智能交通系统中的无线通信技术及其应用

林文蔚

（北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会 北京市 102022）

智能交通系统(ITS)是基于信息和通信技术的一种集成系统，目的是用于提高交通网络的安全性，移动性和效率性。ITS 主要包括处理和共享信息的各种应用程序，最终达到改善交通的管理，缓解拥堵的目的。同时ITS 的主要目标也是通过开发决策系统来节省生命，金钱与时间，改变环境和能源来提高运输系统的性能。

1 ITS的设计背景

中国对ITS 的研究开始于二十世纪九十年代，ITS 领域的广泛研究与发展是为了应对日益增长的交通强度，城市化加快的进程。具体来说ITS 的设计初衷和目标是为了解决道路交通拥堵、交通环境与交通安全等问题[1]。

交通拥堵是城市中的常见问题，当前为达到改善交通，减少交通拥堵的目的，世界各国主要通过三种方法解决交通拥堵问题。一是通过扩大城市交通网络容量，二是采用科学的交通规划管理方法，三是应用以计算机技术和现代通信技术为核心的ITS[2]。

世界卫生组织报告称全世界有1 亿多人死于交通事故，从当前解决交通事故的方案上看，通过车辆之间重要的安全和紧急信息交换，可以避免大多数此类事故，即无线通信技术具有在车辆环境中启用许多与安全相关的应用程序的潜力，以防止碰撞并挽救数千条生命[3]。

高的交通拥堵可能会大大增加交通污染，最终降低空气质量。此类交通污染增加了居住在道路附近的驾驶员，通勤者和个人家庭的发病风险。而拥堵也会改变驾驶方式，最终导致加速和减速的次数增加[4]。

综上所述，建立控制车辆运输的措施非常重要，此类措施对于减少交通拥堵，交通污染以及因人身伤害和死亡造成的道路交通事故的发生具有重要意义。目前已经开发了能够集成广泛系统的ITS，主要包括传感，通信，信息传播和流量控制。

2 无线通信技术的优势

在ITS 中，无线通信技术为其作主要依托。如智能交通数据采集、远程交通控制和应用服务都离不开无线通信技术的支撑。成熟的无线通信技术已广泛应用于传输网和ITS 核心网。以ZigBee 和专用的短距离通信为代表的无线传感器网络技术在智能交通流量数据采集与控制、信号优先和车辆定位等领域全面推广。随着5G 移动通信时代的到来，监测数据传输带宽也得到了提高。此外，谈到交通地理信息系统，它是收集，分析，整合，存储和分析城市交通信息的GIS 技术，而各种交通信息则是提供可视化交通信息服务和交通决策分析处理技术相结合的支持平台。其在智能交通领域的主要应用包括电子地图的应用，路网规划，道路基础设施的维护，交通企业的运营和管理等。通过分析智能交通所需的一些核心技术，不难看到当今信息社会的飞速发展已经能够为世界交通提供必要的技术支持，可实现智能管理。

3 无线通信技术的分类

无线通信技术的分类如图1所示，其中无线通信技术主要包括传统的通信技术和车辆通信技术。

图1：无线通信技术的分类

3.1 传统通信技术

传统通信技术包括基于基础设施的和无基础设施的技术。其中基于基础设施的技术包括蜂窝网络，全球微波接入互操作性，以及数字视频广播和数字音频广播。而无基础设施的技术包括无线局域网，毫米波，ZigBee 与蓝牙。

3.1.1 蜂窝网络

蜂窝网络已存在多年，以低成本和稳定的服务质量提供广泛的服务和全球漫游，该技术在提供公共移动通信服务方面起着重要作用。

在现代时代，大多数网络流量都来自蜂窝设备，并与蜂窝设备交互或发往蜂窝设备。随着我们朝着数十亿自动智能节点的方向发展，这些节点将在未来几年部署，蜂窝网络将成为几乎所有网络流量的最后一跳。这些设备将如何与网络服务交互，如网络流量、视频流、社交媒体和消息传递，这迫使移动运营商将继续改进其核心网络基础设施，并投资于新的移动技术。在之前的研究发展中，蜂窝技术从1G 进化到4G，但前四代无线蜂窝系统无法满足这些数据速率要求，并且延迟明显。但如今移动数据传输研发的新方向已经出现，蜂窝技术的下一次迭代被称为5G，有望实现高传输速率，同时具有极低的延迟和整体上提高的可靠性，这将也是促进智能交通发展的契机。

3.1.2 全球微波接入互操作性

基于IEEE 802.16 标准的全球微波接入互操作性是一种电信技术，旨在以各种方式从点对点链接到完整的移动蜂窝式访问，提供长距离无线数据。

由IEEE 802.16e 定义的移动全球微波接入互操作性提供了对移动性的支持。全球微波接入互操作性提供便携式连接，高速数据以及用于最后一英里宽带访问的电缆的无线替代产品。此外，该潜在技术还可以与蜂窝网络一起使用，作为增加容量的中转站。像蜂窝网络一样，全球微波接入互操作性可以用于V2I 或I2I 远程通信，以向移动用户提供高速网络访问。

此外，全球微波接入互操作性具有宽带宽、低延迟、内置安全机制和服务质量支持。这种架构具有快速、可扩展和具有良好成本效益的部署，将成为交通信号系统的基础，同时将允许新的增值服务来训练控制系统，提高交通运输的安全性。

