（计算机应用技术专业论文）基于cdma网络的车辆监控系统的研究与设计.pdf

基于c d m a 网络的车辆监控系统的研究与设计 摘要 近年来，基于无线通信网络的应用研究受到越来越多的关注。如何尽可能地 利用现存网络资源，低成本地实现对用户特别是移动物体的监控一直是研究的焦 点。c o m a 网络可以利用本身独有的特性而不一定需要g p s 系统的支持就可以实 现定位服务，且终端与网络时钟严格同步，因而定位与监控信息的传输只要基于 c d m a 网络就可以实现。 本文介绍了基于c d m a 网络的车辆监控系统的结构，对系统监控中心与车载 终端的软硬件设计进行了分析，并对系统设计中的视频传输、监控中心并发调度 机制与事件智能处理机制等关键问题进行了深入研究。 视频的流式传输具有数据量大、实时性和可靠性要求高等特点，但由于c d m a 网络的上行带宽有限，给视频流的传输造成了很大的困难。为了在c d m a 网络上 有效、高质量地传输视频流，需要多种技术的支持。本文在对几种数据压缩标准 进行比较分析的基础上，选择了m p e g 一4 作为视频压缩标准，然后对视频流在网 络上的传输策略进行了分析，选择了自适应编码方案，并对终端q o s 控制策略作 了探讨。 在c d m a 车辆监控系统运行过程中，监控中心会同时接收到从不同车载终端发 送过来的大量信息，这些信息分别对应着不同的事件。监控中心如何针对这些事 件，及时做出不同的响应和处理是整个c d m a 车载监控系统中最为重要的部分。在 对监控中心并发处理的性能要求进行分析的基础上，本文提出了优先数事件队列 算法来实现c d m a 车辆监控中心的并发调度机制，并给出了算法实现。 c d m a 车辆监控系统的事件处理时间可分为三个部分：车载终端处理时间、 信息传输时间、监控中心处理时间。受到c d m a 系统的数据传输速率的限制，在 整个处理时间中信息传输时间占了相当大比例。因此即使对监控中心和车载终端 的硬件处理速度进行大幅的升级也不会使监控系统的事件处理速度有大幅度的 提升。针对这种情况，本文提出了事件的智能化处理来提高系统并发处理事件能 力，并给出了事件智能处理机制的知识库与推理机的设计。 关键词：c d m a 车辆监控视频传输并发调度智能处理 r e s e a r c ha n dd e s i g no fv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nc d m a a b s t r a c t r e c e n t l y , t h e r eh a sb e e nm o l lf o c u so nt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s h o wt ou t i l i z ee x i s t i n gn e t w o r k i n gr e s o u r c e sa n dr e a l i z e t h em o n i t o r i n go fm o v i n go b j e c tw i t hl o wc o s th a v e b e e nt h ek e yi s s u e s c d m a n e t w o r k sc a nu t i l i z ei t so w nu n i q u ec h a r a c t e r s ，t h es t r i c ts y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n e n d d e v i c e sa n dn e tc l o c k s ，t or e a l i z et h el o c a t i o ns e r v i c e sw i t h o u tt h eh e l po fg p s s y s t e m s ot h el o c a t i o na n dm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n gb o t hc a r lb er e a l i z e d b yc d m an e t w o r k s 、 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ef o rv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc d m a n e t w o r k s ，a n a l y s e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fm o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h e e n d d e v i c e si n s i d et h ec a r i ta l s op r e s e n t sl o t so fi n - d e p t hr e s e a r c hi ns