（通信与信息系统专业论文）智能化城市公共交通信息系统无线传输技术的研究.pdf

摘要 摘要 为了解决城市交通发展中出现的各种问题，智能交通系统( i t s ) 的研究和 开发越来越受到重视，采用通信技术、自动化技术及计算机技术等现代化高新 技术来系统地解决城市交通问韪成为研究的热点智能化城市公共交通信息系 统是i t s 的一个子系统，用于采集和分析公交车运营过程中的相关信息，在城 市公共交通管理中具有重要作用。 首先对r r s 的特点及国内外发展情况进行了分析，对国际上专门开发的适 用于i t s 领域的短距离通信协议专用短程通信( d s r c ) 协议进行了研究， 借鉴其系统结构、协议设计方面的思路。以此为基础对智能化城市公交信息系 统进行了总体设计，着重分析了数据控制中心的工作原理，根据应用需求完成 了功能设计。 智能化城市公交信息系统的关键是无线传输技术，建立了专用的无线通信 网传输各公交车采集到的运营数据。根据信道接入方式的不同，设计了轮询呼 叫接入和广播呼叫接入两种方式，制定了相应的数据通信协议，并完成了数据 控制中心的软件设计。以智能化城市公交信息系统试用阶段的测试数据为参考， 从传输时间、系统复杂度、工作效率、误码率、系统容量等方面对轮询呼叫接 入方式和广播呼叫接入方式的性能进行了比较，结果表明两种接入方式各有特 点，适用于不同的条件和场合，符合系统设计要求；从性能上看广播呼叫接入 方式优于轮询呼叫接入方式。 针对系统在轮询呼叫接入和广播呼叫接入方式下存在抗干扰能力不强的问 题，研究了采用纠错编码的无线传输技术，对卷积码和t u r b o 码的编译码算法进 行了具体应用研究，并通过m a t l a b 对增加纠错编码后的智能化城市公交信息 系统进行了仿真分析了在智能化城市公交信息系统中增加纠错编码的可行性 和实施方案。 关键词：d s r c 协议，轮询接入，广播接入，卷积码，t u r b o 码 a b s t t a c t a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e m si nt h ed e v e l o p m e n to fc i t yt r a n s p o r t a t i o n s ，t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i tb e c o m e sah o t s p o tt ou s ec o m m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i z a t i o na n dc o m p u t e r t e c h n o l o g i e st os e t t l et h ep r o b l e m so fc i t yt r a n s p o r t a t i o n s i n t e l l i g e n tc i t yp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e mi sas u b s y s t e mo fi t s ，a n di ti su s e dt oc o l l e c ta n d a n a l y z et h er e l a t e di n f o r m a t i o na b o u tv e h i c l e st r a n s p o r t a t i o n t h i ss y s t e mi sv e r y i m p o r t a n ti nt h em a n a g e m e n to f c i t yp u b i ct r a n s p o r t a t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl t sa n di t sd e v e l o p m e n ta l lo v e rt h ew o r l da r ea n a l y z e d t h ep r o t o c o lo fd e d i c a t e ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o nw h i c hi su s e di nt h ef i e l d so f i t si sr e s e a r c h e d ；s o m ei n f o r m a t i o na b o u ts y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o ld e s i g ni s r e f e r r e d t h e no v e r a l ld e s i g no fi n t e l l i g e n tc i t y p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o n s y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n dt h ef u n c t i o n a ld e s i g no f d a t ac o n t r o lc e n t e ri sc o m p l e t e d n ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi st h ek e yp a r to fi n t e l l i g e n tc i t yp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m 。