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南京航空航大人学硕十学位论文 摘要 ， 为了实现高速公路的联网收费，需要建立一个高速可靠的计算机网络和通信 系统，解决分布数据的采集与传输，以满足收费管理、拆帐以及交通流分析等需 0 一 求。j 本文以江苏高速公路网联网收费工程为对象，探讨高速公路网联网收费技术。 j 一。一 首先分析路网收费技术的现状，并根据联网收费需求，提出了路网收费的原则和 实现方案。在对几种高速网络通信技术及其性能进行分析与比较的基础上，重点 论述了收费网络的设计、基于s d h 的通信系统和基于分布处理的数据采集技术 与实施方案。文章对江苏高速公路网联网收费工程的实现进行了系统性能分析。 【关键字】高速公路网络收霉广域网 s d h 数据库 现代高速公路网联网收费技术研究 a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z et o l l c h a r g i n gt h r o u g ht h en e t w o r ko fe x p r e s s w a y ，i tn e e d st o b u i l du pah i g h - e f f i c i e n c ya n d h i g h r e l i a b i l i t yn e t w o r k ，a n dr e s o l v et h ec o l l e c t i o na n d t r a n s f e ro fd i s t r i b u t e dd a t af o rt o l l i n gm a n a g e m e n t a c c o u n td i v i d i n ga n dt r a f f i cf l o w a n a l y z i n g b a s e do nt h ep r o j e c to ft o l l c h a r g i n gt h r o u g ht h en e t w o r ko fj i a n g s u e x p r e s s w a yn e t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h et e c h n i q u eo ft h es y s t e m t h ep a p e rf i r s t l y a n a l y s e s t h ec u r r e n t t e c h n i q u e o ft o l l c h a r g i n g a n dt h e n p u t s f o r w a r dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m s o m et e c h n i q u er e l a t e dt ot o l lc h a r g i n g ，i n c l u d i n gt o l l c h a r g i n gn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt r a n s f e ro fd i s t r i b u t e dd a t aa r em a i n l y d i s c u s s e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi sa n a l y z e da sw e l l k e y w o r d s e x p r e s s w a y n e t w o r kt o l l c h a r g i n g w a ns d hd a t a b a s e i i 壹壅堕至堕查叁堂塑堂堡丝茎 第一章前言 随着我国高速公路的发展，一路一公司、每条路、每座桥都独立收费的方式，已 严重阻碍了交通发展，减少主线收费站和减少停车次数以提高车流量成为当今的发展 方向。在一些发达国家，经过几十年的发展，己形成地区性乃至全国性的高速公路网 络。就我国国内情况来看，西宝高速公路、京津塘高速公路和改造前的沪宁高速公路 都实现了车辆一次交费，也建立了相应的通信和收费系统。 以江阴长江大桥1 9 9 9 年9 月2 8 日建成通车为标志，江苏高速公路网全线开通， 实现了联网运营，这是我国第一个实现联网收费的全封闭高速公路网，是国家的样板 工程，它不仅将极大促进江苏经济的发展，而且将为以后的高速公路联网收费建设提 供良好的借鉴和经验。 江苏高速公路网目前由沪宁高速公路( 江苏段) 、锡澄高速公路、江阴长江公路 2 大桥、广靖高速公路及宁通公路江广段( 简称四路一桥) 组成，其中江阴长江公路大 桥把苏南路网( 包括沪宁高速公路江苏段、锡澄高速公路) 和苏北路网( 包括广靖高 速公路、宁通公路江广段) 连接起来，如图1 1 所示。 目前沪宁高速公路( 江苏段) 由在香港上市的江苏宁沪高速公路股份有限公司负 责营运管理，江阴长江公路大桥成立了股份有限公司，广靖、锡澄高速公路也各自成 立了独立法人的责任公司，宁通公路江广段由事业性单位宁连宁通管理处负责管理运 营。