LTE系统在高速公路监控系统中应用研究.doc

摘 要随着我国经济的高速发展，我国公路交通事业也已经有了长足的进步，高速公路总里程也已名列世界前列，但是伴随着高速公路建设的快速发展，高速公路通信网作为交通信息网重要组成部分，其用户的可用带宽在逐步增加，对业务的要求也逐步向宽带化、实时化发展。用户对交通通信网提出了更多的需求。而当前无线移动通信技术的快速发展，为高速公路通信系统的发展与建设提供了一个很好的平台。本文详细阐述了LTE无线网络的系统结构和技术组成，重点对OFDM和MIMO等核心技术进行了详细的原理、实现方式等方面的论述，LTE无线系统为我们提供了一个传输速率高、网络延迟小、传输安全的无线网络平台，在文中，我们对LTE系统进行了初步的链路级仿真，直观的对LTE 系统各项技术进行了比较。本文从现有的高速公路通信网出发，详细论述了高速公路通信系统设计原则和系统规划，重点对高速公路监控系统的设计和规划进行了分析，在此基础上，提出了基于LTE无线网络的高速公路监控系统设计方案，LTE无线数据通信系统是集成了计算机技术、LTE无线网络平台和数据通信技术于一体的综合技术，通过LTE无线终端，借助LTE无线网络将数据传输到数据业务中心，实现对各用户设备终端的双向数据通信，监控系统的前端采集设备结合无线数据终端设备即构成了无线采集系统，摄像头、车辆检测器、情报板等采集设备可通过各种接口连接无线数据终端，通过移动网络，与监控中心建立连接通道。关键词：LTE，OFDM，MIMO，高速公路监控ABSTRACTWith Chinese rapid economic development, Chinese road transport industry has made great strides, highway mileage has also been ranked in the world, but along with the rapid development of highway construction, highway traffic information communication network as an important network part of the users available bandwidth is gradually increased, the requirements of the business gradually to broadband, real-time development. The current transportation and communication networks can no longer satisfy the needs of users. The current wireless mobile communication technology, rapid development, highway development and construction of communications systems provide a good platform.This paper describes the LTE wireless network system architecture and technology components, with emphasis on OFDM and MIMO technologies in detail the core principles, implementation and other aspects of the discussion, LTE wireless system provides us with a high transfer rate, network delay small transmission secure wireless network platform in the text, we conducted a preliminary LTE system link-level simulation, the visual technology of LTE systems are compared.This thesis based on existing highway communications network, discusses in detail the principles of highway communication system design and system planning, focusing on highway design and planning of monitoring systems were analyzed, On this basis, the proposed highway based on LTE wireless network monitoring system design, LTE wireless data communication system is the integration of computer technology, LTE wireless network platform and data communications technology in an integrated technology, the wireless terminal through the LTE, with LTE wireless network to transfer data to a data service center, to achieve the end-user two-way data communications equipment.Key words: LTE，OFDM，MIMO，Highway Monitoring目 