s p e c i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki s e s t a b l i s h e dt ot r a n s m i tt h ed a t ao fv e h i c l e s t w oc h a n n e la c c e s sm o d e sa r ed e s i g n e d ， w h i c ha r er o l l - c a l la c c e s sa n db r o a d c a s ta c c e s s t h e nt h es o f t - w a r ed e s i g no fd a t a c o n t r o lc e n t e ri sc o m p l e t e d r e f e r r e dt ot h et e s t i n gd a t ad u r i n gt h ee x p e r i m e n to f t h e s y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo fr o l l - c a l la c c e s sa n db r o a d c a s ta c c e s sa r ec o m p a r e d t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tr o l l c a l la c c e s sa n db r o a d c a s ta c c e s sc a nb eu s e di nd i f f e r e n t s i t u a t i o n sa n db o t hs a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，a n db r o a d c a s ta c c e s si sb e t t e rt h a n r o l l c a l la c c e s si ns o m ea s p e c t s t or e s o l v et h ep r o b l e mo fh i g he r r o rr a t ei nt h ee x i s t i n gs y s t e m ，t h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do ne r r o rc o r r e c t i o nc o d ei sr e s e a r c h e d t h ec o d i n ga n d d e c o d i n ga l g o r i t h m so fe o n v o l u t i o n a lc o d ea n dt u r b oc o d ea r ea n a l y z e d ；t h e nt h e o p t i m i z e ds y s t e mb a s e do ng r r o rc o r r e c t i o nc o d ei ss i m u l a t e di nm a t l a b t h e f e a s i b i l i t ya n de x e c u t i v ep l a no f a d d i n ge r r o rc o r r e c t i o nc o d ei sa n a l y z e di nt h ee n d k e yw o r d s ：d s r c ，r o l l - c a l la c c e s s ，b r o a d c a s ta c c e s s ，c o n v o l u t i o n a lc o d e ，t u r b oc o d e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 2 兰 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月e t年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第1 章引言 第1 章引言 1 1 智能化交通信息系统的发展 随着经济的快速发展，城市的机动车辆不断增加，导致城市交通流量不断 加大，交通事故频发，交通拥挤程度正在日益加剧。仅仅依靠交通基础设施的 建设已经不能满足城市交通需求，为了解决这一系列问题，近年来各国都比较 重视对交通系统管理和控制技术的研究和开发，致力于采用通信技术、自动化 技术及计算机技术等现代高新技术来系统地解决道路交通问题【1 1 。