y s t e md e s i g n ， s u c ha sv i d e ot r a n s p o r t a t i o n ，c o n c u r r e n ts c h e d u l i n gs t r a t e g ya n di n t e l l i g e n tp r o c e s s i n g o f m o n i t o r i n gc e n t e r t h es t r e a m i n gm e d i ah a st h ec h a r a c t e ro fb i gv o l u m ea n dh i g h e rr e q u i r e m e n to f r e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t y h o w e v e r , t h el i m i t e du p l o a db a n d w i d t ho fc d m an e t w o r k s c a u s e st h ed i f f i c u l t yf o rv i d e os t r e a mt r a n s p o r t a t i o n i no r d e rt oe f f e c t i v e l yt r a n s f e r t h ev i d e os t r e a m 谢t hh i g hq u a l i t y , i tn e e d sm a n yt e c h n i q u es u p p o r t s b a s e do nt h e c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fv a r i o u sd a t ac o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，t h i sp a p e rc h o o s e s m p e g - 4a s t h ev i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d t h e n ，i ta n a l y s e st h et r a n s p o r t a t i o n s t r a t e 百e so fv i d e os t r e a m ，c h o o s e ss e l f - a d a p t i v ec o d i n gp l a na n dd i s c u s s e st h eq o s s t r a t e g yo f e n d d e v i c e s i nt h ep r o c e s so fc d m av e h i c l em o n i t o r i n g ，t h em o n i t o r i n gc e n t e rw i l lr e c e i v e l a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o nf r o md i f f e r e n t e n d - d e v i c e sa n dt h ei n f o r m a t i o ni s c o r r e s p o n d e n tt od i f f e r e n te v e n t s t h em o n i t o r i n gc e n t e rn e e d st om a k et h er e a l - t i m e r e s p o n s e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n te v e n tr e c e i v e d ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp a r tf o r t h ew h o l es y s t e m b a s e do nt h ec o n c u r r e n tp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e s ap r i o rq u e u ea l g o r i t h mt or e a l i z et h e c o n c u r r e n ts c h e d u l i n gs t r a t e g yo fc d m av e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e ma n d d e m o n s t r a t e sh o wt or e a l i z et h i sa l g o r i t h m t h et i m eo ft h ee v e n tp r o c e s s i n gi nc d m av