录第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 本文研究的主要内容21.2.1 LTE系统简介21.2.2 LTE系统中的OFDM技术51.2.3 LTE系统中的MIMO技术71.2.4 LTE系统在高速公路监控系统中的应用81.3论文结构安排11第二章 LTE系统技术研究122.1 LTE系统结构及技术构成122.1.1 LTE系统结构122.2.2 LTE系统技术构成132.2 MIMO技术研究152.2.1 MIMO技术简介152.2.2 MIMO技术原理162.2.3 LTE系统中的MIMO技术应用182.3 OFDM技术研究192.3.1 OFDM技术原理192.3.2 LTE系统中的OFDM技术应用23本章小结24第三章 LTE系统在高速公路监控系统中的应用253.1高速公路通信系统253.1.1 高速公路通信系统设计原则及目标253.1.2 高速公路网通信系统规划263.2高速公路监控系统设计283.3LTE系统无线监控系统设计293.3.1 LTE无线系统结构293.3.2数据传输模式31本章小结31第四章 LTE系统技术仿真324.1 仿真方法介绍324.2仿真流程334.3功能原理及模块设计344.3.1 系统参数344.3.2 发送端354.3.3 接收端364.3.4 信道364.4仿真结果及分析37本章小结43第五章 总结和展望445.1已完成工作的总结445.2对今后工作的展望44参考文献45致谢47长安大学硕士学位论文第1章 绪论1.1 研究背景及意义近年来，伴随着我国社会经济的飞速发展，国家对于公路交通大力投入，使我国高速公路里程迅速增加，到2010年底，我国高速公路总里程已经发展到7.4万公里，“五纵七横”12条国道主干线已全部建成，从面积密度来看，东部等发达地区并不亚于美国等发达国家，甚至还超过了发达国家水平。伴随着大量高速公路的建成，为了充分发挥高速公路“高速、高效、安全、舒适”的特点，使得高速公路的现代化管理变得异常重要。高速公路通信系统是高速公路现代化管理的支撑系统，它要实现监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时的传输，保持高速公路各管理部门之间业务联络通讯的畅通，并要为高速公路内部各部门和外界建立必要的联系；同时高速公路通信系统作为交通专用通信网的重要组成部分，是交通信息的主要传输载体，为各种网络服务（如 Intranet、Internet）及会议电视系统提供传输通道。随着计算机技术。网络技术和通信技术的迅速发展，高速公路通信技术也从简单的无线对讲系统发展到800MHz无线集群系统，从小容量微波通信发展到SDH系列数字光纤传输系统，从单纯的电话业务发展到包括语音、数据和图像等多种信息的综合通信，并从模拟通信向数字通信演变，开始组建先进的宽带综合业务数字（BISDN）通信系统。高速公路通信业务大概可以分为语音、数据和图像三大部分。语音业务包括业务电话BT、指令电话CT、紧急电话ET、无线集群、广播系统等。数据业务分为2部分。一是收费系统计算机网络互连，即收费站收费（分）中心收费总中心的三级收费网络，计算机收费局域网的速率一般是10Mbps/100Mbps；二是外场交通监控数据采集及控制，这是一些低速数据，包括可变情报板、限速标志、车辆检测、气象检测。图像切换和控制等。图像业务主要是CCTV交通监控图像及会议电视图像。CCTV交通监控图像包括收费站中收费车道、收费亭和收费广场图像以及重要路段和立交桥的外场监控图像。从上分析可以看出高速公路通信网是一个多业务、传输距离长的专用多媒体传输系统。同时，伴随着交通信息产业的兴起，高速公路通信网作为交通信息网重要组成部分，其用户的可用带宽（Available access band width）在逐步增加，对业务的要求也逐步向宽带化、实时化发展。近几年来，全球通信技术的发展日新月异，尤其是近两三年来，无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如荼的发展态势。 其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入，也包括集群通信、卫星通信。蜂窝移动通信从上世纪80年代出现到现在，已经发展到了第三代移动通信技术，目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术;宽带无线接入也在全球不断升温，近几年来我国的宽带无线用户数增长势头强劲。宽带无线接入研究重点主要包括无线城域网（WMAN）、无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)技术;模拟集群通信的应用开始得比较早，但随着技术的发展，数字集群通信技术越来越赢得大家的关注。1.2 本文研究的主要内容1.2.1 LTE系统简介LTE(Long Term Evolution)项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。LTE概念的提出意味着目标的确立，为了有一个清晰的技术发展路线，3GPP制定了明确的时间表。整个标准发展过程分为两个阶段，研究项目阶段和工作项目阶段。研究项目阶段预计在2006年年中结束，该阶段将主要完成对目标需求的定义，以及明确LTE的概念等；然后征集候选技术提案，并对技术提案进行评估，确定其是否符合目标需求。工作项目预计在2006年年中以前建立，并开始标准的建立。该阶段会对未来LTE的标准细节的方方面面展开讨论和起草，这个过程同以前3G标准在3GPP中的制定过程是一样的，这一过程将一直持续到2007年年中。整个过程相比3G标准的制定节奏明显加快，这也是考虑到市场的需求，随着宽带技术的不断创新，3GPP也将在最短的时间内推出最新的技术。这给运营业带来了新的机遇，更新更快的业务可以在不远的将来得以实现，甚至完全可以和有线网络相媲美。