于是提出了智 能交通系统( i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的概念。 自从智能交通系统的概念提出之后，美国、e t 本、欧盟都投入了巨大力量 研究开发及应用智能交通系统，要在2 1 世纪最大产业之一的i t s 领域拥有更大 的份额1 2 j 。目前北美、欧洲诸国及日本等西方国家在i t s 的发展方面处于明显的 领先地位。 目前各国i t s 的应用情况如下：美国i t s 应用发展较快的几个方面分别是 车辆安全系统，电子收费、公路及车辆管理系统、实时自动定位系统、商业车 辆管理系统p j f 4 j 。日本已经有近4 0 0 万套车内导航系统在市场上应用，日本的i t s 应用主要是在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆管理以及紧急车 辆优先等方面。欧洲在i t s 应用方面的进展，介于日本和美国之间。由于欧洲 各国政府的分散投资和各国的i t s 需求不一致，在整个欧洲建立统一的交通信 息服务系统困难重重。然而在开发先进的旅行信息系统、先进的车辆控制系统、 先进的商业车辆运行系统及先进的电子收费系统方面，前景十分诱人。除了欧、 美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始i t s 的全面开发和研究，如 韩国制定了全面的i t s 框架结构和发展计划；新加坡已经在全国开始推行不停 车电子收费；中东的一些国家也开始讨论本国智能交通系统的研究计划。 中国在i t s 方面的开发和应用尚处于起步阶段，进行了一些有成效的基础 性工作。从行业管理的角度来看，这项工作一直是由国家科委牵头，参加的部 门有交通部、铁道部、建设部、电子工业部等。在业务的对外交流方面，我国 1 9 9 5 年起就与欧盟正式开始接触，并于1 9 9 7 年6 月在北京举行了首届“欧洲 中国i t s ”会议。在系统的实际开发和应用方面，我国已有了不少实际成果【5 1 ， 第l 章引言 在局部地区形成了i t s 的雏形，或实现了i t s 系统的部分功能。其中最主要的 是电子收费系统，全国已有不少省份或城市开始采用或试行这种先进的管理方 式。如广东省的佛山市，从1 9 9 6 年开始在该市周围的2 3 个收费站点推行电子 收费系统，提高了道路的通过能力，降低了空气污染。同样，在一些高等级公 路上也出现了类似的收费系统，结合交通工程在新建的高速公路旁一般都埋设 了光纤等信号传输线路，有些还安装了车辆探测装置和可变式信息显示装置， 便于其后的交通控制、管理和服务。此外，在引进国外先进技术和产品的同时， 我国也开始与外国的厂商建立合资企业，生产i t s 的产品。 1 2 智能化城市公共交通信息系统的特点 i t s 通过对有关交通信息的采集、传输和处理，把握当前交通运行状况以及 预测未来的交通状况，借助多种手段和设备对各种交通情况进行处理。通过有 力的信息交流手段，使用户迅速获知交通信息，从而有效地提高交通效率和安 全，并使交通设施得到充分利用，实现交通系统的集约式发展【6 1 。总括来说，i t s 是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计 算机处理技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种大范围 内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统用。 i t s 具有不同的技术组成部分，主要包括如下几方面1 8 1 ： ( 1 ) 交通检测技术：通过感应圈、红外、微波、闭路电视摄像、卫星定位 技术，对交通车辆、道路进行检测，收集交通数据和图像信息。 ( 2 ) 交通控制技术：包括先进的交通信号系统、匝道信号控制、信号灯控 制等技术。 ( 3 ) 通信技术：包括密集波分复用技术、光纤传输及接入技术、无线传输 技术等。 ( 4 ) 数据处理：车流数据、收费数据、监控信息数据等数据的处理。 ( 5 ) 信息提供：提供出行信息，如交通状况、最佳行车路线等。 毋庸置疑，公共交通在城市交通中占有相当人的比重，它作为人运量城市 交通方式，在城市交通中发挥着重要作用1 9 】。改善公交系统的运营状态，提高运 营效率和服务水平，对于缓解日益紧张的城市交通局面有着非常重要的作用， 大力发展公共交通是未米城市发展的趋势。凶此在城市交通中运用i t s ，首先考 2 第1 章引言 虑的就是城市公交系统的智能化。在发展智能公交系统的过程中，车辆的运行 信息是智能公交系统向出行者和驾驶员提供各种服务信息的基础，可见公交信 息系统是实现智能化公交系统的第一步。智能化城市公交信息系统就是本文的 研究对象。 1 3 智能化城市公共交通信息系统的无线传输技术 在智能化城市公交信息系统中，如何将采集到的公交运营信息传送到数据 控制中心的计算机是系统实现的一个关键问题。早期系统中采用i c 卡记录公交 运营信息，然后用读卡器将i c 卡中的数据传送到计算机，这种方式效率比较低， 自动化程度不高，因而应用不广泛。