們分別通過地面，有線和衛星提供節目內容的傳送。為了使音頻節目數字化，數字音頻廣播技術也得到了發展，以便提供高質量，無失真的語音信號接收。

3.1.4 無線局域網

無線局域網在進行數據傳輸時，具有快的速率和高的可靠性，在經過一系列調整，可用于V2V 直接通信。但從目前來看，由于智能手機和平板電腦等移動設備的激增，移動數據流量急劇增加。移動數據流量的這種快速增長可能導致無線網絡的嚴重的網絡擁塞。特別是由于所有數據流量都集中在無線局域網中的接入點，接入點可能會嚴重擁塞，并且很難滿足其客戶的服務質量。要解決此問題，可考慮在負載平衡機制中調整接入點之間的負載分布，提高密集無線區域網絡的資源利用率。

3.1.5 紅外

紅外具有高度的方向性，高達100 m 的最大數據傳輸速率（1 Mb/s）和最大的數據可靠性，因此最適合需要特定車道通信的應用。

由于交通數據的多樣性，收集數據是一項挑戰。傳統的數據收集技術也非常昂貴，需要大量的人力，甚至需要很長時間的復雜過程才能獲得。如在混合交通條件下，收集交通數據就十分困難。已有研究人員研究發明的紅外交通記錄儀是一個高度先進的非侵入通監控系統，可以根據車輪底座尺寸和車軸間距檢測不同類別的車輛。根據基準線狀況對不同交通條件和天氣條件下的流量、速度和組成等基本宏觀交通參數進行檢查。研究發現除交通狀況不佳的兩輪車和重交通條件下的重型車輛外，紅外交通記錄儀所記錄的車輛的總體精度均在90%以上，速度檢測精度也超過90%，車輛分類精度超過95%。

3.1.6 毫米波

無線車輛通信和傳感技術是實現更先進的ITS，最終提高交通系統的安全性和效率的關鍵。在無線通信領域，毫米波技術近來備受關注，為支持大量數據的及時傳輸提供了豐富的頻譜資源。談到毫米波的概念，毫米波技術是下一代無線技術，可以為電子設備之間的短距離提供高達每秒數千兆的無線連接。這對于車輛應用尤其重要，因為現代車輛上的傳感器數量正在迅速增加，從而生成大量數據。

3.1.7 ZigBee

ZigBee 是一種分層協議，用于在 WSAN 中進行數據傳播和分布式控制，其包括不同功能和類型的設備，如智能傳感器、執行器和數據采集器，ZigBee 也是WSAN 當前的主流技術，其較簡單、低功耗、小延遲和可靠性高。ZigBee 支持靈活引入新應用程序，并提供一組可根據傳感器節點約束和應用要求進行自定義的機制，此功能是ITS 應用的理想選擇。

3.1.8 無線藍牙

在城市交通中面對的挑戰之一是獲取有關交通的信息，以確定城市道路上發生的事件狀況。已經使用了不同的技術來獲取相關交通信息，但是隨著車輛數量的增加，這些解決方案無法適應這種變化，因此不足以執行此任務。

在此，無線藍牙的使用是城市交通中信息獲取的一種替代方法，也是ITS 應用開發的一個很好的選擇，因為它可以輕松地與其他類型的技術進行集成，并且藍牙在電子設備中的廣泛分布使得無需在車輛中安裝設備即可輕松確定城市交通中的變量。

3.2 車輛通信技術

車輛通信技術與傳統的通信技術相比，主要特點是支持移動通信和動態通信。車輛通信技術包括用于中遠距離通信的通信空中接口和專用的短距離通信/無線訪問。

車輛通信網絡作為智能交通領域的新研究方向，緊密結合了旅游業和城市建設，形成了一個龐大的無形的網絡，與車輛，基站，交通系統和城市建設形成了互補，從而提高了駕駛安全性。可以減少交通事故的發生，提高駕駛效率具有重要的應用價值。

3.2.1 專用的短距離通信

專用的短距離通信通常是指通過專用的短距離通信設備之間的短距離信息交換，用于汽車和ITS 應用的無線技術，例如，位于車輛內部的車載單元，放置在路邊的路邊單元，或行人攜帶的手持設備。

3.2.2 無線訪問

在過去的幾十年中，ITS一直是熱門話題。車載環境中的無線訪問系統是一種能夠提供安全性，效率性和可持續性的無線電通信系統。在車載網絡應用中，無線訪問系統最重要的用例仍然是車輛之間的通信，以實現防撞應用，即道路安全應用。

3.2.3 用于中遠距離通信的通信空中接口

用于中遠距離通信的通信空中接口(CALM)是一種多媒體的整合技術。不同的ITS 應用有不同的需求，難以用一個載體支撐所有類型的應用，CALM 在任何地點和時間可以給不同的ITS 應用提供友好的連接服務。

4 總結

ITS 是人類生活和國家的重要組成部分，它支持人類經濟，并有助于國家輕松運行。在物聯網研究中，ITS 也是一種很好的解決許多交通系統問題的方法，被廣泛應用于交通系統研究。ITS 將現有技術與基礎結合在一起，兩者的組合又為交通問題提供了解決方案。現有技術中，無線通信技術的最新發展促進了ITS 的發展，隨著移動技術和無處不在的蜂窩網絡的出現，實時車輛跟蹤已成為實現高效交通管理的可能。