3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征：(1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3-4倍于R6HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6HSU-PA2-3倍。(3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。(4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。(5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。(6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan5ms，C-plan100ms。(7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。(8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。LTE采用的关键技术包括：空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3GPP组织就LTE系统物理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的OFDMA技术；但上行传输方案却争论不断，很大部分设备商考虑到OFDM较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，坚持采用峰均比较低的单载波方案SC-FDMA，但一些积极参与WiMAX标准组织的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。双方各执己见，一度僵持不下，经过多次会议的艰苦协商，最后上行方案还是选择了单载波SC-FDMA。这样LTE系统传输方案最终确定为下行OFDMA和上行SC-FDMA。同时在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论，最终考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势，3GPP组织在2005年12月经过“示意性”的投票，决定LTE系统暂不考虑宏分集技术。OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点，OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数，经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz。上下行的最小资源块为375kHz，也就是25个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中（localized）方式或离散（distributed）方式。循环前缀Cyclic Prefix（CP）的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100Km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。MIMO作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行22、上行12，但也在考虑44的高阶天线配置。北电的专利技术虚拟MIMO也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向MIMO方案相对较多，根据2006年3月雅典会议报告，LTE MIMO下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集（STBC, SFBC），时间（频率）转换发射分集（TSTD，FSTD），包括循环延迟分集（CDD）在内的延迟分集（作为广播信道的基本方案），基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。上海会议将对MIMO技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定唯一的分集传送方案。高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。LTE上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗，目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC-FDMA的峰均比。LTE除了继续采用成熟的Turbo信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验（LDPC）码。3GPP LTE接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足低时延、低复杂度、低成本的要求。原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行调整与演进。2006年3月的会议上，3GPP确定了E-UTRAN的结构，接入网主要由演进型eNodeB（eNB）和接入网关（aGW）构成，这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用这种结构将对3GPP系统的体系架构产生深远的影响。