另一方面，无线传输技术的快速发展促进 了城市公交信息系统智能化水平的进一步提高。 在智能化城市公交信息系统中用于传输数据的无线通信平台主要分为 两类：利用g p r s 、g s m 等无线公共数据网，该方式具有覆盖面大、系统维 护量小等优点，但它的实时性较差，而且需要租用g s m 带宽，所以投资成本相 应较大；系统专用无线通信网。 若采用方式则城市公交信息系统会受到g s m 等网络性能的影响，具有依 赖性，造成独立性不够好，因此很多城市都采用方式。例如，大连智能公交 管理系统通过g p s 卫星定位技术和大连公交无线通信专网，对公交车的运行速 度、位置、客流量进行实时监控并同步传输信息和数据，对运营调度、计划统 计、车辆技术等实施网络化管理。深圳从美国摩托罗拉公司引进了先进的全数 字集群通信系统，它集调度功能、移动电话、数据传输和短信息传输于一体， 其低功率、大容量、宽域覆盖的特点，使其有能力担当未来深圳智能公交系统 中通信体系核心的重任：以其为核心的“深圳市交通通信服务专网”是未来深 圳公交智能化的通信系统基础。本文所研究的智能化城市公交信息系统也是采 用方式实现数据的无线传输，即组建专用无线通信网。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文主要对目前应用需求不断增加的智能化城市公交信息系统进行研究， 以无线传输技术在该系统中的应用和实现为着眼点，分析解决总体设计及软件 实现过程中的问题，并以系统试用过程中的反馈信息为参考进行软件方面的修 第1 苹引言 改，最后提出了基于纠错编码的系统优化措施。具体内容安排如下： 第l 章：引言。本章主要介绍了智能化城市公交信息系统的发展现状和特 点，重点分析了无线传输技术在智能化城市公交信息系统中的应用。 第2 章：智能化城市公共交通信息系统的关键技术。智能化城市公交信息 系统实现过程中的关键技术包括：专用短程通信协议、信道接入技术和信道编 码技术。其中，专用短程通信系统是智能化城市公交信息系统的设计参考模型： 信道接入和信道编码是系统无线传输方式下重点考虑的两个问题。 第3 章：智能化城市公共交通信息系统的总体设计。本章首先介绍了系统 的总体功能：其次分别对系统各个组成部分进行描述，包括车载仪的原理和功 能、数据控制中心的软件和数据库设计以及系统的信息传输通道设计。 第4 章：智能化城市公共交通信息系统的无线传输方式实现。本章主要从 软件方面入手研究系统在无线传输方式下的详细设计。根据信道接入方式的不 同，实现了轮询呼叫无线接入和广播呼叫无线接入两种无线传输方式。详述了 两种方式的实现过程，并对两种方式的实现结果、优缺点等进行了分析和比较。 第5 章：针对系统应用过程中的误码率、碰撞等问题，研究了卷积码、t u r b o 码的编译码算法，并通过m a t l a b 对增加纠错编码后的智能化城市公交信息系 统进行了仿真，以此为基础提出了一些系统优化措施。 第6 章：结论与展望。总结全文工作，展望进一步的研究。 4 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 从通信角度来看，在智能化城市公交信息系统实现过程中需要考虑到以下 几个关键问题：系统采用怎样的协议和硬件结构、传输数据采用怎样的信道接 入、如何提高整个系统的可靠性等。本章从上述几个方面介绍智能化城市公交 信息系统的关键技术，包括专用短程通信( d s r c ：d e d i c a t e ds h o r t r a n g e c o m m u n i c a t i o n ) 系统、信道接入技术、信道编码技术。 2 1 专用短程通信( d s r c ) 系统 2 1 1d s r c 的起源 为了发挥i t s 的功能，实现i t s 对车辆的智能化、实时、动态管理，国际j 上专门开发了适用于i t s 领域短距离间的通信协议，即专用短程通信( d s r c ) 协议。d s r c 系统是i t s 的基础之一，是一种小范围无线通信系统，主要用于 车辆与路边系统、车辆与车辆之间的通信，路边系统再通过有线通信与中心泵。 统之间交换数据，可以实现车辆与整个i t s 系统的信息交换。 d s r c 的研究最初源于8 0 年代的。自动公路通信系统”，希望利用这个无线 通信系统可以完成一系列的i t s 的应用。随之，对“车辆信息与通信系统”的 研究、开发和产品化又进一步推动了d s r c 的研究。1 9 9 5 1 9 9 6 年，政府和私人 公司介入电子收费系统( e t c ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 的研究，其开发出的 产品对后来制定针对e t c 应用的d s r c 标准起了指导作用。国外的d s r c 标准 主要有三类：日本的a r i b s t d t 7 5 ，欧洲的e n v l 2 8 3 4 、e n v l 2 2 5 3 、 e n v l 2 7 9 5 ，美国的基于9 0 0 m h z 的d s r c 标准。其他各国的d s r c 标准都是参 照这三类标准来制定的。我国参照国外d s r c 标准发展的趋势，结合国内e t c 的现状以及对i t s 应用的服务需求分析，积极地进行d s r c 标准化的深入研究， 希望制定既符合我国实际情况，又兼顾先进性的d s r c 标准。 