随着江苏省高速公路建设的蓬勃发展，将有更多的高速公路并入上述路网联网运 行，因此联网后通行费的收集和合理分配是各建设管理单位关切的问题。联网收费一 是涉及管理问题，二是涉及拆帐问题，任何方案都必须满足便于有效管理和合理分配 通行费这两个基本原则。 交通流数据是衡量高速公路运营情况和制定收费标准的重要依据，对高速公路运 营管理( 运输、管理、养护和收费) 、交通设施规划、交通经济分析及交通安全均具有 重要意义。传统的交通流调查方法有人工路侧调查及仪器调查，其中人工路侧调查需 要大量的人力、物力，无法进行2 4 小时连续调查，且需要对收集的原始数据进行大 量的整理，才能获得最终的结果：仪器调查主要有磁场式( 感应线圈) 、超声波式及图 像处理技术，仪器调查只能获得安装设备断面的交通流数据，若需要对全线进行调查， 需要安装大量的设备，结果受天气情况、仪器精度的影响，且设备一般安装在高速公 路主线上，无法得到准确的进出高速公路的交通流数据。 江苏高速公路网采用封闭式收费，由于采用非接触i c 卡、计算机收费管理和毕 持“一车一# ”的原则，进出高速公路的车辆均在相应的入h = j 收费站进行记录，记录 r p 包括入出 j 收费站、进出高速公路的f 1 期及时削、车情、车辆类别( 收费、公务车、 现代高速公路网联网收费技术研究 军车、u 形行驶车辆等) 、进出 j 收费员： 号、通行卡编号等信息，对收费数据进行 科学的分析、整理和统计，即可得到所需的大部分交通流数据。 实现联网运营后，可实时将收费站的收费数据传输到收费管理中心或分中心，实 现2 4 小时对交通流的连续调查，不受天气变化的影响。随着封闭高速公路网的扩展， 将新增的收费站局域网并入管理广域网并对计算机软件进行必要的修改即可完成路 网内交通流量分析系统的扩展。所以，利用封闭式收费高速公路的收费数据进行交通 流分析是今后高速公路交通流调查的一个方向。 江苏高速公路网采用了计算机统一联网收费的管理方式，利用通信技术、计算机 技术和广域网技术，形成一个独特的高速公路企业网( i n t m n e o 。本文将论述联网收费中 涉及的收费网络、通信系统和分布式数据采集与分析的几个关键技术。第二章重点论 述路网收费的现状和需要解决的问题：第三章论述高速网络通信技术；第四章对高速 公路网联网收费的关键技术进行分析；第五章具体介绍江苏高速公路联网收费的实 现。 q h 、 k 目 弗 章 撑慧 婴! ! 壹鲨坌些型壁堕坚望丝查塑至一一 第二章路网收费技术现状 我国高速公路是九十年代以后才发展起来，当高速公路发展到一定水平，形成 路网以后，就出现路网收费问题。我国的高速公路基本上是靠贷款和集资修建的。 为了保证建设资余的偿还，国家允许高速公路收费经营。由于建设的年限不同，管 理者所有制性质不同，资金来源不同等原因，在同一路网内可能出现多家公司管理 和营运的情形。由于要实现合理收费，必然要建立主线收费站和匝道收费站。封闭 式收费系统需要通行券以达到按车型及里程收费的目的，各个营运公司使用的通行 券可能不同，收费方式及管理方式也不尽一致。在这种情况下，研究合理的路网收 费形式，减少车辆停车次数且实现合理收费，是路网收费首先要达到的目的。由于 路网内不同公司经营，通行费的分配成为各家关注的焦点，通行费精确及时的分配 是路网收费的必然要求。研究路网收费并能顺利实现路网联网运营在我国是首次。 减少主线收费站，扩大路网收费范围是发展的方向。 江苏地处长江下游，是我国的一个经济大省。当前，江苏的高速公路正处于急 速发展之中。为了提高高速公路的管理水平和服务水平，发挥高速公路的营运效率， 必须有一系列与之相配套的设施( 即所谓交通工程) ，其主要部分是收费、监控、通 信三大系统。 江苏高速公路网采用封闭式收费，采用非接触i c 卡、计算机收费管理和“ 车卡”的原则，不停车收费系统e t c 也在试验中。“一车一卡”使用一张i c 卡作 为付款媒介，各高速公路营运公司对所收款项进行拆帐结算，e t c 则用长距离r f - i c 卡的方式，使车辆经过收费道口不用停车即可完成收费。监控系统则采用车辆检测 器、气象检测器等设备收集道路信息，并使用可变限速标志、可变情报板等对道路 车流、车速作出提示和控制。此外，还借助远程监视图像进行收费车道数量的调节 和路段流量控制信息的反馈。这样就需要一个高效、可靠的实时的信息传输平台 先进的网络通信系统，以满足高速公路随着拓展、管理、监控水平的提高所提 出的一系列要求。 高速公路网通信系统业务量大、种类多、距离远，所以一般采用光纤数字通信 技术。目前国内一些高速公路通信系统( 如宝鸡西安) 使用p d h 系列。但是 由于其复用体制本身所带来的局限性，p d h 系列正逐渐被s d h 系列所取代，因此 在江苏高速公路网通信系统中，采用s d h 系列作为光纤通信的制式。 就收费系统而言，由于管理体制、拆帐及交通流分析等方面的需求，需要将收 费站的收费数据向管理分中心和中心传输。江苏高速公路网基本沿用沪宁高速公路 ( 江苏段) 的有关规范而沪宁高速公路开通初期为单一的高速公路，并未考虑联网 4 妻壅堕至堕鲞叁堂堡堂堡笙茎 收费问题。