（电磁场与微波技术专业论文）专用短程通信协议研究及电子不停车联网收费系统设计.pdf

专用短程通信协议研究及电子不停车联网 收费系统设计 摘要 本文的第一部分介绍了智能交通的概念、关键技术、应用业务、体 系结构、国内夕 的发展现状以及未来的四个主要发展方向。论文第二部 分是关于智能交通中使用的一种主要通信技术一专用短程通信：首先介绍 了智能交通比较普遍使用的三种通信技术；然后着重介绍了专用短程通 信技术以及它的三个组成部分，重点是其中的专用短程通信协议( d s r c 协议) 一它是实现车载设备和路边设备之间通信的基础；介绍了世界上主 流的三种专用短程通信协议体系，然后对o s i 参考模型、t c p i p 体系和 d s r c 协议栈三者的异同进行了比较。论文的第三部分涉及专用短程通信 协议的第二层一数据链路层协议。本人曾参与制定中国国家标准一交通专 用短程通信的数据链路层协议，本协议的制定参照欧洲预标准e n v1 2 7 9 5 ， 吸收了其中大部分的合理内容，并且对其中有错误、有歧义的地方提出 自己的解决方法。c e n1 2 7 9 5 中，车载设备m a c 子层对路边设备m a c 子层 分配的公共上行链路窗口的选择机制存在模糊不清的地方，本人根据原 文的中心思想提出较具体的公共上行链路窗口选择机制；此外，还对l l c 子层的类型一操作、类型三操作进行了分析。论文的第四部分与电子不 停车联网收费有关，介绍了电子不停车联网收费的概念、意义、国内外典 型的工程应用；阐述为了实现不同电子不停车联网收费系统之间的兼容 对系统在技术平台和业主平台这两个层面上的要求、欧洲形成的兼容性 系统体系以及我国在欧洲的该体系基础上形成的具有我国特色的兼容性 系统体系。论文的最后部分是关于如何实现一个具体的不停车电子联网 收费系统，介绍了它的组成部分、功能、实现。 关键词：智能交通( i t s ) 专用短程通信( d s r c ) 数据链路层电子不停车 联网收费( i e t c ) d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l r e s e a r c ha n dd e s i g n0 fae l e c t r d n l ct o l l c o l l e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t n o w d a y 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 ( i t s ) g a i n sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ni t ， a n dc a l lb er e g a r d e da sa c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o n ss y s t e md e a l i n gw i t h r o a dt r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o nu s i n gd i f f e r e n tt e c h n o l o g y i t si sak e yt oe n h a n c et h e a b i l i t yo ft h ee x i s t e dt r a d i t i o n a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n ds o l v ed i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o n p r o b l e m s t h et h e s i si sm a i n l yc o m p o s e d o ff i v ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eg e n e r a l p i c t u r eo fi t s ，i n c l u d i n gi t sc o n c e p t 、t e c h n o l o g y 、a p p l i c a t i o ns e r v i c e 、s y s t e ma r c h i t e c t u r e a n dp r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fe u r o p e 、u s a 、j a p a na n dp e o p l e s r e p u b l i co f c h i n a ；b e s i d e s ，i t sf o u rd e v e l o p m e n td i r e c t i o ni sd i s c u s s e d t h es e c o n dp a r ti sm a i n l ya b o u t t h ed e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c ka n di ti si n t e r e s t i n gt