eNodeB是在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、 MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter-cell RRM等功能。aGW可以看作是一个边界节点，作为核心网的一部分。但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等问题上各成员还存在分歧，是采用RRM Server进行集中式管理，还是采用分散管理，尚未达成一致。1.2.2 LTE系统中的OFDM技术OFDM (Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing)技术的基本原理含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道（载波）。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术属于多载波调制（MultiCarrierModulation，MCM）技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选子载波位置，可以使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。OFDM尽管还是一种频分复用（FDM），但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/s/Hz）转化成16QAM64QAM（频谱效率46bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。1.2.3 LTE系统中的MIMO技术MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=min(M,N)Blog2(/2)其中B为信号带宽，为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。1.2.4 LTE系统在高速公路监控系统中的应用由于高速公路线性特点、投资规模、供电及传输通道等因素的限制，监控系统布设密度非常有限，存在很多监控盲区。如何充分利用现有无线网络资源突破地理距离的限制，实现对远程监控路段和地区的实时视频信息传输实现管理者远程指挥、调度交通异常事件最大限度地减少突发事件造成的损失，是高速公路信息监控急待解决的问题。无疑远程无线视频监控系统是有效的解决途径。高速公路监控系统是调整公路系统实现安全、高效、节能及环保运行的重要手段。高速公路监控系统的作用是对高速公路网实现实时监控和交通控制。在现有的道路和环境条件下，通过对采集的信息进行实时分析、处理和预测，采取有效的交通控制手段，预防可能发生的交通事件、事故和阻塞；当出现突发性交通事故或道路环境变化而导致交通阻塞时，通过系统及时发现并采取有效措施进行缓解和排除，以防止对路网交通产生更大的影响，进而提高路网运行的利用效率和安全性。高速公路监控系统按照功能划分一般分为收费监控系统和道路监控系统两部分7。收费监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。道路监控系统主要是对高速公路干线、互通立交、隧道等高速公路重点路段进行监视，掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给予引导，保证高速公路的安全通畅。高速收费监控系统是数据监控、图像监控和声音监控三部分组成的一个有机整体。其主要功能是以收费站为基础，通过对数据、视频、音频等信息的采集，传送到监控室或监控分中心进行处理和分析，完成整个收费过程。数据监控是指利用车辆检测器、车型自动分类器、键盘、读卡机等外部设备采集到的数据信息，对收费过程进行控制，进行收费数据合理性判断、记录和统计工作，以发现各种异常情况(例如冲卡车辆判断、非法卡或通行券，人工判断车型是否有误等)，并进行相关的处理工作(例如冲卡车辆拍照、报警，特种车辆录像)，它是最有效、使用最广的一种收费监控方式。图像监控是指在收费广场、收费车道和收费亭等处设置摄像头，采集视频信息，监控员在监控室通过监视器实现对通过收费车道的车辆、收费人员的操作过程，包括通行券(卡)的发放、回收以及收费找零情况等进行有效的监督，并能人工或自动启动录像设备记录冲卡车辆和其他异常情况。声音监控是指采用有线(或无线)对讲系统，采集音频信息，对收费人员在收费过程中使用文明用语等情况的监督，并监听车道内的突发和异常情况。高速公路道路监控系统是对实时采集的路网交通信息进行处理，根据各路段的交通运行状况分析计算，对路网未来时刻交通情况进行预测，进而通过诱导控制车流合理的调控车流分布。根据道路监控系统的功能要求和设备特点，系统又可分为交通信息采集系统、交通状态分析系统、交通控制系统等。交通信息采集系统的功能是获取交通信息原始数据，通过车辆检测器、检测线圈、通讯设备等形成的交通信息采集网，获得路网中各路段的交通量数据；通过在重要地段的摄像机和视频传输设备获取该路段的视频实时数据；通过气象信息采集系统采集各个路段的能见度、温度、湿度、风向、风速、雨雪等气象条件。在这些信息中，视频数据可在计算机或大屏幕上显示，并根据需要对视频数据进行抓拍记录。交通状态分析系统根据采集到的交通信息原始数据，首先判断是否为交通事件或事故。若经过视频人工确定为交通事故则直接将相关信息传递给交通控制子系统；若不是交通事故，则计算机利用程序求得各路段的交通状态参数，并利用交通流理论分析该路段的交通状态。交通控制系统根据交通状态分析子系统输出的交通状态数据，若为交通事故，则根据发生事故的地点和特点自动生成最佳紧急交通诱导控制方案并发送给交通诱导子系统；若不是交通事故，则根据交通状态，气候数据及管理需要，按预定正常交通诱导方案执行。