e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mc a nb e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：e n d d e v i c ep r o c e s s i n gt i m e ，i n f o r m a t i o nt r a n s p o r t a t i o nt i m e a n dm o n i t o r i n gc e n t e rp r o c e s s i n gt i m e f o rt h el i m i t a t i o no ft h ed a t at r a n s p o r t a t i o n r a t eo ft h ec d m as y s t e m ，i n f o r m a t i o nt r a n s p o r t a t i o nt i m et a k eal a r g ep a r to ft h e w h o l ep r o c e s s i n gt i m e s ot h ei m p r o v e m e n to ft h eh a r d w a r eo fe n d - d e v i c ea n d m o n i t o r i n gc e n t e rw i l ln o ti m p r o v et h ee v e n tp r o c e s s i n gt i m eo ft h em o n i t o r i n g s y s t e m f o rt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni n t e l l i g e n te v e n tp r o c e s s i n gt o i m p r o v es y s t e m sc o n c u r r e n tp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n dd e m o n s t r a t e st h ed e s i g no f k n o w l e d g ed a t a b a s e a n dr e a s o n i n gm a c h i n eo fe v e n ti n t e l l i g e n tp r o c e s s i n g m e c h a n i s m k e y w o r d s ：c d m a ，v e h i c l em o n i t o r i n g , v i d e ot r a n s p o r t a t i o n ，c o n c u r r e n ts c h e d u l i n g ， i n t e l l i g e n tp r o c e s s i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主腻伍多嘭飞锣胁妒，锄细幼) - 委员：、 渺层4 ) ( 锄俐丐印瓷钆 扬阳【协彬量，劾衫) 导师： ( 伽卿) 吁勿7 ， f 铷孑勃扳7 胁y 移专孙孺7 插图清单 图1 1 车辆监控系统的组成 图2 1 简单i p 模式设备组成一 图2 2 嵌入式系统的组成 图2 3u m l 类图关系 图3 1 基于c d m a 网络的车辆监控系统结构图 图3 2 实验系统结构图 图3 3m p e g 4 视频流在网络上端到端传输的体系结构一 图3 4 基于二级r d 模型的速率控制流程 图3 5 差错重传机制 图3 6 事件处理策略示意图。 图3 7 事件智能处理机制结构图 图4 1 监控中心结构图 图4 2 监控中心软件结构图 图4 3 监控管理子系统的结构图 图4 4 信息管理子系统结构图 图4 5 监控系统数据库体系结构图 图4 6 管理员操作e r 图 图4 7 通信处理子系统的结构图 图5 1 监控终端结构框图 图5 2c d m a 车载终端硬件结构图 图5 3 数据定时上报用例图 图5 4 自动报警用例图 图5 5 执行监控中心的数据查询命令用例图 图5 6 执行监控中心的控制命令用例图 图5 7 执行监控中心的配置命令用例图 图5 8 车载终端的类图结构 图5 9 数据定时上报顺序图 图5 1 0 自动报警顺序图 图5 11 执行监控中心的数据查询命令顺序图 图5 12 执行监控中心的控制命令顺序图 图5 1 3 执行监控中心的配置命令顺序图 卫他m垤斟”铂驼钻卯如乳弱卯弘卵乱奶甜：2酌卯 一 一 一 一 一 一 一 一 一 |；|；|一| 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 表格清单 表3 1m p e g 4 同m j p e g 和m p e g 1 的比较 表5 1 几种模式下的定位结果 2 0 5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果也不包含为获得金照王些盍堂 或其他教百机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期靶户 学位论文版权使用授权书 么伊 本学位论文作者完全了解盒艘王些盍堂 有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金胆王些盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：哎务幻7 阳 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 在本文顺利完成之际，我衷心感谢所有给予我关怀、指导、帮助、支持和鼓 励的老师、同学、家人和朋友们! 