在沪宁高速公路( 江苏段) 非接触l c 卡收费系统运营期问，由于通信系统 建设滞后于收费系统，因此从1 9 9 7 年起各收费站的数据采取每只定时集中采集的 办法，即每日凌晨0 1 ：0 0 0 3 ：0 0 ，由收费中心、分中心服务器通过电话线和调制解 调器( m o d e m ) ；f l 用w i n d o w sn t 提供的r a s 服务( r e m o t e a c c e s ss e r v i c e ，远程 访问服务) 连接收费站服务器采集汇总数据的办法。这种数据采集方式基本上属于 点对点的通信方式，传输速率低，数据的实时性差。并且数据的安全性没有保障。 因此，联网收费后，要做到每班结算、当日交割的目标，就必须进行联网的工作， 通过通信系统s d h 光纤干线提供给用户的专线，将所有收费站、收费分中心和收 费中心的计算机局域网连接成为广域网，为联网收费提供网络基础。 综上所述，在本项目中要实现联网收费，需要建立一个高性能的广域网和相应 的高效可靠的通信系统，并解决分布式数据的采集传输任务。 翌! ! 蔓堕竺墅堕壁塑坚翌垫查塑茎 第三章高速网络通信技术 3 1 网络的高速宽带化趋势 网络是信息时代的基石，计算机网络系统是计算机技术和通信技术融合的结 晶。在综合现代先进信息技术的基础上，它使社会信息网络产生个突破性的飞跃。 计算机网络不仅在形成过程中把已有的计算机和通信技术结合进来而且在以后发 展过程中，还继续把各种新的信息技术，如人工智能技术、光技术、卫星技术、多 媒体技术和分布式数据库技术等，不断融入到计算机网络中来。各种信息技术在计 算机网络系统中的综合应用，不仅使计算机系统的性能不断提高，而且也使计算机 网络的功能不断增强和扩大，从开始以信息处理为主的资源共享、分布处理到光纤 高速通信系统支持下的分布并行计算都在发展。由于计算机网络是在通信网基础上 构成的，直接向计算机网络用户提供的通信服务功能也在不断发展，从早期的电子 邮件e m a i l 、电子电话到近来在多媒体技术支持下的更广泛的通信应用服务，如可 视电话、视频会议、图文传真等也得到飞速发展。计算机网络的通信功能与计算机 的资源共享、分布处理等功能也进一步融合在一起以支持更广泛更自然的综合信息 应用需求。 当前，网络向高速发展是计算机网络发展的一个重要方向。随着计算能力和通 信需求的增长，对网络带宽的要求也在增加。将数据、音频和视频加以集成，一起 接入到一个虚拟的数据业务中己成为一种必需，支持b - i s d n 和多媒体通信要求提 供更有效的网络交换和路由技术。目睹i n t e m e t 的爆炸性发展，l a n 、m a n 和w a n 都已超越了1 0 0 m b p s 的带宽范围，向更高速宽带网络技术发展。随着l a n 技术的 普及，以更高速和更高性能比把l a n 之间及l a n 和w a n 互连的需求也在增加。 因此，依靠宽带技术，大幅度提高传输通道的容量和速度，保证信息传递的及时、 准确和安全，以此为基础来构建的网络体系结构，是网络应用的强烈需求，也是网 络自身发展的必然趋势。 3 2 高速网络的主要技术 高速网络除了提供更高的带宽外，还能提供异步服务、同步服务或定时服务， 甚至有能力支持多 i n 务类型。 6 童壅堕窒堕鲞盔兰堡主堂笪堡兰 3 2 1s d h 高速传输体制及s d h 网络 8 0 年代中期，美国贝尔通信研究公司首先提出称为s o n e t ( s y n c h r o n o u s o p t i c a ln e t w o r k ) 的同步光纤网络的体系结构。1 9 8 8 年，美国国家标准委员会为 s o n e t 制定了第一套标准( a n s it i 1 0 5 1 9 8 8 ) 。同年，c c i t t ( 现更名为i t u , - t ) 又 在美国s o n e t 基础上制定了称为同步数字系列s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a c h y ) 的第一套建议，( 即g 7 0 7 、g 7 0 8 、g ，7 0 9 ) 。在1 9 9 0 年和1 9 9 2 年又通过了有关s d h 的许多建议，逐渐形成了事实上的有关光纤数字通信的国际统一标准。现在世界上 大部分国家在发展光纤通信时，无论是电信网还是计算机网络，都以此为标准向它 靠拢或过渡。 s d h 是当今世界通信领域在传输技术方面的一个热点，它已成为公认的新一 代的理想传输体系。按照s o n e t s d h 传输体制设计的网络，有时被称为s o n e t 网或s d h 网，它是由复用器、分用器、线路系统和数字交叉连接设备等网络单元 组成的传输网络。数字交叉连接设备在多路复用技术基础上通过数字信道的交叉连 接而构成网络。 s d h 传输体系结构主要规定了光纤传输的统一同步方法、传输速率的系列等 级、信号格式以及复用同步帧结构等。 目前世界上已有十多个厂家宣布拥有s d h 线路系统和复用设备。我国公用电 信传输网已开始使用s d h 产品，如宁汉( 南京一武汉) 扩容6 2 2 m b s ( s t m - 4 1 i ，长 8 2 0 k m ；津沈大( 天津一沈阳一大连) 7 - 程，采用2 5 g b s ( s t m 一1 6 ) 线路系统，全长 1 3 0 0 k m 。