2 1 2d s r c 的体系结构 专用短程通信( d s r c ) 系统足一种在智能交通系统中实现路、车之间信息 传输、交互的无线通信系统，它由车载单元( o b u ：o n b o a r du n i t ) 、路旁单元 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 ( r s u ：r o a d - s i d eu n i t ) 、专用短程通信( d s r c ) 协议以及后台计算机网络组 成。d s r c 的系统结构卅如图2 1 所示。 图2 1 d s r c 系统结构 1 车载单元0 b u 目前国际上使用的车载单元很多，多采用单片式电子标签和双片式电子标 签。车载单元一般由车载机和电子标签两部分组成，其中电子标签中存储了该 车的有关信息，如车号、车型、颜色、车牌号码、所有者等。通信方式主要可 分为只读和可读写两种l l ”。 2 路旁单元r $ o 路旁单元又称为路边单元、车道单元、车道设备，主要是指车道通信设备 读写器，包括车道天线和天线控制器。其参数主要有：频率、发射功率、 通信接口等等。路旁天线能够覆盖的通信区域大约为3 3 0 m i ”1 。 专用短程通信系统主要是利用专用短程通信技术，通过路旁单元的信号发 射和接收装置识别通过车辆的相关信息，自动对车辆进行身份鉴别、实时监控、 动态引导等智能化管理，完成车辆相关信息的动态采集。 3 专用短程通信协议 专用短程通信协议是d s r c 系统的基础，甘前欧洲、日本和美国都建立起 了自己的d s r c 标准。相对于开放系统互连体系( o s i ) 七层协议模型而言，专 用短程通信规范一般按物理层、数据链路层和应用层3 个层次制定。 ( 1 ) 物理层：规定了无线通信标准，包括载波频率、上下行数字编码方式、 信号调制方式等。其中载波频率足一个关键参数6 1 ，它造成了目前世界上微波 专用短程通信协议及专用短程系统的主要区别。 6 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 ( 2 ) 数据链路层：定义数据链路通信协议，制定了介质访问和逻辑链路控 制方法p s i r 丌。定义了进入共享物理介质、寻址和出错控制的操作。 ( 3 ) 应用层：提供了一些专用短程通信应用的基础性工具。应用层中的过 程可以直接使用这些工具，例如通信初始化过程、数据传送和擦去操作等等。 另外，应用层还提供了支持同时多请求的功能。 各层之间的数据传输由各层协议保证，三层协议构成d s r c 协议体系， 其结构如图2 2 所示。 图2 2 d s r c 协议体系结构 d s r c 技术按传输方式可分为两种形式【1 5 l ：主动式( a c t i v es y s t e m ) 和被动 式( p a s s i v es y s t e m ) 。主动式又称为收发器( t r a n s c e i v e r ) 系统，在这种系统中 o b u 和r s u 均有振荡器，都可以用来发射电磁波，当r s u 向o b u 发射询问信 号后，o b u 利用自身的电池能量发射数据给r s u ，主动式o b u 必须带有电池。 被动式又称为异频收发系统或反向散射系统( b a c k s c a t t e r s y s t e m ) ，是指r s u 发 射电磁信号，o b u 被电磁波激活后进入通信状态，并以一种切换频率反向发送 给r s u 的系统，被动式o b u 可以有电源，也可以无电源。以日本为代表的主 动式d s r c ，其通信可靠性高，传输数据量大，适于大数据最传输1 1 4 1 ，如图像和 语音等。以欧洲为代表的被动式d s r c ，用户设备简单，价格便宜，容易推广， 但数据传输能力不及主动式。 2 1 3d s r c 在i t s 中的应用 d s r c 作用一种无线通信方式，现阶段主要用于e t c 系统，具有传输速度 7 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 快( 1 m b p s ) 、受干扰程度小( 专用通信频段5 8 g h z ) 、安全性好( 伪随机加密 算法等) 1 3 l 等特点，可以灵活地将路边设备和车辆联系起来，实现路边设备和 车辆信息双向实时传输。基于这些特点，d s r c 在i t s 领域中的应用范围非常广 泛，除了e t c 以外还包括【l5 j ：车载标识、安全检查、车队管理、电子车牌号、 交通网络性能监视、交叉碰撞避让、紧急车辆信号优先、商用车辆管理、运输 车辆数据传输、货运管理、自动公路系统与车辆的通讯、停车场收费和出入口 控制等。据国外研究试验表明，运用d s r c 系统可将高速公路上的安全车距从 1 0 0 m 缩短到3 0 m ，这将大大提高高速公路的交通容量，缓解日益严重的交通拥 挤问题。 2 2 信道接入技术 在智能化城市公交信息系统中无线通信信道采用的是共享的广播信道( 也 称为多路访问信道或随机访问信道) 。当若干个终端同时在信道中传输信息时， 就会发生信息碰撞，从而使一次通信失败。