首先，向我尊敬的导师魏臻教授表达我最诚挚的谢意! 感谢导师在项目开发 和课题研究中对我的信任和指导，让我得到了很好的培养和锻炼。在三年的学习 过程中，导师不仅在学业上给了我精心的指导，在生活及其它方面也给了我很大 的帮助。魏老师严谨的治学态度、渊博的学识、忘我的工作精神、超凡的管理才 能，都给我留下了深刻的印象。魏老师对我的鼓励和帮助，将使我终生受益。 感谢微型计算机研究所的张维勇教授，分布式控制实验室的张利教授和张建 军副教授，他们无论在生活上或在学习上都给了我很大的支持与鼓励。感谢中兴 通讯公司王昌银博士、潘秋菱博士给予的指导与教诲。感谢韩江洪教授对我的指 导和帮助，他严谨的治学态度和工作作风始终是我学习的楷模。 感谢研究生2 0 0 2 一1 5 班的韩进、马克刚等同学，感谢我的师弟王雪辉、师妹 李晓鹤，感谢c d m a 课题组的张平同学，在学习和工作中他们给予了我很多 的支持和帮助，对论文提出了许多很好的建议，衷心希望我们的友谊常存! 同时，我要感谢父母、爱人、弟弟和其他家人对我的支持和关爱。是他们的 关心和帮助，使我在三年里能够不断进步。在我彷徨时，他们给我鼓励；在我失 败时，他们给我勇气；在我成功时，他们让我清醒。我知道对他们仅用言语是无 法表达感谢的。只有不断努力，不断成功才是对他们最好的回报。我也衷心希望 这篇论文能让他们感到欣慰! 最后，我要感谢母校，感谢母校的老师传授给我知识。在合肥工业大学渡过 的三年研究生生活将使我终生难忘! 作者：周霞 2 0 0 5 年5 月1 8 日 1 1 引言 第一章绪论 自“汽车化时期”以来，随着汽车数量的快速增长，由于道路的慢速建设 造成的道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费的现象在世界范围内变得越 来越严重。人们越来越认识到交通工程不仅仅是道路建设与车辆管理，而是要 用高度复杂的动态系统观点去研究现代交通系统，综合人、车、路、环境四要 素，充分利用当前社会信息化的趋势，将运输系统与信息技术融合在一起，建 立起大范围可控的、高度优化的、能够满足现代社会需求的先进交通系统。 从2 0 世纪6 0 年代末开始兴起的_ 智能交通系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，i t s ) ，就是顺应这种形势而产生的新型交通系统。它综合应用系统工 程、控制技术、通信技术、信息技术、人工智能等多门学科，通过实现交通基 础设施智能化、交通工具智能化、交通系统智能化为手段，以期建立一种信息 化、一体化的交通综合体。 1 2 i t s 1 2 1i t s 的组成 i t s 是在传统的交通系统上发展起来的新型交通系统，涉及到交通运输中 的各个方面，包括许多子系统。其中，主要的子系统和研究方向包括”3 ： 先进交通管理系统( a d v a n c e dt r a v e lm a n a g e m e n ts y s t e m ，a t m s ) 先进交通信息系统( a d v a n c e dt r a v e li n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t i s ) 先进车辆控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m s ，a v c s ) 先进公共交通系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ，a p t s ) 商用车辆运行系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，c v o m ) 自动高速公路系统( a u t o m a t e dh i g h w a y ss y s t e m ，a h s ) 电子收费系统( e l e c t r o n i cf e ec o l l e c t i o n ，e f c ) 1 2 2i t s 的发展 目前世界各国对i t s 的研究投入了大量的人力物力，成立了许多著名的机 构与组织，如欧洲的e r t t i o ( e u r o p er o a dt r a n s p o r tt e l e m a t i c si m p l e m e n t a t i o n o r g a n i z a t i o n ) ，美国的i t sa m e r i c a n 等，他们旨在全面开展i t s 技术在交通运 输各个领域的开发和推广。 