高速公路道路监控系统的主要是通过对高速公路全线的交通流量检测、交通状况的监测、环境气象检测、运行状况的监视，按照一系列智能控制规则和策略产生控制方案，从而实现控制交通流量、改善交通环境、减少事故、使高速公路达到较高的服务水平。目前道路监控系统在我国发展存在滞后性，远远不能满足需要。各地建立的交通监控中心大多都只是实现了监视功能，而远没达到控制的作用，其主要原因是在高速公路建设初期，我国高速公路的交通流量一般远没达到设计标准，因此对高速公路的监控特别是“控制”不够重视，导致部分高速公路已经开始出现自然拥挤现象，造成“高速不高”的现象。近几年来，一些发达国家纷纷投入智能交通系统（ITS）的研究与开发工作。ITS智能高速公路预警系统的应用，将会有效地提高营运效率、保证交通安全。目前我国高速公路通车总里程达到3万公里，位列世界第二，而且已经形成了高速网络。但是在高速公路监控系统方面的建设相对滞后，尤其是联网收费和道路监控方面与发达国家还存在不小的差距。因此，我们要逐步完善高速监控系统，使其发挥最大的作用，充分发挥出高速公路方便、快捷、安全的特点。LTE无线监控系统的组成基本包括数据采集终端、无线通讯网络、数据接收终端及后台数据管理系统几大部分。建立LTE无线系统应满足的条件包括：(1) 通信畅通LTE无线监控系统应该能够确保通信系统的通信畅通，应该尽可能地扩大无线监控系统通信网络的搜盖范围，同时应确保监控系统设在通信系统充分扭盖的范围内应尽可能地提供足够带宽通信网络确保网络通信的实时、稳定传输无线监控系统通信信号应有明确的传输频率，减少其他无线通信系统对其干扰。(2) 无缝时接LTE无线监控系统的建立应立足于高速公路信息监控系统建设现状， 充分利用现有信息监控资源。新建无线监控系统应该能够实现与现有视频监控平台网络传输平台、视频监控矩阵系统、信息数据服务平台的无缝对接。(3) 标准一致LTE无线监控系统的建立在局部范围内是为高速公路路段信息监控服务但从高速公路信息监控系统长远发展目标与重大紧急事件处理等角度考虑无线监控系统应该纳入省级高速公路信息监控中心统筹安排的范畴之内。因此，各高速路段内无线监控系统的建立应该在信息数据格式、网络传输协议、视频图像信息编码与解码、数据备份等方面形成统一标准并能够与省级高速公路信息监控中心现有视频监控系统互通满足省中心信息采集、信息发布、决策支持等平台的各项要求。(4) 易于升级随着信息技术的不断发展和完善， 以及无线监控数据业务的延伸， LTE无线监控系统必然会出现升级改造的需求。1.3论文结构安排本文以LTE技术为基础，系统讨论了LTE系统的技术环节，并对其在高速公路通信系统中的应用在了阐述。本论文的具体安排如下：第一部分：绪论第二部分：LTE系统技术研究第三部分：LTE系统在高速公路监控系统中的应用第四部分：LTE系统技术仿真第五部分：总结和展望长安大学硕士学位论文第2章 LTE系统技术研究2.1 LTE系统结构及技术构成2.1.1 LTE系统结构3GPP对LTE项目的工作大体分为两个时间段：2005年3月到2006年6月为SI(StudyItem)阶段，完成可行性研究报告;2006年6月到2007年6月为WI(WorkItem)阶段，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成LTE相关标准制定(3GPPR7)，在2008年或2009年推出商用产品。就目前的进展来看，发展比计划滞后了大概3个月，但经过3GPP组织的努力，LTE的系统框架大部分已经完成1。LTE采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。LTE的网络结构分为无线接入网和核心网两部分，无线接入网称为E-UTRAN，核心网称为EPC。UEeNodeBLTE-UuMMES1-MMEServingGatewayS1-US11HSSS6aPNDGatewayS5/S8PCRFOperatorsIP servicesGxRxSGi图2.1 EPC网络结构MME：移动管理单元，处理UE与CN的非接入层（NAS）信令，包括承载的管理和链接的管理。S-GW：服务网关，与其他3GPP制式（GSM/UMTS）的锚点。P-GW：数据网关，负责IP地址分配，QoS， 与非3GPP（如CDMA2000，WiMAX）制式的锚点。无线接入网由eNodeB构成，对2G/3G的2层结构简化。MME/S-GWMME/S-GWeNB#1eNB#2eNB#3S1S1S1S1X2X2X2E-UTRAN图2.2 E-UTRAN网络结构eNodeB功能：无线资源管理，IP数据报头压缩，空口加解密，与EPC S1接口，eNodeB间X2接口。2.2.2 LTE系统技术构成LTE无线通信系统是新一代的无线通信系统，是未来通信发展的趋势和目标，他在多址技术和多天线技术方面进行了革命性的改进，我们从以下几个方面来研究LTE系统的主要技术构成11。1. 双工技术双工技术分为两种，FDD(频分双工，Frequency Division Duplex)和TDD(时分双工，Time Division Duplex)。FDD指的是上行信号(UE到基站)和下行信号(基站到UE)分别在两个频带上发送.TDD方式中，发送信号和接收信号在相同的频带内，上下行信号在不同的时隙发送。在LTE中，不但要支持FDD和TDD，还要考虑支持半双工FDD(H-FDD)。在H-FDD中，基站仍采用全双工FDD方式，终端的发送和接收信号虽然分别在不同的频段上传输，采用成对频谱，但其接收和发送不能在同时进行。在LTE中采用H-FDD是因为H-FDD不像全双工FDD那样要求严格的上下行频段保护间隔，所以可以使用一些分散频段，而且H-FDD终端收发双工器的要求比较低，应用H-FDD方式可以减小功耗。2. 多址技术LTE采用OFDMA作为下行多址技术方案，这并不是说不是说OFDMA技术比CDMA技术先进而是由于3GPP的选择。在传统的FDMA多址方式中，将较宽的频带分成若干较窄的子带(子载波)，每个用户占用一个或几个频带进行收发信号。