为了有序地进行通信，以获得最大 限度的成功通信，即提高吞吐量，就需要有某种机制来仲裁决定谁有权使用信 道，这就是网络中的信道接入技术。 在相互竞争的用户之间，广播信道的分配有两种常用方法l ”l ，即静态( 或 固定) 分配和动态( 或随机) 分配。信道静态分配方法不能有效地处理用户数 量的可变性和通信的突发性，因而应用不广泛。这里着重介绍信道的动态分配 方法。 根据不同的考虑因素可以对动态信道接入技术进行不同的分类。 ( 1 ) 根据“由哪个节点控制信道的接入”可分为集中式和分布式。在集中 式机制中，有一个中央脏控节点专门实施信道的接入控制功能，任何节点必须 得到中央监控节点的允许才能使用信道。在分布式机制中所有的节点共同完成 信道的接入控制功能，动态地决定发送数据的顺序。与分布式相比，采用集中 式的系统各节点接入信道的逻辑较为简单，同时可避免各节点之间复杂的相互 配合问题。 ( 2 ) 根据“如何进行信道接入”可分为循环、预约和竞争三种方式1 1 8 】。在 循环方式中每个节点轮流得到使用信道的机会，所有节点按一定的逻辑顺序轮 流占用信道，这种顺序控制可能是集中式也可能是分布式。预约方式适合于较 8 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 长时间、连续传输的通信情形，如话音通信或长文件传输等，一般把信道的使 用时间划分成时隙，预约方式也可以是集中控制或分布控制的。对于短时间零 星传输的突发性通信来说，竞争方式比较适合，各个节点自由竞争使用信道的 机会，可见竞争方式是杂乱而无序的；其优点是简单，在轻负载或中等负载时 效率较高，当负载很重时性能很快下降。 在智能化城市公交信息系统中为了降低系统复杂度，一般选择集中控制的 信道接入方式。由于系统内的通信具有时间短、数据量小的特点，因此不适合 采用预约方式，通常选择循环式和竞争式。 2 2 1 循环式信道接入 查询( p o l l i n g ) 技术是一种集中控制的循环式信道接入技术，目前使用的各 种查询规则如令牌环、令牌总线等本质一卜也属于查询的一类。无论哪种查询规 则都需要一个中央控制站。中央控制站周期性地向各终端或工作站发送查询帧， 各终端只有被控制站查询时才能获得信道的占用权发送信息。当它没有被查询 时，各信息只能在本站中排队等候。 常用的查询方法是r o l l - c a l l 查询( 简称轮询) 。 以轮询方式工作的系统的拓扑结构如图2 3 所示( 图中虚线表示智能化城市 公交信息系统中的信道是无线信道，而非有线链路) 。 图2 3 轮询方式的拓扑结构 设系统中有一个主节点、n 个从节点，系统工作过程由主节点控制。主节点 剧期性地向各从节点发送查询命令，各从节点只有当被主节点查询时才能向主 节点发送数据。当某一从节点数据传输完毕后，主节点开始对下一个从节点查 询，直到所有从节点都查询完毕。由于主节点向从节点发送数据时，数据包均 带有从节点的地址码，所以不会出现杂乱的现象，每个从节点只接收发送给自 己的数据。轮询方式中主节点的工作流程如图2 4 所示。 9 贯一要一 要一 匪 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 图2 4 轮询方式主节点的工作流程图 2 2 2 竞争式信道接入 循环式信道接入机制必须满足一个条件，即：中央控制站对所有需要通信 的节点要非常明确和清楚，这样才能保证循环查询有序进行。如果一个系统中 需要通信的节点具有不确定性( 例如，移动节点) ，那么循环式信道接入就会出 现效率不高的问题，因为中央控制站查询的节点可能不在通信范围内。在这种 情况下可以采用竞争式的信道接入技术。 竞争方式信道接入机制的工作过程如下： ( 1 ) 主节点不断发送广播信号，搜索可通信的从节点。 ( 2 ) 从节点收到广播信号后，发送回应消息( 含地址码) 。 ( 3 ) 主节点收到某一从节点x 的响应消息后获得地址码，向x 发送查询命 令( 含x 的地址码) 。 ( 4 ) 从节点x 收到查询命令后，向主节点发送数据。 ( 5 ) 主节点正确接收从节点x 发送的全部数据后，转入( i ) ，开始新一轮 的广播台询。 竞争式信道接入中主节点的工作流程如图2 5 所示。 1 0 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 图2 5 霓争方式主节点的工作流程图 在竞争式信道接入机制中工作过程仍由主节点控制，与轮询方式不同的是， 主节点预先不知道要查询哪一个从节点，只有当主节点收到从节点的响应信号 后，才开始查询该从节点，因此从节点的接入呈现一定的无序性。主节点只是 与通信范围内的从节点进行交互，对于通信范围之外无法联络到的从节点暂不 处理，因此可以提高系统效率，这是竞争式信道接入与轮询式相比的显著优点。 2 3 信道编码技术 考虑到实际应用中智能化城市公交信息系统所处的外部环境可能是在闹市 区，周围各种电磁干扰比较严重，如果工作频率是4 3 0 m h z 左右的公共频率， 那么同频干扰更是严重。因而提高整个系统通信的可靠性显得尤为重要，这就 需要在系统中应用信道编码( 又称纠错编码，差错控制) 技术。 2 3 1 信道编码技术概述 信道编码的基本做法i 。