8 0 年代中期，i t s 试验计划在欧洲大规模实施起来。1 9 8 8 年由欧洲十多个 国家投资5 0 多亿美元，联合执行的一项旨在通过先进的信息和通信技术来提高 交通安全和减少交通阻塞，从而完善道路设施，提高服务质量的d r i v e 计划， 现在已经进入第二阶段的研究开发“1 。 美国交通部从1 9 9 2 1 9 9 7 年在i t s 的研究开发上投资达到l o 亿美元，更有 一项到2 0 1 1 年总共投资2 0 9 0 亿美元的项目计划。i t sa m e r i c a n 的实施战略是 通过实现面向2 l 世纪的“公路交通智能化”，从根本上解决和减轻事故、混杂、 低效率、能源浪费等交通中的各种问题n ，。 在我国i t s 的研究才刚刚起步，但是已经在城市交通管理、高速公路监控 系统、自动收费系统、安全保障系统等多方面取得了多项成果。我国政府部门 也非常重视i t s 的研究与开发，科技部已经正式将i t s 列入了中国高新技术开 发和产业化计划m ，。 1 3 车辆监控系统 1 3 1 车辆监控系统的组成 车辆监控系统是综合利用了电子技术、自动控制技术、通信技术以及信息 技术使得车辆监控中心能够实时掌握车辆动态信息，并进行监控、调度和安全 保障的高科技系统。在i t s 中，车辆监控系统具有重要的地位。实时获取车辆 信息和状态，能够对车辆进行实时监控是实现a t m s 、a t i s 、a p t s 、c v o m 等 子系统的前提m 。 如图1 1 所示，车辆监控系统由监控中心、通信链路和车载终端组成。 图1 1 车辆监控系统的组成 ( 1 ) 监控中心 监控中心接受并处理车载终端通过网络上传的数据，并采取相应措施，实 现车辆调度、安全保障和信息发布等业务。对于规模较小的监控系统，它可以 被安置在一个中心机房内。而对于规模较大的涉及部门较多的监控中心必须设 置多个分中心才能满足不同的需求并减轻总中心负担。监控中心包括监控管理 服务器、数据通信服务器、数据处理服务器、中心数据库以及监控屏等部分。 f 2 1 通信链路 通信链路负责车载终端与监控中心之间的双向数据通信。它一般包括无线 链路和有线链路，车载终端直接利用的是无线链路，而大规模的监控中心，尤 其是利用蜂窝网络的监控中心，一般是利用d d n 专线直接从网络的数据中心 获取有关数据，并根据需要，通过防火墙和路由器接入i n t e r n e t 。 ( 3 ) 车载终端 车载终端的主要用于检测车辆的速度、各种状态参数以及实现与监控中心 的双向通信，并提供安全报警措施。它包括各种车辆传感器、通信设备、车辆 自动控制设备、显示终端和图像采集系统。 1 3 2 车辆监控系统的发展 目前，全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 技术用于地面移 动目标的跟踪定位已经十分广泛。另一方面，随着计算机软件技术的发展，大 量数据处理专用软件的开发，有效地促进了地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 的发展。作为g p s 应用的载体g i s 技术以其准确而可靠 的数据、多样化的信息输出，开拓出了广泛的应用空间。尤其是在智能交通领 域，通过g p s 、无线通信、g i s 技术的有机结合，为车辆监控、交通控制的智能 化提供了大量的解决方案。 例如，美国v i v o d a 通信公司利用国际上先进的核心技术m p e g 4 压缩方式， 推出了车载数字视频监控系统v d h 2 2 0 2 ”1 。它是一款以单机独立使用、安装简 易快捷的嵌入式音视频监控设备。它将现场的音视频信号根据g 7 2 3 1 ( 音 频) h 2 6 3 m p e g 4 f 视频) 协议通过硬件压缩后，存储在闪存卡或硬盘等多种介质 中。当出现报警时，现场的音视频信号还可通过附加的通信模块实时传送到监 控中心。最多可连接4 路视频信号，监控端通过线路切换方式监视其中任意一路 图像。 在我国，随着无线网络的发展，基于无线网络技术的应用在国内也得到了 充分的重视，各个厂商纷纷推出了自己的解决方案。例如：方正数码公司提出 的基于位景相关的信息服务结合无线互联网的应用和解决方案，在上海a p e c 会 议和山西移动得以成功实践。1 。沈阳旭光电先进电子技术有限公司基于g p s 全球 卫星定位技术、g s m 全球移动通讯技术、g i s 地理信息系统和计算机网络通信与 数据处理技术，在g s m 通讯平台上开发出来的适用于各行业的车辆监控派遣系统 已在许多地方得到成功应用“。神州数码网络公司面向公交、出租、物流行业 推出的g p s 应用解决方案，该方案前台为神州数码开发的结合g p s 的g s m g p r s 无 线通信终端，通过遍及全国的运营商网络实现数据通信，与后台的调度监控中 心建立语音和数据联系，从而实现道路交通中的车辆管理与车辆调度“。 