oc o m p a r e d s r c p r o t o c o l s t a c kw i t ho s i 一7m o d e la n dt c p i pa r c h i t e c t u r et o g a i n s o m e c o n c l u s i o n s t h et h i r dp a r ti si nr e g a r dt ot h ed a t al i n kl a y e rp r o t o c o l e n v1 2 7 9 5 一o f d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi st h es e c o n dl a y e ro ft h ed s r c p r o t o c o l s t a c ka n di n v o l v e sm e d i u m a c c e s s ( m a c ) s u b l a y e r a n d l o g i c a l l i n k c o n t r o l ( l l c ) s u b l a y e r p u b l i cu p l i n kw i n d o ws e l e c t i o nm e c h a n i s mo ft h em e d i u m a c c e s ss u b l a y e ri sn o t c l e a ra n de x i s t ss o m ei n c o n s i s t e n c ya n de r r o r , a n dan e wm e c h a n i s mi sb r o u g h tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e dm e c h a n i s m t h el o g i cl i n kc o n t r o ls u b l a y e rp r o v i d e st w o 虹n d o f s e r v i c et oi t ss e r v i c eu s e r ：a p p l i c a t i o nl a y e r , a n dt h e i rp e r f o r r n a n c ei sd i s c u s s e dt o o t h e f o u r t hp a r ti n t r o d u c e st h ei n t e r c o n n e c t e de l e c t r o n i ct b uc o l l e c t i o n ( i e t c 、s y s t e m e t c s y s t e m e n a b l e st o l l c h a r g e s t ob ed e d u c t e da t t o l l g a t e sb y m e a n so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i ti sat r e n dt o g a i nc o m p a t i b i l i t ya m o n gv a r i o u se t cs y s t e mt oe x p a n d t h i sa p p l i c a t i o n e u r o p eh a sa d v a n c e di t sa r c h i t e c t u r et om e e tt h ed e m a n d ；a n do u rc o u n t r y a l s od e v e l o p si t sa r c h i t e c t u r eo nt h eb a s i co ft h ee u r o p e a na r c h i t e c t u r e i nt h ef i f t hp a r to f t h et h e s i s ，t h ea u t h o rt a l k so f p r i c i p l ei nt h ei e t cc o n s t r u c t i o ni np r ca n dt h ei e t c s y s t e m f r a m e w o r k i n c l u d i n g t o l lc e n t e r 、t o l ls u b c e n t e ra n dt o l ls t a t i o n f i n a l l y , d e s i g no fo n ea c t u a l e t c s y s t e m i sp u tf o r w a r d k e yw o r d 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 ( i t s ) d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ( d s r c ) d a t a1 i n kl a y e r e l e c t r o n i ct o i lc o l l e c t i o n ( i e t c ) 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈现交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之外，本人承担一切相关责任。 