9 】是：在要发送的信息序列上附加一些监督码元，这 些多余的码元与信息码元之问以某种确定的规则相互关联( 约束) 。接收端按照 既定规则检验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输过程中发生差错，则 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 信息码元与监督码元之间的关系受到破坏，从而i t 以发现错误，乃至纠正错误。 1 信道编码的分类 按照信道编码的不同功能，可以将其分为检错码、纠错码和纠删码【l ”。检 错码仅能检测误码；纠错码仅可纠正误码；纠删码则兼有纠错和检错能力，当 发现不可纠正的错误时可以发出错误指示或简单地删除出现不可纠正错误的信 息段落。 按照信息码元和附加的监督码元之间的检错关系可以分为线性码和非线性 码。若信息码元与监督码元之间的关系为线性关系，即满足一组线性方程式， 则称为线性码。反之，若两者之间不存在线性关系，则称为非线性码。 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可以分为分组码和卷积码。 按照纠正错误的类型不同，可以分为纠正随机错误的码和纠正突发错误的 码。前者主要用于发生零星独立错误的信道，而后者用于对付突发错误为主的 信道。 2 差错控制方式 常用的差错控制方式主要有三种：检错重发( 简称a r q ) 、前向纠错( 简 称f e c ) 和混合纠错( 简称h e c ) 检错重发( a r q ) 方式中，发送端经编码后发出能够发现错误的码，接收 端收到后经检验如果发现传输中有错误，则通过反向信道把这一判断结果反馈 给发送端。然后发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到认为己正确地接 收到信息为止。 前向纠错( f e c ) 系统中，发送端经编码发出能够纠正错误的码，接收端收 到这些码组后，通过译码能自动发现并纠正传输中的错误。前向纠错方式不需 要反馈信道，特别适合于只能提供单向信道的场合。由于能自动纠错、不要求 检错重发，因而延时小、实时性好。为了使纠错后获得低误比特率，纠错码应 具有较强的纠错能力。但纠错能力越强，则译码设备越复杂。前向纠错系统的 主要缺点是设备复杂。 混合纠错( h e c ) 方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合。在这种系 统中发送端发送的码字不但有纠正错误的能力，而且对超出纠错能力的错误有 榆测能力。遇到后一种情况时，通过反馈信道要求发送端重发一遍。混合纠错 方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷。 1 2 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 2 3 2 奇偶校验码 奇偶校验码的编码规则印i 是，将待发送的信息分组，在各组二元信息码元 ( 也称信息位) 后附加l 位监督码元( 也称监督位、校验位) ，再将各位信息码 元和l 位监督码元用模2 和相加。选择正确的监督位，保证模2 和的结果为0 ( 偶校验) 或1 ( 奇校验) 。奇偶校验码是分组码的一种。 假设q ，。，q 2 ，a 2 ，q 是”一1 个信息位，是1 个监督位。一般地，奇偶校验 条件为： 。似。柏。嘞_ 勰 汜” 通常都采用偶校验码。 奇偶校验码能够检出所有奇数个差错，而不能检出偶数个差错。 如果接收到的码字各码元为：o ，巳- 2 ，q ，( 共”个) ，则译码器按式( 2 2 ) 计算其和( 模2 ) 为 s = l ( 9 c ，2 0 oc l o ( 2 2 ) 如果采用偶校验码，结果s = 0 ，则译码器确认为接收正确。去掉监督位后，将月一1 个信息码元送出。若s = l ，则译码器示出所接收的码字是错的。当接收码字中 含有奇数个差错，则校验和s = l ，这种译码结果叫检出差错。而当接收码字中 含有偶数个差错时，s = 0 ，译码器错误地判断为接收码字内没有出错，这种译 码结果叫“不正确译码”。 奇偶校验码虽然是一种简单的信道编码，但有一定的检错能力，且易于实 现，因此得到实际应用，多用于自动重发( a r q ) 方式中。在智能化城市公交 信息系统中采用的就是奇偶校验码；当接收端发现错误时，可要求发送端进行 重发。 2 3 3 线性分组码 将信息序列中每k 个码元分成一段，然后由这k 个信息码元按定的规则产 生r 个监督码元，两者再组成长度为 = k + ，的码字，这样就构成了分组码。当 分组码中监督码元与信息码元满足模2 加代数方程时，就可称为( ”， ) 线性分组 码。奇偶校验码就是一种编码效率很高的( h ，月一1 ) 线性分组码，但是它只有一位 监督码元，故只能发现错误而不能纠正错误。 1 3 第2 章智能化城巾i 公共交通信息系统的关键技术 对于任一( ”，k ) 线性分组码，都有如下矩阵 g = g j i 9 1 2 岛l9 2 2 一 g k lg * 2 。 g l * + l g l h 9 2 t “9 1 h g 从+ l 。g h ( 2 3 ) g 称为生成矩阵，( h ，k ) 码中的任何码字都可以通过生成矩阵g 来生成。