3.1.3 数字视频广播与数字音频广播

数字广播系统已越来越多地用于各种服务，最重要的是数字广播系统可用于集中广播（如交通管理和道路状况监视应用程序）。数字广播系统包括数字视频广播和数字音频广播，数字视频广播是一个行业领导的联盟，致力于设计一系列标准化技术，该技术的三个关键标准包括DVB-T，DVB-C 和DVB-S，它们分别通过地面，有线和卫星提供节目内容的传送。为了使音频节目数字化，数字音频广播技术也得到了发展，以便提供高质量，无失真的语音信号接收。

3.1.4 无线局域网

无线局域网在进行数据传输时，具有快的速率和高的可靠性，在经过一系列调整，可用于V2V 直接通信。但从目前来看，由于智能手机和平板电脑等移动设备的激增，移动数据流量急剧增加。移动数据流量的这种快速增长可能导致无线网络的严重的网络拥塞。特别是由于所有数据流量都集中在无线局域网中的接入点，接入点可能会严重拥塞，并且很难满足其客户的服务质量。要解决此问题，可考虑在负载平衡机制中调整接入点之间的负载分布，提高密集无线区域网络的资源利用率。

3.1.5 红外

红外具有高度的方向性，高达100 m 的最大数据传输速率（1 Mb/s）和最大的数据可靠性，因此最适合需要特定车道通信的应用。

由于交通数据的多样性，收集数据是一项挑战。传统的数据收集技术也非常昂贵，需要大量的人力，甚至需要很长时间的复杂过程才能获得。如在混合交通条件下，收集交通数据就十分困难。已有研究人员研究发明的红外交通记录仪是一个高度先进的非侵入通监控系统，可以根据车轮底座尺寸和车轴间距检测不同类别的车辆。根据基准线状况对不同交通条件和天气条件下的流量、速度和组成等基本宏观交通参数进行检查。研究发现除交通状况不佳的两轮车和重交通条件下的重型车辆外，红外交通记录仪所记录的车辆的总体精度均在90%以上，速度检测精度也超过90%，车辆分类精度超过95%。

3.1.6 毫米波

无线车辆通信和传感技术是实现更先进的ITS，最终提高交通系统的安全性和效率的关键。在无线通信领域，毫米波技术近来备受关注，为支持大量数据的及时传输提供了丰富的频谱资源。谈到毫米波的概念，毫米波技术是下一代无线技术，可以为电子设备之间的短距离提供高达每秒数千兆的无线连接。这对于车辆应用尤其重要，因为现代车辆上的传感器数量正在迅速增加，从而生成大量数据。

3.1.7 ZigBee

ZigBee 是一种分层协议，用于在 WSAN 中进行数据传播和分布式控制，其包括不同功能和类型的设备，如智能传感器、执行器和数据采集器，ZigBee 也是WSAN 当前的主流技术，其较简单、低功耗、小延迟和可靠性高。ZigBee 支持灵活引入新应用程序，并提供一组可根据传感器节点约束和应用要求进行自定义的机制，此功能是ITS 应用的理想选择。

3.1.8 无线蓝牙

在城市交通中面对的挑战之一是获取有关交通的信息，以确定城市道路上发生的事件状况。已经使用了不同的技术来获取相关交通信息，但是随着车辆数量的增加，这些解决方案无法适应这种变化，因此不足以执行此任务。

在此，无线蓝牙的使用是城市交通中信息获取的一种替代方法，也是ITS 应用开发的一个很好的选择，因为它可以轻松地与其他类型的技术进行集成，并且蓝牙在电子设备中的广泛分布使得无需在车辆中安装设备即可轻松确定城市交通中的变量。

3.2 车辆通信技术

车辆通信技术与传统的通信技术相比，主要特点是支持移动通信和动态通信。车辆通信技术包括用于中远距离通信的通信空中接口和专用的短距离通信/无线访问。

车辆通信网络作为智能交通领域的新研究方向，紧密结合了旅游业和城市建设，形成了一个庞大的无形的网络，与车辆，基站，交通系统和城市建设形成了互补，从而提高了驾驶安全性。可以减少交通事故的发生，提高驾驶效率具有重要的应用价值。

3.2.1 专用的短距离通信

专用的短距离通信通常是指通过专用的短距离通信设备之间的短距离信息交换，用于汽车和ITS 应用的无线技术，例如，位于车辆内部的车载单元，放置在路边的路边单元，或行人携带的手持设备。

3.2.2 无线访问

在过去的几十年中，ITS一直是热门话题。车载环境中的无线访问系统是一种能够提供安全性，效率性和可持续性的无线电通信系统。在车载网络应用中，无线访问系统最重要的用例仍然是车辆之间的通信，以实现防撞应用，即道路安全应用。

3.2.3 用于中远距离通信的通信空中接口

用于中远距离通信的通信空中接口(CALM)是一种多媒体的整合技术。不同的ITS 应用有不同的需求，难以用一个载体支撑所有类型的应用，CALM 在任何地点和时间可以给不同的ITS 应用提供友好的连接服务。

4 总结

ITS 是人类生活和国家的重要组成部分，它支持人类经济，并有助于国家轻松运行。在物联网研究中，ITS 也是一种很好的解决许多交通系统问题的方法，被广泛应用于交通系统研究。ITS 将现有技术与基础结合在一起，两者的组合又为交通问题提供了解决方案。现有技术中，无线通信技术的最新发展促进了ITS 的发展，随着移动技术和无处不在的蜂窝网络的出现，实时车辆跟踪已成为实现高效交通管理的可能。