这些无线监控系统方案基本上都是基于g p s 和g s m g p r s 网络，而基于 c d m a 网络的无线移动监控技术的研究则刚刚起步，目前国内尚无成功应用的 相关报道。 1 4 课题背景和论文结构 1 4 1 课题背景 随着国民经济的持续增长和人民生活水平的不断提高，汽车逐渐成为大众 化的交通工具。近几年，我国私人汽车的拥有量大幅增长，而随着中国加入 w t o ，汽车价格的降低，国民的汽车购买力将迸一步增强。与之对应的是，汽 车的动态管理问题成为个人和社会都急需解决的问题。据统计，2 0 0 1 年，仅我 国台湾地区，投保汽车中，整车失窃数1 3 8 1 5 辆，赔款金额高达2 4 8 亿新台币 “。再以长途客车和出租车为例，有关资料显示，2 0 0 2 我国长途客车有3 0 万 辆，9 9 的长途客车没有安装任何监控设备；全国共拥有出租车1 4 0 万辆，仅 北京市区内就拥有6 7 万辆出租车。长途客车运营过程中经常出现盗窃、抢劫 等违法事件，而出租车上频频出现的抢劫、杀害司机等恶性案件，都极大地危 害到了人民群众的财物和人身安全”1 。 随着c d m a 等新一代移动通信网络的普及，如何尽可能地利用已有的网络 资源，低成本地实现对移动物体的精确定位成为研究的焦点。传统的g p s 定位 方法定位精度较低，定位时间长，受地理环境的影响较大，要想把定位信息传 输出去，实现与g i s 的集成，还需要附加网络的支持。c d m a 网络可以利用网 络的终端与网络严格的时钟同步、基站可以提供g p s 导航信息、用基站导频信 号的码片时延等特性来确定距离，并且可以实现定位传输一体化，因此研究基 于c d m a 的无线定位技术逐渐成为发展的趋势之一。 为了配合合肥市科技局项目基于c d m a 的车辆定位监控与可视监测装置 的研制【合科2 0 0 4 2 0 】以及中兴通讯股份有限公司项目基于c d m a 网络的 汽车智能防盗与监控技术研究【中兴2 0 0 4 1 2 】的实旌，提出了基于c d m a 网络的车辆监控系统的研究与设计这一研究课题。 汽车产业是我市、我省、我国乃至全世界最大的支柱产业，也是目前研究 开发的前沿和热点。利用现有的c d m a 通信网络，研究面向汽车的监控系统， 提供车辆动态信息查询服务。在此基础上可提供汽车定位与防盗，车辆调度与 监控，车辆综合管理等多种服务，可以广泛应用于各种车辆，特别是军警车、 银行运钞车、环境检测车等特种车辆上。 本监控系统的研究，将汽车与通信这两大经济增长热点联系在一起，很好 地解决了车辆信息动态实时掌握的问题，拓展了c d m a 无线通讯的应用领域， 必将拉动国民经济的增长，具有极大的社会效益和经济效益。 1 4 2 论文组织结构 c d m a 车辆监控系统主要由监控中心、通信链路和车载终端组成，本文主 要研究系统设计过程中的几个关键问题，并对监控中心和车载终端的软硬件设 计作了详细阐述。 具体的内容组织安排如下： 第一章为绪论，主要是论文的研究背景和研究的主要问题。 第二章为系统相关的支撑技术介绍，主要介绍了c d m a 通信技术、嵌入 式系统、嵌入式操作系统以及统一建模语言。 第三章为系统关键问题的研究，主要内容为：视频码流在c d m a 无线网 络上传输需要解决的相关问题的研究、监控中心的并发调度特性分析与调度算 法的研究、事件的智能处理机制的研究。 第四章为监控中心的设计，主要内容为：监控中心的主要功能、监控中心 的硬件结构以及监控中心的软件设计。 第五章为车载终端的设计，主要内容为：车载终端的结构分析、车载终端 的实现方案分析、车载终端的定位方案分析以及车载终端的软件设计。 第六章为工作总结与展望。 2 1c i ) m a 通信技术 第二章系统支撑技术 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 码分多址，是一种采用先进无 线扩频技术的数字通信多址接入方式，所有用户在同一时间、同一频段上、根 据编码的不同获得业务信道。c d m a 2 0 0 0 标准的发展经历了从i s 9 5 a 、i s 9 5 b 到c d m a2 0 0 0l x 及c d m a2 0 0 0l x e v 的发展过程“。 2 1 1 多址技术简介 多址技术使众多的用户可以共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现 多址的方法基本上有三种，分别为频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 、时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和码分多 址( c d m a ) 三种接入方式o “。 频分多址是以不同的频率信道实现通信的，时分多址是以不同的时隙实现 通信的，码分多址是以不同的代码序列实现通信的。 1 频分多址 频分多址把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道，每个信道可以 传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信 道中的任何一个。