在公用通信网使用s d h 的同时，某些专用通信网也开始引入s d h 技术， 例如铁路专网系统的京九铁路干线已经配备了最先进的s d i - i 设备；江苏高速公路 网的通信系统也采用s d i - i 技术。 3 2 2a t m 高速交换技术与a t m 网络 a t m 是c c i t t 于1 9 9 0 年1 月在日内瓦会议上确定的b i s d n 的最终转移模 式，它可用于b i s d n 中各类信息的复用和交换，是实现b i s d n 的基础。它在信 息格式与交换方式上与分组交换类似，而在网络构成和控制方式上又与电路交换相 似。在a t m 中，固定长度信息单元即信元( c e l l ) 由五个字节分组头和4 8 字声信息 域组成。它不仅能高效的利用传输和交换设备，而且还具有很高的灵活性，能实现 7 现代高速公路网联网收费技术研究 多种业务的综合，适用于传输数据、话音、图像等多媒体信息。 a t m 的协议结构分为物理层、a t m 层、a a l ( a t m 适配层) 层和高层协议。其 中物理层主要完成从单元流到数据流的转换，并实现在物理介质上的发送、接收功 能。a t m 层主要实现信元的复用分解、信元的v p i ( 虚道路标i | i 符) v o ( 虚信道标 识符) 变换、信元头的产生和提取以及流控等。a a l 层可实现话音、数据、帧中继、 信息业务等具有不同特性的通信业务，使a t m 层能适应不同业务类型的变化。高 层协议负责对信息进行编码，具有独立的服务功能特性。 a t m 网络采用的交换技术是快速分组交换( f p s ) 。在a t m 网络中，信道的高 速率使得信道传输延迟与信元传输时间之比明显增大，网络的协议处理时间相对于 信元的传输时间也大大增加，因此传统的“反应性控制方法”已不适于a t m 网络 的拥塞控制，而应采用“预防性控制”技术来解决a t m 网的拥塞问题。a t m 交换 机是构筑a t m 网络的关键设备。按其功能可分为a t m 节点交换机和a t m 接入交 换机。前者较适于企业级、校园级或工作组级的主干交换和分支交换，后者较适于 w a n 的主干交换。 3 2 3 高速局域网技术 ( 1 ) 1 0 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t 是对传统1 0 b a s e t 的扩充，按采用介质的不同又可分成 1 0 0 b a s e t n ，1 0 0 b a s e - t 4 ，1 0 0 b a s e f x 三种形式。 在物理层，1 0 0 b a s e t x 可采用5 类非屏蔽双绞线( u t p ) 矛1 1l u 一4 5 标准接头使 用其中的两对线。若采用1 类屏蔽双绞线( s t p ) 作为传输介质，则采用d b 一9 标准接 头。1 0 0 b a s e t 4 可采用3 类、4 类、5 类l r r p 和i u 4 5 标准接头。它使用i u 4 5 的 四对线，其中三对用于数据传输，一对用于冲突检测。1 0 0 b a s e f x 可采用两芯 6 2 5 1 2 5 u m 光纤做传输介质。 在m a c ( 介质访问控制) 子层，以上1 0 0 b a s e t 仍沿用c s m a c d 信道访问协 议。在该协议中，若在冲突窗i s 内发生访问冲突，则要求发送站点在一定时间间隙 内接收到冲突d 噶( j a m ) 信号。1 0 0 b a s e t 较之1 0 b a s e t 在信道速率上提高了十倍。 ( 2 ) 1 0 0 v g a n y l a n 1 0 0 v g a n y l a n ( i e e e 8 0 2 1 2 ) 中的v g ( v o i c e g r a d e ) 表示采用话音级u t p 作传输 介质；a n y l a n 表示它能支持以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 和令牌环( i e e e 8 0 2 5 ) 中任意一种帧 格式n 该网可称作快速以太网，也可称作快速令牌环。在物理层，1 0 0 v g a n y l a n 可采用3 类、4 类、5 类u t p ，使用r j 4 5 标准接头中的4 对线。为了能在话音级 壹塞堕至堕查叁堂堕堂堡堡墨 u t p 上传送1 0 0 m b i t s 数据，该网采用了- - 乖1 “四分之一信令”( q u a r t e rs i g n a l i n g ) 技术，在集线器( h u b ) 和每个用户之间连接4 对双绞线用户数据可在4 对双绞线 上同时传送，每对线理论上可提供2 5 m b i t s 数据传输率。在编码方面， 1 0 0 v g a n y l a n 采用5 b 6 b ，n r z 和扰码技术。1 0 0 v g a n y l a n 在m a c 予层提供 一种“需求优先访问”( d p m a ) 机制。