率人签名：鍪熟塑 日期： 迎竺：三： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并同国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学 立论文被至阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复帝4 手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名： 馨叙夥 日期：里! 盟立生 北京邮电大学硕士研究生论支 日l j 舌 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 ns y s t e m - 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相结合，运用于整 个地面运输管理体系，建立起的能在大范围、全方位发挥作用的，实时、准确、高效 的综合运输和管理系统；它是一种有效地发挥道路的潜在通行能力、运输能力的新兴 技术。智能交通所包含的内容很广，电子不停车联网收费是目前比较成熟和发展非常 迅速的一种应用。作者在研究生阶段参加了国家标准一交通专用短程通信中数据链路 层协议的制定，并且参与了实验室项目一电子不停车联网收费实验系统的研究。 本人的论文结构分为五章： 第一章：介绍了智能交通的概念、关键技术、包含的主要业务类型、体系结构以 及由数据采集系统、数据加工系统、数据存储系统、数据响应系统( 数据发布系统) 组成数据处理体系。介绍了欧洲、美国和日本这三个i t s 比较发达的国家和地区的 i t s 发展历史、现状和一些具体项目应用；与之对比的是我国的智能交通发展状况。 最后介绍了智能交通最有前景、而且也是现在各国研究热点的四个发展方向。 第二章：首先介绍了智能交通中所使用的几种通信技术，比较了它们的优缺点； 根据这三种通信技术的优缺点、国内外的技术趋势和标准制定状况，得出专用短程通 信是智能交通最有前途、将来占主流地位的技术选择。介绍了构成专用短程通信的三 个部分：路边单元、车载单元和专用短程通信协议，其中的专用短程通信协议是本章 的重点。介绍了世界上不同国家和地区的专用短程通信协议体系，特别对欧洲三层体 系结构的专用短程通信协议进行了详细介绍；同时比较了o s i 参考模型、t c p i p 体 系和d s r c 协议栈之间的相似点和差异。 第三章：介绍了欧洲的e n v1 2 7 9 5 一专用短程通信协议中位于第二层的数据链路层 协议。数据链路层包括媒质访问控制( m a c ) 子层和逻辑链路控制( l l c ) 子层。介绍 了媒质访问控制子层的“服务访问点( s a p ) 的建立”、“路边设备m a c 子层对上行链 路窗口的分配”和“车载设备m a c 子层对公共上行链路窗口的选择机制”三个内容： 重点对“车载设备m a c 子层对公共上行链路窗口的选择机制”进行了分析和在原有机 制上的改进。介绍了逻辑链路控制子层提供的两种操作一“类型一操作”和“类型三 操作”、类型三操作的帧次序检测机制以及对这两种操作的分析。 第四章：简述了电子不停车联网收费( i e t c ) 出现的背景、概念以及应用i e t c 所带来的效益；美国、欧洲、日本和国内电子不停车联网收费的发展现状及这些地区 有代表性的e t c 工程。目前，不同的路段由不同的经营者经营，为了实现一个电子标 签在不同的e t c 经营者所辖收费路网中能够“一卡通行”，提出了分属不同经营者的 e t c 系统之间相互兼容、互联互用的问题：欧洲在技术平台和经营者间协议这两个层 面上构建了实现联网收费的体系结构；我国在此基础上也制定了本国的电子不停车联 北京邮电大学硕士研究生论文 网收费体系结构。 第五章：介绍了电子不停车收费在我国目前和将来的应用范围以及实行电子不停 车联网收费的原则。我国现阶段实行全国联网的电子不停车收费是不现实的也是不可 行的，然而目前的电子收费系统设计必须要考虑到将来升级到联网收费的需要。电子 不停车联网收费系统是一个包括：收费中心、收费分中心、收费站的三级体系结构。 最后介绍了实验室项目：一个实际收费系统的功能、结构、实现。 根据本人在研究生阶段的工作和实践，论文的主要贡献有以下四点： 1 比较了o s i 参考模型、t c p i p 体系和d s r c 协议栈，得出它们的共通之处和区 别之处。 2 参与制定国家的数据链路层协议标准，起革翻译c e n1 2 7 9 5 的初稿，对原文中 有错误、意思不清晰之处进行勘误。c e n1 2 7 9 5 中车载设备g j a c 子层对路边设备凇c 子层分配的公共上行链路窗口的选择机制存在歧义和模糊之处，本人遵循原文思想修 正了公共上行链路窗口的选择机制。 3 。分析数据链路层协议中l l c 子层的类型一、类型三操作的各种传输情况；解释 了如何根据相关参数鉴别一个a c n 命令p d u 和a c n 响应p d u 是否之前命令和响应的重 复，并且用图描述出来；推算类型三的数据帧平均传输时间、最大流量。 