但是为了避免各子载波之间的十扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔，大大降低了频谱效率。OFDM可以按两种方式组合自信道：集中式(Locallized)和分布式(Distributed)。集中式将连续的子载波分配给一个信道，既可以在时域调度，又可以在频域调度，获得更多的用户增益。在高速情况下，无法进行频域调度，而分布式将分配给一个子信道的子载波分散到整个带宽，各个子信道的子载波交替排列，从而可以获得和CDMA相似的频率增益。终端UE的发射功率有限，对上行技术的选择有很大影响，为了降低多载波技术带来的高PAPR(峰值平均功率比)的影响，在LTE中选用单载波FDMA(SC-FDMA)做为上行多址技术。单载波(SC)传输技术具有PAPR/CM较低的特点，在LTE中定义的单载波传输是指其信号包络符合单载波特性，从而可以获得较低的PAPR/CM，但在频域仍可通过集中式和分布式两种方法实现，经过一系列考虑，LTE最终选择基于频域生成的单载波方法，DFT扩展OFDM(DFT-OFDM)作为上行SC-FDMA传输技术的额具体实现方法。原理是在发射机的IFFT处理前对系统进行预扩展处理。其中最典型的就是用离散傅里叶变换进行扩展。将每个用户使用的子载波进行DFT处理，由时域转换到频域，然后将各用户的频域信号输入IFFT模块，由频域转换到时域并发送。经过这样的改进，PAPR就大大减小了，在接收端进行反操作，最后通过DFT解扩展数据。3. MIMO技术为了支持LTE在高数据率和大系统容量方面的需求，LTE系统支持多输入多输出技术，在LTE系统的下行链路，系统的基本天线配置为2*2，即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向四层传输。在上行链路其天线基本配置为1*2，即一根发送天线和2接收天线，即只考虑存在单一上行传输链的情况。4. 小区间干扰抑制技术因为OFDM技术存在严重的小区之间干扰，在LTE的早期研究中，提出了小区干扰随机化、小区干扰消除、小区干扰协调、回避等方法，这些方法可以结合起来使用。2.2 MIMO技术研究2.2.1 MIMO技术简介多输入多输出（Multi-input Multi-output;MIMO）是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。该技术最早是由马可尼于1908年提出的，他利用多天线来抑制信道衰落（fading）。根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出系统（Single-Input Single-Output，SISO），MIMO 此类多天线技术尚包含早期所谓的“智慧型天线”，亦即单输入多输出系统（Single-Input Multi-Output，SIMO）和多输入单输出系统（Multiple-Input Single-Output，MISO）。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图2-3所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，I=1，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。信源时空编码S(k)N1Ci(k)C1(k)时空解码1MR1(k)Ri(k)图2.3 MIMO系统原理图特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。2.2.2 MIMO技术原理MIMO技术可以成倍提高衰落信道下的信道容量，在图2-3中的天线之间的信道可以用H表示，那么某时刻N个接收天线收到的信号可以表示为6：(2-1)其中：为发射天线信号矢量，元素是满足某一星座关系的调制符号，为接受信号，为加性复高斯噪声。在不同的环境和天线配置下，H中的元素分布形式是不同的，这就导致了不同的信道模型和相应的信道容量问题。假设环境中有L个散射物，个发射天线经散射后到达个接受天线，第i条路径以角度离开发射天线，以角度到达接收天线，路径的增益为，时延为。假设所有路径时延都远小于发射符号长度，第i个散射体对Nt个发送天线引入的Nt阶阵列响应矢量为r，i(t)。则从弟i个散射体到发射天线的信道响应矢量表示为： ht,it=t,itt,itejt,i(t) (2-2)其中：t,it为路径损失，t,i(t)为相移。此时，假设所有发送天线到散射体i的路径损失洗相移近似相等。散射体i到Nr个接收天线的信道响应矢量为 ht,it=r,itr,itejr,i(t) (2-3)则由散射体i所构建的整个子女到响应为 Hit=hr,itht,iHt=r,itt,iH(t)i(t)eji(t) (2-4)其中上标H表示共轭，it=r,itt,it;it=r,it-t,it。则包含所有L个散射体的MIMO信道可以表示为 Hit=i=0L-1 Hit=i=0L-1(r,itt,iH(t)i(t)eji(t) (2-5)当L很大时，根据中心极限定理，H(t)中的元素会趋向于复高斯分布，此时，MIMO信道矩阵可表示为 Ht=h11t h12t h1N1th11t h12t h1N1thr1t hr2th1N1t (2-4)该信道被称为i,i,d的瑞利平坦衰落矩阵，信道中的每个元素都是复高斯随机变量，均值为0，一维方差为n2/2。当信号带宽增加，使得多径时延扩展将近或超过发射符号长度时，信道就变成了频率选择性衰落信道。对于频率选择性衰落的MIMO信道，可以采用一些技术对其进行改造（如后面将要讨论的MIMO-OFDM结合方式），使其转化成平坦衰落信道，然后再进行后继处理。也可以直接对频率选择性的MIMO信道进行建模和处理，但接收端均衡器的设计就变得非常复杂5。对于具有Nt个发送天线和Nr个接收天线