要发送信息的站点先将发送请求传给h u b ， h u b 根据网络的忙闲状态决定是否发送其信息。若信道空闲( 带宽允许) ，则发送； 若信道忙则推迟发送。这种信道访问机制有效解决了c s m a c d 冲突，较适于实时 信息及多媒体信息传输。 ( 3 ) f d d l f d d i ，即光纤分布式数据接口，是一种较为成熟的高速局域网络，传输速率 可达1 0 0 m b w s 以上。f d d i 本质上是令牌环( i e e e s 0 2 5 ) 与分布式双环计算网络 ( d d l c n ) 的结合物。在正常情况下，它可以同时使用双环和多令牌，以提高网络效 率；在故障情况下能较好的重构、具有较强的容错性能。 f d d i 的物理层分为两个子层：高层为物理协议子层( p h y ) ，它可独立于物理 介质；低层为物理层相关介质子层( p m d ) ，它依赖于物理介质。f d d i 使用5 类u t p 时称为c d d i ，采用s t p 时称为s d d i 。其编码采用m l t 一3 编码技术。为了能利用 现有的同步光纤网传输线路，f d d i 还在物理层提供了s p m 规范。 f d d i 在m a c 子层采用了一种改进的令牌协议一定时令牌循环协议( t t r ) 。 t t r 可支持成批同步传输和帧突发异步传输，或支持二者混合传输。它还可支持多 帧对话传输，t t r 保证了环上多个节点发送同步帧有足够的带宽和相应时间，其响 应时间不会超过令牌循环时间( t t r t ) 的2 倍。 ( 4 ) 千兆以太网 随着快速以太网的飞速发展，千兆位快速以太网0 e e e 8 0 2 3 z ) 也应运而生。千 兆位以太网是1 0 0 兆位以太网的逻辑升级。现有以太网和快速以太网完全兼容并易 于升级到千兆位网络结构。新的结构支持c s m a c d 协议并可使用光纤、铜轴电缆， 甚至u t p 各种介质。 千兆位以太网技术采用了传统以太网的m a c 子层c s m a c d 协议，使用相同 的帧格式和最小分组( 6 4 b ) ，采用8 8 1 0 1 3 编码系统，其传输速率可达1 2 5 g b s 。通 过采用载波扩展( c a r r i e re x t e n s i o n ) 或者使用带有高速缓存的适配器来实现 c s m a c d 协议，千兆位以太网扩大了网络的冲突域范围。由于千兆位以太网技术 可以显著的增加有效使用带宽、缓解网络负荷，还有相当优秀的性价比，同时提供 了后向兼容能力，保护用户的投资，所以其发展潜力巨大。 墨垡堕堡垒堕旦壁塑坚塑垫查笙至 3 3 光纤数字通信技术 3 3 1 光纤高速通信技术的发展 光纤通信技术是一种高速宽带通信技术，它的迅速发展与以下因素有关： 通信系统和计算机网络系统日益扩张的覆盖范围和不断增加的网络用户，要 求更大容量、更宽带宽通信信道的支持。 各种高速实时应用，如v o d 视频点播、视频会议、实时分布式专家诊断等 的需求，要求更高的数据传输率。 高速计算机技术的发展，要求更高速宽带通信系统以形成高速分布计算的应 用环境。 激光与光纤技术的发展为光纤通信的实现提供了技术基础。 光纤通信从6 0 年代中期随着激光技术的突破进入研究开发阶段，7 0 年代已开始 有实用的光纤通信线路问世，8 0 年代中期进入大规模建设和飞速发展阶段。不仅传 统的公用通信网的干线、中继线以至用户线中大量使用光纤进行扩展和更新，而且计 算机局域网、局域网互连方面也采用光纤提高性能。近几年来，光纤通信云开始把窄 带n - i s d n 推向宽带b i s d n ，把传统低速广域网带进了g b s 级的大型高速广域网。 信息高速公路也正是在光纤高速通信网的基础上提出来的。各有关标准化组织也为光 纤通信制定了相应的通信体系和规程，如f d d i 、d q d b 、s o n e t 、s d h 等。因此光 纤通信技术虽然是作为一种高速通信技术用于通信系统和计算机网络系统，但它不仅 是简单的以高速信道替换低速信道，还将对通信系统和计算机系统的系统结构和通信 体系结构产生重要影响，它是推动高速宽带计算机网络系统发展的技术基础。 3 3 2 光纤与其它传输介质性能分析 通信传输介质可分为两类，有线和无线。有线线缆可分为双绞线、同轴电缆、 光纤；无线通信可分为微波、卫星通信等。在本文中主要讨论适用于多种信号、高速 公路通信中的双绞线、同轴电缆、光纤及微波等传输介质问的比较。 1 双绞线 双绞线是在交通控制中应用最为普通的一种通信介质。一根双绞线缆是由多组 相互绞在一起的两根导线组成。两根导线相互缠绕可以减少来自外界的干扰，这是因 为往线缆中，两根传递信号的导线紧密缠绕在一起，来自外界干扰源的信号对掰根导 o 堕壅堕窒堕盔叁堂堡兰堂堡堡苎 线的影响几乎相同，由于接收器仅能检测出两根导线间的电瓜著，所以在两根导线中 引入的由外界干扰产生的电压变化近乎相同，町以排除在外。另外，这种相互绞绕的 设计结构也可以减少两线之间的干扰，因为每根导线中，电流大小一样，方向相反， 这样由电流产生的磁场方向相反，其结果是相互抵消。如图3 1 所示： 图3 1 双绞线技术实现较为便宜，与同轴电缆和光纤相比，它的花费最低。