4 参与实验室电子不停车联网收费项目的研究，设计系统的整体结构及其各个功 能模块。 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章智能交通系统综述 1 1 智能交通简介 当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤的问题。由于交通拥挤，人们每天消 耗在上下班途中的时间比平时平均多了1 5 个小时：同时，交通拥挤还导致商业车辆 在交通运输中的延误，增加了运输成本。然而有限的土地和经济等制约条件使得道路 建设不可能达到相对满意的里程数，因此，需要在不扩张路网规模的前提下提高交通 路网的通行能力。 1 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 ns y s t e m 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相结合，运用于整 个地面运输管理体系，建立起的能在大范围、全方位发挥作用的，实时、准确、高效 的综合运输和管理系统。 该系统将汽车、驾驶员、道路及相关的服务部门相互联结，使汽车在道路上的运 行功能智能化。系统将采集到的道路交通及服务信息经服务中心集中处理后，传送到 公路运输系统的各个用户( 驾驶员、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等 部门) 。出行者可根据收到的信息实时选择交通方式和交通路线；交通管理部门可自 动进行合理的交通疏导、控制及事故处理：运输部门可随时掌握车辆的运行情况，合 理调度。i t s 能保证交通系统的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，提 供最佳公路网通行能力，提高整个交通运输系统的机动性、安全性和运输效率。 i t s 的出现是交通运输网络的一场革命，它强调的是系统性、信息交流的交互性 及服务的广泛性。其最终目的是实现车、路、人高度一体化，极大提高综合交通运输 效率、保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率，最终实现完美化交通。 2 智能交通是现代高新技术与信息技术结合的必然产物，也是交通信息化的必然结 果。它涉及到政府、公安、交通、建设等管理部门，影响到社会、经济、生态环境、 人居生活等各个方面。因此，智能交通的构建是一项艰巨而复杂的工程，特别要加强关 键技术的研究和攻关，这些关键技术主要包括人工智能技术、虚拟现实与仿真技术、 高速网络技术、3 s ( g i s 、r s 和g p s ) 技术与自动定位和导航技术等。 ( 1 ) 人工智能技术 人工智能是当今世界的尖端技术之一，该技术在交通领域的应用必将带来革命性 的变化。机器视觉、听觉与触觉的发展以及机器人的行动与协调机制的研究，将大大 促进交通智能控制和智能管理。机器人在交通领域可以大显身手：处理各种繁杂的交 通事件、进行交通管理和交通调度等。通过研制专家系统应用在城市交通的运输调度、 信息预报、事故分析和智能控制等方面有助于管理者做出决策和判断，极大地提高工 z i p 京邮电大学硕士研究生论文 作效率和工作质量。 ( 2 ) 虚拟现实和仿真技术 虚拟现实和仿真技术为城市交通提供了崭新的表现方式，可以构造出一种模拟现 实或虚拟现实的行驶环境，具有三维视觉、立体听觉和触觉的效果，让人切实体会到虚 拟交通的欢乐和美妙。运用虚拟现实和仿真技术，通过模拟交通运行取得城市交通的 各种相关数据，为城市交通的规划和设计提供了高科技的手段：同时，也为驾驶员进行 最佳路线的选取提供有利依据i 特别是在交通资源的部署、交通工具的分配和交通方 案的优选等方面具有独特的优势，为人类认识和改造城市交通提供前所未有的观察和 分析工具。 ( 3 ) 3 s 技术 3 s 技术包括遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 技术。通过 3 s 技术主要实现交通数据采集、交通工具的定位与监控、车辆的自动导航以及交通 信息的管理等功能。利用r s 技术可获取交通流的相关要素和道路网络布局等方面的 直观资料，还可以为城市交通规划提供所需的遥感图像。利用g i s 技术来管理交通数 据、建立交通信息模型、交通现状分析与评价。现代车辆定位与导航是发展i t s 的关 键环节，差分g p s 定位技术运用在船舶进出港口，连续2 4 小时实施三维定位使船舶导 航精度达到几m 。同时，gps 技术还可应用于飞机航道的测定和机场的控制中心，保 证飞机的安全航行与降落；对车辆的位置进行实时的监控，显示车辆的位置、运行路 线、方向、速度及状态等。指挥人员可以根据屏幕上显示的车辆位置调度管理车辆， 提高工作效率。特别是3 s 技术的集成，可实现车载、舰船定位导航和对地面目标的定 位、跟踪、测量等实时作业，也可用于车船自动驾驶以及航空导航等。 ( 4 ) 宽带网络技术 计算机网络技术是构筑智能交通不可缺少的高新技术。宽带网络技术支持基于网 络的分布式计算机操作系统，支持基于对象的分布式网络服务、分布处理和互操作协 议等。