即 c = m g = ( m 。巩) ig ：2 i 9 1 2 g j “ 9 2 2 一g z ” gk lg k l g h ( 2 4 ) 式中，m = ( 嘲m 2 ) 是1 个信息码元组成的信息组。这就是说，每给定一个信 息组，通过式( 2 4 ) 便可以求得相应的码字。 在接收端用如下线性方程进行校验川，即： ： 吗k 呜 吩一：k 巳一1 c 肛2 = 0 ( 2 5 ) 简写为h c 7 = o 或c h 7 = 0 。其中c = 【0 “q - 2 ，c o 】表示接收到的码字，c 7 是c 的转置。何称为线性分组码的一致校验矩阵。生成矩阵g 和一致校验矩阵彼 此正交，即：g h 7 = 0 或h g 7 = o 。在接收端译码就是根据式( 2 5 ) 的结果对接 收到的码字进行检错和纠错。根据编译码的复杂程度，线性分组码将具备不同 的检错和纠错能力。 2 3 4 循环冗余校验码 循环冗余校验码( c r c ：c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ) 是线性分组码的一个 重要子类，它的编译码设备比较简单，用具有反馈的移位寄存器就可实现。它 的检纠错能力也比较强所以在实现差错控制中已得到广泛应用。 c r c 码除具有线性分组码的特征之外，还具有循环性。所谓循环性【2 0 】是指 循环码中任一码字经过循环移位后所得的码字仍是许用码字。不论左移或右移， 移位位数是多少，其结果仍为许用码组中的码宁。 约定：码字c = ( o i q 卜2 一r l c o ) 用多项式c ( x ) = 巳一i x 肛。o c 柚工肛2 0 o f l c o 1 4 鼬；鼬 第2 章智能化城市公共交通信息系统的关键技术 表示，c ( x ) 称为码字c 的码多项式。对于( i i , i ) 循环冗余码有一个生成多项式 g ( x ) 与之对应，g ( ，) 是( n - k ) 次，由此可得到生成矩阵g 的多项式g ( x ) ，为 g 0 ) = x k - l g ( x ) x g ( x ) g ( x ) ( 2 6 ) 要得到( ，k ) 循环冗余码，首先应对多项式( ，一1 ) 进行因式分解，形成一个 ( r l - 后) 幂次的生成多项式g ( x ) 。由g ( x ) 可以构b - 蓖k x n 阶生成矩阵g ，然后可按 照下式写出码字，即： c ( x ) = ( m k i _ 2 i m o ) g ( x ) = ( m k l m k - 2 川) x k - i g ( x ) x g ( x ) g ( x ) = 研i l x 一1 9 ( x ) + 坍t 一2 x 一2 9 ( x ) + + 埘l x g ( x ) + m o g ( x ) = ( 一i ，一1 + 一2 x 2 + + r a l x + m o ) g ( x ) ( 2 7 ) 根据( i n k 一r f l k 。m ，t o o ) 的不同取值，可得到( 月，t ) 循环冗余码码集中的所有码字。 在接收端根据译码目的是检错还是纠错，会有不同的译码方式。由于任一 码字的码多项式c ( x ) 都应能被生成多项式g ( x ) 整除，所以接收端可以将接收码 组的多项式g ( x ) 用生成多项式g ( x ) 去除。当传输中未发生差错时，则r ( j ) 必能 被g ( x ) 整除。若传输中发牛差错，胄( x ) 不能被g ( x ) 整除，即 掣：日y 。) + 掣 ( 2 8 ) g i 石，g i x ) 由此实现了检错。若接收端译码目的是纠错，可以按余式，y x ) 用查表的方法或 通过某种运算得到错误罔样e ( x ) ，从r ( x ) 中减去e ( x ) 可以得到已纠正错误的原 发送码字c ( x 1 。 c r c 码具有以下特点：可检测出所有奇数位错；可检测出所有双比特 的错；可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错。 根据应用环境与习惯的不同，c r c 又可分为以下几种标准：c r c 1 2 码、 c r c ，1 6 码、c r c - c c i t t 码、c r c 3 2 码。 1 5 第3 章智能化城市公共交通信息系统的总体设计 第3 章智能化城市公共交通信息系统的总体设计 3 1 系统概述 智能化城市公交信息系统的总体结构如图3 1 所示。 图3 1 系统总体结构 智能化城市公交信息系统主要包括三个部分：公交车辆信息记录仪( 简称 车载仪) 、信息传输通道、数据控制中心。安装在公交车上的各类传感器( 如车 速、刹车、前后开门等) 通过d b 2 5 芯连接电缆将公交车运营过程中的各类信 息传送到车载仪，从而完成公交信息的采集；然后选择不同的传输通道将车载 仪内保存的信息传送到数据控制中心的计算机。最终，信息在数据控制中心的 计算机中经过处理和分析可自动生成表格或图象，公交公司管理决策人员可以 调用数据库中的数据并将结果在计算机屏幕上或打印输出。完成公交车队的自 动化管理。 信息传输通道分两种：人工i c 卡方式和无线传输方式。图3 1 中的a 和b 表示无线传输方式，c 表示人工i c 卡方式；图中虚线表示a ，b ，c 不同时连接