然而它的 长期使用费用会增加，这主要是考虑到使用周期以及安装铺设的环境( 架空或地埋) 。 双绞线技术支持基本模拟信号传送，但它传送大速率数字信号的能力因高频电信号的 衰减而受到限制。高频信号的衰减根据线缆长度增加，直径减小而增大。因此，高频 信号传输中采用其它通信介质更为有利。双绞线中，外界噪声信号也不可能完全受到 消减，闪电、高压线、大型机动车都会给双绞线带来影响。此外，潮湿也会导巍千扰。 其优缺点如表3 1 所示： 有利因素不利因素 对传输要求的费用较低高频信号衰减快，因此传送高频数字信 易于连接 号能力受限 不需特殊的接口设备 其带宽有限，不能传送实时图象 电气特性适用于基本的模拟信号传送 保密程度低 表3 1 2 同轴电缆 同轴电缆技术可以通过将带宽分成若干通信信道来传送数字和视频信号。同轴 电缆一般由以下几个部分组成：l 根由镀铝铜丝组成的中心导线，1 个铝金属网( 或 波纹管、硬套等) 在外层，中间是出聚乙烯或聚氯乙烯组成的绝缘层，最外层是低 塑垡壶垄坌堕堕壁堕些墼堡查婴窒 密高分子聚乙烯套管。大直径、l 降韧、高质量的同轴电缆用于主干线路：而小直径、 柔软、质量较低的线缆用于分支线路和接口线。同轴电缆系统使用f 渊( 频分复用) 和t d m ( 时分复用) 来适应不同的交通控制信号，f d m 适用于数据、视频、语音传送， t d m 用于数据传送。同轴电缆的物理结构使它所受到的电磁影响要比双绞线小，它 能提供比双绞线更宽的带宽来传送视频和数据信号。对于视频信号来说，每个信道 带宽为6 m h z ，对于数据信号，每个信道带宽可分为4 k h z 和5 0 k h z ，可以轻易地达到 1 9 2 0 0 b p s 的传输率。但是同轴电缆中的信号也有衰减，频率衰减程度随距离增加、 线缆直径、频率高低不同而不同( 在2 5 0 m h z 下，每公里衰减2 6 d b ) ；温度也会影响 频率衰减，在2 5 c 以上，温度每升高1 0 ，衰减就会增加1 。所以在同轴电缆通 信网络中，需采用信号放大器来补偿这些损失。但放大器在放大信号的同时，也将 噪声信号放大，而且线缆与放大器的连接也引入了噪声信号。根据实验放大器的使 用在同一串线路中不宜超过6 0 个。其优缺点如表3 2 所示： 有利因素不利因素 其特殊的物理结构不易受外界接头连接会产生噪声问提 的干扰 连接困难 更宽的带宽、较小的信号衰减、 比起光纤来说，通信可靠性差， 较低的信号掉包率 需要更多的维护 高带宽可允许高达7 5 个独立的 保密性差，扩展性差 视频信号 需要终端设备 高带宽理论上允许7 0 0 m b p s 速率 表3 2 3 光纤通信 光纤通信以它独特的优点被认为是通信史上一次革命性的变革。目前在我国， 光纤通信网以前所未有的速度发展，长话、市话通信主干网己逐步被光缆取代。在高 速公路建设中，光纤通信无疑是优先考虑的目标。 光纤通信是以光波为载体，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光导纤维 一般由芯层、包层及外套组成。通常使用的光纤是石英系光纤，它的芯层和包层均以 二氧化硅( s i 0 2 ) 为主要材料，通过加入不同的氧化物得到不同的折射率，芯层的折 射率大于包层的折射率。当光进入光纤时，由于芯层与包层的对光的折射率不同，所 以当入射角大于折射角时，光就在两者的界面处发生全反射现象，这样经过在芯层的 多次全反射，光即被传送到远处；而当入射角小于折射角时，光就进入包层衰减掉。 i ， 南京航空航天人学硕士学位论文 在光纤数字通信中，视频、语音、数据信号先被电端机复用成标准数字信号，再 由光端机传换为编码光脉冲，然后再注入光纤通过光缆传送至远处，光脉冲到对方光 端机后，在那里被转为电信号，最后由电端机解码，还原成本来的信号形式。如果传 送的距离较远，就需要添加中继器。中继器的使用是为纠正光的散射，延长通信距离， 它先将光信号还原成电信号，对电信号进行再生放大，然后再将电信号转为光信号发 送出去。如图3 2 所示： 信源光缆光缆信宿 图3 2 总的来说，光纤数字通信系统具有以下好处： 1 ) 传输频带宽，通信容量大扩展方便。 2 ) 损耗低，中继距离长，降低成本且提高了通信距离。 3 ) 抗干扰能力强，线径细，重量轻。 4 ) 寿命长，串音小，保密性好。光纤在俺输遭程中，向外泄漏的光能很小，不会产 生串话，也不易被窃听。 5 ) 石英玻璃镱4 成的光纤，不受电磁干扰。化学稳定性相当好，不易腐蚀。 4 无线微波通信 微波是指频率在3 0 0 m h z 至3 0 0 g h z 范围内的电磁波，微波通信是利用高频电磁 波来携带信息，在空间传播，并通过再生中继来达到远距离信息传送的通信方式。根 据所携带信号不同，分为模拟和数字两种方式。目前在高速公路通信系统中主要采用 数字微波通信方式( 卜i o g h z ) 。数字微波通信比较适用于通信点分散，通信量小，外 界干扰小，不易施工的地区( 如路桥土建已基本完成的地区) 。在合宁( 合肥一南京) 高速公路中，采用了8 g h z ，3 0 路作为通信系统干线传输方式。