但在用户呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。 f d m a 系统每个信道占用个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号 带宽的要求。由于有多少信道，就需要有多少部收发信机，因而基站复杂庞大， 功率损耗大。在f d m a 系统中，分配好语音信道后，基站和移动台都是连续传 输的，所以在越区切换时，必须瞬时中断数十至数百这毫秒，因此可能造成数 据传输的丢失。 2 时分多址 时分多址是在一个带宽的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再 分割成若于时隙，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。 t d m a 是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同 的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。t d m a 中关键部分为用户部分，每一 个用户分配给一个时隙，用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。 当自己的时隙到来时，移动台就肩动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信 息进行解码。同样。当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等待自己时 隙的到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累 6 下一次猝发式传输。 3 码分多址 码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它 不像f d m a 、t d m a 那样把用户的信息从频率或时间上进行分离，它可以在一 个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其 关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来 的信息。 码分多址建立在正交编码、相关接收的理论基础之上，运用扩频通信技术 解决无线通信的选址问题。它要求发射端采用互不相同的正交( 或准正交) 地 址码分别调制不同用户的发送信号，其信号分割依据各信号码型之间的差异来 实现，因而各个信号使用相同的频带，在时间和空间上也可相互重叠。在码分 多址系统中，信号的相互正交问题相应地转变为地址码的相关函数问题。 地址码的自相关函数很大，互相关函数很小。假设x i ，x j 分别表示用户i 、 i 的地址码，则地址码的正交性可表示为： l 曩t z ，而t t ，以一 ： ：2 。jf ，j i ：1 ，z 女 i 歹 ，2 z 鼻 对于任何一种多址方式，信号之间都不可能绝对理想正交。在频分多址系 统中，因信号时间有限，信号的频谱分量是无限延伸的，因此导致不同用户的 信号在频率上产生部分重叠。对于时分多址系统，因频带有限，信号在时域上 也有重叠部分。在码分多址系统中，对于任何一种编码方案，其完全满足绝对 正交的地址码数目是很少的，根本无法满足实际用户容量的需要，因而在实际 系统中仅要求地址码准正交。 扩频通信是指系统将所需传输的信号扩展到一个很宽的频带，因而在信道 中传输信号的带宽远远大于原始信号本身的带宽，属于宽带通信。将用户信息 信号调制的载波进行二次调制，扩展其信号频谱。在信道中许多用户的宽带信 号相互叠加同时进行宽带传输。在接收端，接收机不仅接收到宽带信号，还同 时接收到宽带、窄带干扰和噪声。系统利用本地产生的地址码对收到的信号及 噪声进行解调，凡地址码与本地地址码完全一致的宽带信号可还原成窄带信号， 而其它与本地地址码无关的宽带信号和宽带噪声们保持宽带，窄带干扰则被扩 展为宽带，解调信号经过窄带滤波器后，信噪比得到极大提高，可将所需要信 号分离出来。与频分多址、时分多址相比，码分多址有以下5 个特点： r 1 ) 需要足够多且满足准正交条件的地址码。 ( 2 ) 接收端采用匹配滤波器或相关接收机解扩信号。 ( 3 ) 币l j 用地址码对用户信息进行扩频调制，使信号占用频带大大展宽，以便 进行宽带传输。 ( 4 ) 为了保证相关检测，接收端除了实现载波同步外，还必须保证地址码的 同步。 ( 5 ) 系统要在同频、同时的条件下对功率进行分割，就必须采用功率控制技 术，使接收机收到的信号功率相等，避免远近效应。 2 1 2c d m a 定位技术 各种无线定位技术，均是通过测量接收到的无线电波信号的参数，根据特 定的定位算法计算出移动终端的位置。测量参数一般包括传播时间、信号强度 以及到达角等。目前，c d m a 网络中采用的基本定位技术主要有以下几种。 1 基于c e l l i d 的技术 c d m a 网络中，用户所在基站扇区的c e l li d 信息在执行移动端的相关操 作过程中被传送到移动交换中心，从而移动交换中心可以根据基站扇区位置信 息获取用户位置信息。