智能交通涉及到大量高清晰度的图形、影像，还有声频、视频等多媒体数据， 在宽带网络的支持下才能够保证各种交通信息的全方位服务，为数据共享、更新、实 时交流提供便捷的途径；并将城市交通的各个环节紧密地联系在一起，形成一个有机、 高效的交通系统。 3 在i t s 中，主要的应用业务有以下几种： ( 1 ) 自动收费 目前许多国家都在研究自动收费系统并制定了相应的标准。此系统在5 8 g h z 的 频段上通过0 b u ( 车载设备) 和r b u ( 路边设备) 之间的通信来提供交易业务。目前 它是国外i t s 研究中最基本的应用业务。 ( 2 ) 导航信息 4 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 导航信息业务是i t s 的第二类应用业务，它为道路使用者提供了与交通、天气状 况等有关的信息：不过目前此类业务主要还是通过路边情报板或f m 广播系统来提供。 ( 3 ) 安全驾驶的信息业务 此类业务主要是向驾驶员提供可能由于大雾、交通事故引起的突发事件的动态实 时交通信息。此类业务的要求较高，比如：对于紧急报警业务就要求在事件发生后的最 短时间内尽可能地通知到附近的所有车辆，以避免更多的交通事故发生。 1 2 智能交通的体系结构 i 21 智能交通系统的结构 交通系统的管理需要大量信息，包括一些预先收集、存储的数据和实时获取的数 据。传统的交通管理系统由于信息处理能力不足、信息的收集手段和发布途径及内容 都相对比较简单，很难及时获得交通系统整体的真突隋况，因此很难对交通系统进行 迅捷、准确的管理和控制。 i t s 充分利用了科学技术的进步，借助现代的各种高新技术( 如有线无线通信、 地球信息、影像技术) 准确及时地收集各种相关信息并快速对之进行加工和处理，为 管理交通系统提供足够的信息支持；同时通过为个体交通行为提供出行诱导信息合理 引导个体分散进行的交通行为，达到提高交通系统整体效率的目的。i t s 的体系如图 i - i 所示： 4 喜曩 蠢 公 尚 羹曩 鋈 蓁蓁 蓁 囊 l数据处理系统 图卜1i t s 的体系结构 i 2 2 智能交通系统的数据处理体系 数据是智能交通的处理核心，i t s 需要一个功能强大、响应快捷的数据处理体系。 i t s 的数据处理体系由数据采集系统、数据加工系统、数据存储系统、数据响应系统 ( 数据发布系统) 组成。见图卜2 。 北京邮电大学硕士研究生论文 图卜2i t s 数据处理体系 静态数据是在运行过程中不会改变且在较长时间内不会改变的数据信息；这些信 息一般已经先期采集完成，通常包括有：道路状况信息、拓扑图、公交线路行驶图、 车辆信息、驾驶员信息等。动态数据是系统运行过程中不断产生的数据信息，对这些 信息具有强大的处理能力是i t s 和传统交通系统的主要区别。由于需要获得的数据多 种多样，动态数据的采集需要使用多种采集设备通过多种渠道传递到系统中。动态采 集的数据通常包括交通流量信息、公交车辆实时运行信息、实时车辆状况等。 ( 1 ) 数据采集系统 完成i t s 系统中所有原始数据的采集和生成。为了保证数据可以及时地传递到系 统，需要定义数据采集使用设备的接口、数据的传输方式。数据采集系统是数据处理 体系的基础数据来源，也是数据处理体系能否正常运行的关键；因此，所有的信息数 据必须尽量精确，一个很小的数据误差会在以后一系列的操作过程中不断的放大，最 后导致一个完全错误的结论。 ( 2 ) 数据存储系统和数据加工系统 将数据采集系统加工后的信息进行存储管理，并根据系统对信息使用的不同需求 和频度进行加工，同时根据数据信息采用不同的存储策略。 数据存储系统采用分布存储、集中管理的方式；所有的原始数据都由负责数据采 集的部门存放，同时建立一个数据交换中心，定义一个统一的公用存储格式，让所有 的数据可以通过统一的格式进行交换和处理。数据存储系统的实现需要数据处理专 家、系统应用专家、系统开发商以及系统使用对象的共同参与并结合具体使用不断调 整。 数据加工系统根据数据使用频率的不同，应该在分析数据应用的基础上对数据进 行预处理和加工，保证应用系统可以以较高的速率来运行。 ( 3 ) 数据响应系统 完成信息的发布，并可以根据用户的请求提供信息。用户既可以是使用信息的驾 驶员、出行者，也可以是使用信息进行决断的管理人员或应用。信息的响应方式不但 支持用户主动点播的信息获得方式，而且还支持通过公用平台进行发布、由用户根据 北京邮电大学硕士研究生论文 需要选择接受的信息输出方式。 1 3 国外和我国的智能交通发展状况 13 1 国外的智能交通发展现状 ( 1 ) 欧洲i t s 的发展状况 1 9 8 8 年，由欧洲1 0 多个国家投资5 0 多亿美元联合执行一项旨在完善道路设施， 提高服务质量的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，现在 已经进入第2 阶段的研究开发。目前欧洲各国正在进行t e l e m a t i c s 的全面应用开发 工作，计划在全欧范围内建立专门的交通无线数据通信网。智能交通系统的交通管理、 车辆行驶和电子收费等都围绕t e l e m a t i t s 和全欧无线数据通信网来展开。欧洲民间 也联合开展了一个叫p r o m e t h e u s 的计划，即欧洲高效安全交通系统计划。 ( 2 ) 美国i t s 的发展状况 美国i t s 的雏形始于2 0 世纪6 0 年代末期的电子路径导向系统( e r g s ) ，中间暂停了 十多年。