无线微波通信的优缺 点如表3 3 所示： 现代高速公路网联网收费技术研究 有利因素不利因素 适用于点对点通信主干在传输方向上必须无阻碍 能够传输数据和有限的视频信号通信信道、频率有限 可以使用模拟和数字传输易收雨雪的干扰 需要建设天线塔 3 3 3 p d h 和s d h 表3 3 光纤数字通信的传输容量与所采用的数字复接系列有关，数字复接系列包括两 种：一种是准同步数字系列( p d h ) ：另一种同步数字系列( s d h ) 。p d h 系列在 光纤数字通信的历史上发挥了重要作用，但是由于其复用体制本身所带来的局限性， p d h 系列正逐渐被s d h 系列所取代。 3 3 3 1p d h 系列光纤通信及其缺点 p d h 有两种复用体系：一是以1 5 4 4 m b i t s 作为基群的2 4 路p c m ( 脉码调制) 系列，采用的国家和地区有北美和日本，其中北美和日本在二次群以上的复用方式又 不同；另一种是以2 0 4 8 m b i t s 作为基群的3 0 3 2 路p c m 系列，采用的国家和地区 有欧洲和中国。 1 p d h 的复用原理 以我国采用的3 0 3 2 路p c m 系列为例，从基群、二次群、三次群到四次群，通 信容量以4 倍的关系递增，而速率则以略大于4 倍的关系递增，这是因为p d h 采用 的是准同步数字序列。见表3 4 所示： j群号 四五 1 码速( m b i t s ) 2 0 4 88 4 4 8 3 4 3 6 81 3 9 2 6 45 6 4 9 9 2 l话路数 3 01 2 0 4 8 01 9 2 07 6 8 0 表3 4 在3 0 3 2 路p c m 数字通讯中， 采用了正码速调整方式，即将每个瞬时速率在 一定容差范围内的低码速支路的信息码通过插入一些无信息比特方式将4 个支路的码 4 童窒堕至堕鲞查堂堡：i ! 垡笙苎一 速调整到相同的某个较高速率，然后再进行同步按位复用。以4 个基群复矧成二次群 为例，码速调整前4 个基群速率标称值都为2 0 4 8 m b i t s ，但由于基群主时钟稳定度 为5 0 p p m ( 1 p p m = 1 0 e 一6 ) ，据此可算出4 个基群的瞬时速率在2 ，0 4 8 m b i t s 1 0 3 b i t s 范围内变化。在码速调整过程中，对瞬时速率低的支路插入一些无息脉冲提高码速率， 对瞬时速率高的支路则不插或少插用于码速调整的无息脉冲，经过码速调整后，4 个 支路的瞬时速率都为完全相同的2 11 2 m b i t l s ，然后再对这4 个支路进行同步复用， 得到8 4 4 8 m b i t s 的二次群。当然，接受端要根据发送端的情况决定是否要消除发送 端插入的码元，为此在高次群帧结构中增加了帧同步码和插入标志码等。这一过程称 为准同步数字复用，简称p d h 。 2 。p d h 通信的缺点 p d h 通信系统本身的复用体系有局限性，具体的来讲，影响p d h 继续发展的缺 点有以下几个： 1 )世界上存在有两种复用体制，如前所述，北美、日、欧中的三种速率体系造 成三个地区性标准互不兼容，引起国际上互通的困难。 2 )无标准光接口规范，导致不同厂家的设备在光路上无法互通。要互通只能交换 回到电接口上进行，这限制了联网应用的灵活性，也增加了网络设备的复杂性和 运营成本。 3 )上下电路需完整的( 去复用复用) 设备，结构复杂，业务费用高，数字交叉 连接( d x c ) 的实现非常复杂。由于在p d h 中，每级正码速调整都可能插入了 码速调整用的无信息码，用于识别是否插入无信息码的插入标志码，以及用于识 别数字流首尾的帧同步码，这样就导致低次群信号码流在高次群码流中的无规律 性，使得要从高次群码流中分出低次群要经过逐级分解和码速恢复，这一过程叫 做完全去复用，从而导致了设备的增加。 4 )帧结构中用于操作维护的比特很少，无法满足现代智能化通信网络的要求。 3 3 3 2s d h 通信系统的工作原理 1 ) s d h 的帧结构 s d h 网的一个关键功能是要求对支路信号( 2 3 4 1 4 0 m b i t s ) 进行同步数字 复用，交叉连接和交换，这就要求支路信号在帧结构内的分布是均匀的、有规律的。 为了满足这样的要求，s d h 的同步传输模块s t m n 采用了以字节为基础的矩阵帧结 构。它出2 7 0 n 列和9 行字节组成每字节8 位。对于s t m l 而言，帧民度为2 7 0 9 2 2 4 3 0 个字节，相当于2 4 3 0 8 = 1 9 4 4 0 位，其帧周期为1 2 5us 。晰结构中字= 肖的 ls 现代高速公路网联网收费技术研究 传输是从左到右，f i 卜- 到下按顺序传输，直至整个2 7 0 x 9 个字节都传送完，再传送 下一帧，如此一帧一帧的传送，每秒共传送8 0 0 0 帧，故s t m l 的数码率为f b = 2 7 0 x 9 8 x 8 0 0 0 = 1 5 5 5 2 0 m b i “s 。如表3 5 所示 a la 1a 1a 2a 2a 2c 1j 1 b 1e lr s o hf lb 3 d 1d ld 3c 3 a u p t r 指针 g 1 b 2b 2b 2k lk 2f 2 s i m 1 净载荷 d 4 d 5d 6h 42 6 0 列 d 7d 8m s o hd 9z 3 d 1 0d 1 d lz 4 l2 s 1z 1z 1z 2z 2m 1 e 2z 5 整个帧分为三个区域： a ) 段开销区域 表3 5 p o h 段开销区域是指s i m - n 帧结构中为了保证信息正常灵活的传送所附加的字节， 这些字节主要供网络运行、管理和维护使用。