采用这种方法时终端侧不需要作任何软硬件的修改，网 络侧不需要增加新的网络实体。由于仅仅利用网络中附带的定位信息，因此定 应手段简单、定位精度与服务小区的大小成正比。 2 a o a ( a n g l eo fa r r i v a l ) 技术 a o a 技术是一种基于上行链路的定位方法，它根据在基站测量到的来自移 动台信号的到达角来估计移动台与基站的距离。移动台和基站周围附近的散射 影响，将使被测的a o a 产生偏差，因此当移动台和基站相距较远时，其a o a 的精度将明显下降。在障碍物较多的环境中，由于无线传输的多径效应，误差 较大，定位精度也较低，尤其是当移动台距离基站较远时，基站定位角度的微 小偏差将导致测位线距离的较大误差。 3 t o a t d o a ( t i m eo fa r r i v a l t i m ed i f f e r e n to fa r r i v a l ) 技术 t o a t d o a 技术也是基于上行链路的定位方法。在t o a 技术中，通过测 量移动台信号到达多个基站的传播时问来确定移动用户的位置。只需三个以上 的基站接收到移动台的信号，就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。 而在t d o a 技术中，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台 的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二 维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站 接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。t d o a 方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于 信道产生的共同误差，因此通常情况下，其定位精度高于t o a 方法。 4 i p d l a f l t ( i d l ep e r i o dd o w n l i n k a d v a n c e df o r w a r dl i n kt r i l a t e r a t i o n ) 技 术 i p d l 技术是一种基于下行链路的定位方法，应用于w c d m a 系统“。定位 期间，服务基站在很短的空闲周期( i d l ep e r i o d ) 内完全停止发送所有信号。在空 闲期间，移动台测量临近基站的不处于空闲周期状态的基站只发送的定位导频 信号。停止其他业务信道信号的发射，有效地减小了c d m a 网络中远近效应和 多址干扰的影响，提高移动台对临近基站的信号监听能力，有效地检测出这些 基站信号到达移动台的时间( t o a ) 以及相互之间的到达时间差( t d o a ) 。研 究表明，空闲周期地设置会显著提高t d o a 定位法的性能，对系统容量的影响 则很有限“。a f l t 技术适用于c d m a 2 0 0 0 系统，机理类似于i p d l 技术。定位 过程中，移动台可同时监听多个基站( 至少三个基站) 的导频信息，利用码片时 延来确定手机到附近基站的距离，最后用三角定位法算出用户的位置“”。a f l t 定位技术，需要在网络中增加新的实体，从而获得导频信息，算出移动台的位置。 其定位精度介于c e l l i d 识别和g p s 定位技术之间。其主要影响因素是基站密度 和地形环境。 5 a g p s ( a s s i s t a n tg p s ) 技术 传统的g p s 定位系统，应用相当广泛。如果在网络中使用该定位技术， 就必须在移动端增加g p s 接收机以双模式、双频率方式工作。由于存在较 多的定位盲区、在搜索检测卫星信号时功耗过大、冷启动时间较长，没有建立 空中数据链路，属典型的自定位方式，系统难以获得移动终端信息，所以无法 完成移动终端所要求的低功耗、快定位的紧急救护需求“”1 。因此，该方式必 须与通信网络相联合。目前较实用的是网络辅助的g p s 定位( a g p s ) 。通过 网络跟踪g p s 卫星信号，解调出g p s 导航信号，并将这些信息传送给移动台， 移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的g p s 卫星。 目前，把多种基本定位方法结合在一个系统中，充分发挥各自定位性能的 优点，弥补各自不足的混合定位技术成为c d m a 无线定位应用中的主流。 2 1 3c d m a 短消息业务 在c d m a 移动通信系统的各项业务中，短消息业务与语音传输一样，同为 c d m a 移动通信网络提供的主要电信业务。它不用拨号建立连接直接把需要发 送的信息加上目的地址，然后通过无线控制信道发送到短消息服务中心，经短 消息服务中心完成存储和转发，最后到达信宿的一种数据业务。短消息的收发 不影响通话。短消息业务可以使网络端知道被叫方是否己收到