8 0 年代中期加利福尼亚交通部门研究的p a t h f i n d e r 系统获得成功，此后开展 了一系列这方面的研究。1 9 9 0 年美国运输部成立智能化车辆道路系统( i v h s ) 组织； 1 9 9 1 年国会制定了i s t e a ( 综合地面运输效率方案) ，1 9 9 4 年i v h s 更名为i t s ，其实施 战略是通过实现面向2 l 世纪的“公路交通智能化”来从根本上解决和减轻事故、混杂、 非效率、能源浪费等交通中的各种问题。 ( 3 ) 日本i t s 的发展状况 i t s 在日本的发展始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 3 年1 9 7 8 年日本成功地组织了一个“动 态路径诱导系统”的实验。2 0 世纪8 0 年代中期9 0 年代中期的1 0 年时间，相继完成了 路车间通信系统( r a c s ) 、交通信息通信系统( t i c s ) 、宽区域旅行信息系统、超智能 车辆系统、安全车辆系统及新交通管理系统等方面的研究。1 9 9 4 年1 月成立v e r t i s ( 路 车交通智能协会) ，1 9 9 5 年7 月成立v i c s ( 道路交通信息通信系统) 中心。1 9 9 6 年4 月 正式启动v i c s ，先在首都圈内而后推向大阪、名古屋，1 9 9 8 年向全国推进。日本的v i c s 是i t s 实用化的第一步，居于世界领先水平。 1 3 2 中国的智能交通发展现状 相比欧美等发达国家智能交通的发展迅速，我国运输系统的现状是：硬件不足， 质量不够；经营者的素质和规模欠缺，人力资源充沛，工资低廉；顾客安全意识差。 智能交通系统在我国的使用是一个必然的趋势，我国目前的交通运输系统为交通运输 智能化采取的措施有： 我国主要的高速公路都已经配备了通信、监控和收费系统。公安部2 0 0 0 年和2 0 0 1 年实施“畅通工程”，基本建成了全国公安交通管理信息系统。迄今，我国4 0 0 多个 7 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 城市建立了城市交通指挥系统、信号控制系统、电视监视系统和1 2 2 事故处理系统。 北京市从1 9 9 8 年开始建设新的交通指挥中心，二环、三环路的电视监视系统、警车 g p s 指挥调度系统以, k 1 2 2 报警服务系统投入使用后收到良好的效果。目前，我国规 模最大的智能交通系统l u 东高速公路信息管理中一0 2 4 d , 时总值班体系也正式运 行。 我国发展智能交通的目标是掌握i t s 领域的大范围连网、信息提取与融合、智能 化管理、专用短程通信和智能车路等关键技术和系统合成技术，健全标准体系，建立 系统验收和产品质量检验规范。 5 1 4 智能交通的未来发展方向 目前智能交通最有前景、而且也是各国研究的热点有四个领域 6 ： ( 1 ) 先进的汽车控制系统( a r c ) 它使汽车依靠电子装备实现智能化，既可以组合在车队内行驶又可随时退出车队 变换车道，并有防止各方向碰撞和预警等系统。 ( 2 ) 先进交通管理系统( a t m s ) 它依靠公路自身的智能使路网及公路上的交通流运转呈最佳状态并保证交通安 全。通过路面上的磁块或雷达等感应系统使汽车由电子设备控制方向、速度及与前面 车辆之间的距离，使汽车成组行驶。在路网中根据交通流的变化调节交通流量，最大 限度发挥路网的通行能力。 ( 3 ) 先进驾驶员信息系统( a p t s ) 驾驶员通过a t m s 中提供的有关交通、道路状况等信息，依靠车载定位导驶系统 ( g p s ) 、路侧通讯及各种诱导、可变标识等，使车辆始终行驶在最畅通和最短距离的 路线上。 ( 4 ) 先进公共运输系统( a p t s ) 它包括车辆定位跟踪系统、语言和数字传输系统、安全监视与报警系统、为用户 提供各种服务的信息系统及承办各种业务的自动化系统等。 8 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章专用短程通信协议 2 1 智能交通所使用的通信技术 211 移动通信技术 实现先进的智能交通系统仅仅有一些局部的通信是远远不够的。智能交通管理中 心需要与行驶中的车辆交换大量的、实时的、图文声并茂的多媒体信息如导航信息、 路况信息、交通流量信息、危险告警信息、紧急情况通报等，因此，i t s 可以利用最 先进的移动通信技术建立道路与车辆为一体的通信系统。i t s 既可以应用现代的移动 通信公网进行通信也可以组建i t s 的移动通信专网。 2 j1 7 j 8 2 12 短程光通信 短程光通信可以说是短程通信与光通信的交集；以光为载体，基于i r d h 协议的 红外短距通信；以塑料光纤p o f ( p l a s t i co p t i c a lf i b e r ) 或大气为传输介质：进 行传输距离从厘米数量级到百米数量级的传输应用。 现阶段短程通信技术的实现在物理层大多采用5 8 g h z 微波，近来国外也有少数 厂商提出用8 5 0 n m 波长附近的红外光代替5 8 g h z 微波，为此c e n t c 2 7 8 w g 9 制订了 使用8 5 0 r i m 波长附近的红外光实现短程通信的物理层协议内部技术草案以待讨论通 过。 