表3 5 中1 - 9 列，1 3 行( r s o h ) ，5 - 9 行( m s o h ) 均属于段开销字节。对于s i m l 来说，共有7 9 x8 8 0 0 0 - - = 4 6 0 8 m b i t s 可用于网络管理、运行和维护。 再生段开销( r s o h ) 包括s d h 网络中从一个设备到下一个设备传送的净荷数 据。它由以下几个部分组成：见表3 5 帧定位( 字节a l 和a 2 1 用于再生段的公文线( 字节e 1 ) 差错块检测( 字节b 1 ) 用于检查每个再生器的质量 1 9 2 k b i “s 通信信道( 字节d 1 _ d 3 ) 用于网络管理 1 个( 4 k b w s 用户信道( 字节f 1 ) s t m 一1 模块指示器( 字节c 1 ) 分配给s t m 一1 模块，但必须在它复用到高阶之前完 成 复用段丌销( m s o h ) 可在除再生器之外的网元中进行终结。包括以r 儿个部分， 1 6 塑壅塾至堕查叁堂堡竺堡堕墨 见表3 5 所示： 1 个自动保护倒换信道：n = ia p s ( 字节k l 和9 2 ) ，用于复用段 差错块检测( 字节b 2 ) 用于检查每个复用段的质量 5 7 6 k b i t s 通信信道用于网管( 字节d 4 一d 1 2 ) 1 条公务线( 字节e 2 ) 用于复用段 保留将来使用的信道( 字节z 1 z 2 ) b ) 信息净载荷 信息净载荷即存信息的地方，表3 5 中1 - 9 行，1 0 2 7 0 列区域。当然，其中还包 含少量的用于通道性能监视、管理控制的通道开销字节( p o h ，第1 0 列) ，通常p o h 作为净载荷的一部分与其一起在网络中传送。p o h 分高阶、低阶两种，高阶通道开 销由以下功能： 通道轨迹( 字节儿) 检测从虚容器结构到通道终端的路由连接情况 差错块检测( 字节b 3 ) ，用于检查虚容器v c 一3 和v c 一4 的质量 虚容器净荷( 字节c 3 ) 标志是否承载话务 虚容器的通道状态( 字节g 1 ) ( f e b e = 远端块差错，f e r f = 远端快接收失败) 用户通信信道( 字节f 2 ) 复帧定位( 字节i - 1 4 ) 用于识别支路信号的位置 保留用于将来的信道( 字节z 3 - z 5 ) c ) 管理单元指针区域 所谓指针是一组码，它的数值大小指示净负荷区域内的第一个字节在s t m n 帧 内的准确位置，以便接收端能正确识别。表3 5 中1 - 9 列，第4 行为指针( a u ) 所处 的位置。采用指针方式是s d h 的重要创举，它可以保证在准同步环境中完成复用同 步和s t m n 信号的帧定位。 2 ) s d h 的复用结构 s d h 系统不仅能与现在的p d h 系统兼容，而且还能传送异步转移模式( a t m ) 信元等新的业务信息。规定p d h 各支路信号和a t m 信元等信息进入到s t m n 帧结 构所经过的映射、指针调整、同步复用等过程的信号处理流程称为复用结构。如图 5 3 所示，图中的映射指的是将各支路信号装入到虚容器( v c ) ，并使之与虚容器容 最同步的过程：图中的c n ( n = l 一4 ) 称为标准容器，用来运载现有两种速率系列的 p d h 信号，完成速率匹配等功能。在c - n 的信息上加上p o h 辅助字节，就变成了虚 1 7 现代高速公路网联网收费技术研究 容器v c n ，由于v c n 不定会与s t m n 网络同步，为此在v c 的信息前面加上 指针。在中国，低阶v c n ( n = i 一3 ) 加上指针后形成了支路单元( t u i 3 ) ，对应的 指针称为支路单元指针( t u p t r ) ，高阶v c n ( n = 4 ) 加上指针后形成管理单元a u 4 ， 对应的指针称为管理单元指针( a u p t r ) ；指针的作用在于指明v c 在支路单元或管 理单元的位置，也就是说，v c 在t u 或a u 内的位置是活动的，其起始位置由指针 值指示；把若干支路单元或管理单元按字节间插同步复用即可得到支路单元组( t u g ) 或管理单元组( a u g ) ；再把n 个a u g 按字节间插同步复用，再插入相应的段开销 即可以得到同步传输模块s t m n 。这样，现存的两大p d h 系列信号经过映射、指针 调整、同步复用等步骤和若干次这样的步骤后即可进入s t m n 中。下面以沪宁高速 公路通信系统所使用的2 m b i t s 支路信号到s t m 1 的复用过程为例加以说明。( 图3 3 中的阴影部分1 网网阿 陌了 l x 1 1tq he 翮，朗口 上爿 圜 i 一复用 蘸 一映射 定位 高比特率复用 图3 3 匝p 区乎回 1 5 m b i f f s 低比特率复用 2 m b i f f s 支路信号经过速率匹配进入容器c 一1