短程光通信在物理层用红外光代替5 8 6 h z 微波，具有如下优点： ( 1 ) 不受频率资源的限制，无须申请频率即可使用； ( 2 ) 光波频率高，对低频电磁干扰不敏感，抗干扰能力强； ( 3 ) 光波频带宽，可以大大提高系统的传输速率，从而为将来的i t s 新业务如车 辆无线i n t e r n e t 接入业务做好了准备； ( 4 ) 激光的方向性好，可以使路边设备的通信覆盖区得到有效的控制，从而更容 易实现多车道收费； ( 5 ) 红外发射器和接收器成本很低。 但是，同时也要看到短程光通信有很多先天不足，例如红外光穿透雾、雨等能力 差、存在背景光噪声等，因此现阶段所使用的短程通信绝大部分使用5 8 g h z 或9 1 5 m h z 的无线电波。 9 9 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 2 1 3 专用短程通信( d s r c ) 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，国际上专门 开发了适用于i t s 领域中道路与车辆之间的通信技术，即专用短程通信( d e d i c a t e d s h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 技术。专用短程通信技术是一种实现短距 离无线传输的新兴技术，支持点对点、点对多点的通信，通过5 8 g h z 或9 1 5 m h z 微波 双向传输信息将车辆与道路有机的连接起来，具有数据传输速率高、相邻通信区域隔 离好的特点。 1 0 从技术层面对两者的数据传输速率、通讯距离、安全性、抗干扰性、 系统可扩展性等方面进行对比，可以得出：5 8 g h z 系统相对于9 1 5 m h z 系统而言，存 在着无法比拟的优势，是未来专用短程通信采用的主流频率。 1 1 专用短程通信系统的主要功能是为智能交通上层的应用提供必要的通信，获取信 息，它在智能交通中的位置如图2 一l 。 1 2 d s r c 系统主要包括三个部分：车载单元 ( o n b o a r du n i t ，简称o b u ) 、路边单元( r o a d s i d eu n i t ，简称r s u ) 以及专用短 程通信协议。 图2 - 1专用短程通信的体系构成 ( 1 ) 车载单元( o b u ) ：目前国际上使用的车载单元很多，主要是通信方式和频率的 差异。大多数国家的车载单元主要应用在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 ) 系统 中，欧洲多采用单片式电子标签，日本考虑到d s r c 系统将来的可扩展性采用了双片 式电子标签。车载单元般由电子标签和i c 卡两部分组成；其中电子标签部分可以 储存与车辆有关的固定信息；i c 卡部分则储存与车辆无关的其它信息，如账号、用 户名等，作为电子标签的扩展存储。 ( 2 ) 路边单元( 简称r s u ) ：又称为车道单元、车道设备，主要是指车道通信设备 路旁天线，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 米。 ( 3 ) 专用短程通信协议：专用短程通信协议是d s r c 的基础。 2 2 专用短程通信协议 专用短程通信的有效运用需要根据其通信特点和要求制定相应的、完善的d s r c 1 0 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 协议。目前，d s r c 协议基本有三大体系：欧洲被动式d s r c 的c e n t c 2 7 8 、日本主动 式3 s r c 的i s 0 t c 2 0 4 和美国的a s t m i e e e ，但是国际标准化组织( i s o ) 尚未制定出 完整的d s r c 国际标准。这三种体系的d s r c 协议分别描述了专用短程通信系统的功能、 总体结构及各个功能层的划分、接口、参数、通信链路的建立和通信方式，提出了对 等层之间的通信协议要求。 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，适于大数据量传 输；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，虽然数据传 输能力不及主动式，但是很符合我国的国情需要。因此，我国采用欧洲的被动式d s r c 标准一c e n t c 2 7 8 来制定我国的专用短程通信标准。c e n t c 2 7 8 具有图2 - 2 所示的3 层结构：物理层、数据链路层和应用层。 2 3 o s i 参考模型、t o p i p 体系和d s r c 协议的比较 d s r c 辫议棱r s o 参考模型常阡体系 t 浠 传辅层 蔓遣阿屋 1 醺屡 图2 2o s i 参考模型、t c p i p 体系和d s r c 协议 23 1o s i 参考模型 o s i 参考模型本身不是网络体系结构的全部内容，因为它并未确切地描述用于各 层的协议和服务，仅仅指出每一层该做什么。 1 3 如图2 2 所示：o s i 模型参考分为 7 层： ( 1 ) 物理层：为其上一层( 数据链路层) 提供一个物理连接以便透明地传送比特流。 ( 2 ) 数据链路层：负责在两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。 ( 3 ) 网络层：选择合适的路由，使发送站运输层所传下来的分组能够正确无误地按 照地址找到目的站并交付给目的站的运输层，这是网络层的寻址功能。 ( 4 ) 运输层：根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式为 两个端系统的会话层之间建立一条运输连接以透明地传送报文；即运输层向上一层 ( 会话层) 提供一个可靠的端到端的服务。运输层以上的各层就不再管信息传输的问 北京邮电大学硕士研究生论支 题了，因此，运输层就成为计算机网络体系结构中最为关键的一层。 ( 5 ) 会话层：在两个相互通信的应用进程之间建立、组织和协调其交互。 ( 6 ) 表示层：主要解决用户信息的语法表示问题。 ( 7 ) 应用层：确定进程之间通信的性质以满足用户的需求，负责用户信息的语义表 示并在两个通信者之间进行语义匹配。 o s i 参考模型的7 层分为低层和高层：低层的物理层、数据链路层、网络层和运 输层是面对通信的，这4 层被看作传输服务提供者；高层的会话层、表示层和应用层 是面向信息处理的，是传输服务的用户。 1 4 232 t c p j p 体系 t c p i p 模型与具体的物理传输媒质无关，因此在t c p i p 的标准中没有对最低的 两层做出规定。t c p i p 体系只有三个层次： 1 3 1 4 ( 1 ) 互连网层 它是整个体系的关键部分，功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立 地传向目标。互连网层定义了正式的分组格式和协议，即i p 协议( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 。分组路由和避免阻塞是互连网层的主要涉及问题，因此，可以说t c p t p 体系中的互连网层与o s i 模型的网络层相当。 互连网层的主要协议是无连接的互连网协议i p 以及和i p 配合使用的i c m p ( i n t e r n e t 控制报文协议) 、a r p ( 地址转换协议) 和r a r p ( 反向地址转换协议) ； ( 2 ) 传输层 功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话，定义了两个协议： 面向连接的传输控制协议t c p ：允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联 网上的其他机器、处理流量控制以避免快速发送方向低速接收方发送过多报文而使接 收方无法处理。 无连接的用户数据报协议u d p ：是个不可靠的、无连接协议，用于不需要t c p 的排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用程序；也被用于只有一次的、客 户一服务器模式的请求一应答查询以及快速递交比准确递交更重要的应用程序如语音 或影像。 ( 3 ) 应用层 最高的应用层包含所有的高层协议，如远程通信协议t e l n e t 、文件传送协议f t p 、 简单邮件传送协议s m t p 等。 2 3 3d s r c 协议 欧洲制定的被动式d s r c 的协议组一c e n t c 2 7 8 具有图2 2 所示的3 层结构：物理 层、数据链路层和应用层。 1 5 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 1 2 ( 5 7 ) 北京邮电大学硕士研究生论文 规定了机械、电气等参数以及激活、保持、去激活等物理连接过程。物理层的参 数主要包括载波频率、发射功率、接收灵敏度、通信速率、编码方式、调制方式、误 码率等。其中载波频率是一个很关键的参数，它是造成世界上各种d s r c 系统互不兼容 的主要原因。目前北美同时采用5 8 g h z 系统和9 0 0 m h z 系统，欧洲、日本和中国则采 用j 8 g h z 系统。美国采用主动与被动方式共用，欧渊采用被动方式，日本则采用主 动方式。 1 6 j ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 制定媒介访问和逻辑链路控制方法，定义了数据链路通信协议、竞争共享物理媒 介、寻址和出错控制的操作，规定了车道间防冲突方法以及帧的配置、控制参数及传 输差错控制，它由介质访问控制子层( m c ) 和逻辑链路控制子层( l l c ) 构成。 1 7 ( 3 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 由于d s r c 协议中只有物理层、数据链路层和应用层，不象i s o 那样具有七层协 议，所以d s r c 协议中的应用层还实现了o s i 参考模型中网络层、传输层、会话层、 表示层的部分功能，提供了一些d s r c 应用的基础性工具，包括：通信初始化过程、 数据传输和擦去操作等等。它主要实现路边设备至车载设备的通信处理，而未经处理 的部分留给低层协议来完成。它提供了一系列“原语”，如接受车载设备信息原语， 对路边单元与车载设备之间初始化操作的原语，同时还包括