面向智能交通实时信号无线传输网络架构探究

1、向智能交通实时信号无线传输网络架构探究【摘要】针对目前中国大部分公路交通信号控制、 交通环境信息采集均采用有线电缆实现，以及现有的蜂窝式 组织网络的缺陷，阐述了无线传感器网络在智能交通实时信 号传输方面应用的基本原理。并且提出了相应的无线传输网 络架构的设计方案，以便为进一步研究并拓展无线传感器网 络在智能交通中的应用提供参考。【关键词】无线传感器网络；zigbee；智能交通；节点; 设计方案一、引言智能交通系统是近些年在传统交通体系基础上发展起 来的新型交通系统。它融合了信息、通信、控制和计算机技 术，将现代的科学技术应用到了交通领域。智能交通按信息的走向可以理解为上行和下行两个方 面，上行

2、是交通信息的采集和传输，下行时交通控制和诱导 等。在现有的交通设施中加入无线传感器网络，将能够从根 本上缓解困扰现代交通的安全、通畅、节能和环保等问题， 同时还可以提高交通工作效率。无线传感器网络可以为智能交通系统的信息采集和传 输提供一种有效手段，以用来监测路面与路口各个方向上的 车流量、车速等信息。釆集输入、策略控制、输出执行、各 子系统间的数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统 主要通过传感器来采集车辆和路面信息，然后由策略控制子 系统根据设定的目标，并运用计算方法计算出最佳方案，同 时输出控制信号给执行子系统，以引导和控制车辆的通行， 从而达到预设的目标。二、国内外的智能交通无线传

3、输研究状况美国的马萨诸塞大学建立的umass dieselnet智能公 交系统主要包括公交车节点以及安装在路边的 throwboxes,可用于提高网络的连通性。美国加州大学伯克 利分校的atmis项目，哈佛大学的citysense项目都开展 了无线传感器网络在道路交通监测方面的研究。瑞典有一段 公路，利用太阳能供电传感器，可以对行驶车辆做出路面结 冰、事故拥堵和其他危险情况的预警。国内对车辆传感器网络的研究也在积极开展。武汉理工 大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用， 对车厢内的空气质量、安全隐患等进行全程检测。中科院沈 阳自动化所开展了基于无线传感器网络的高速公路交通监 控系统

4、研究，并利用此项技术来弥补传统设备能见度低、路 面结冰时无法对高速路段进行有效监控等，从而提出了新的 图像监视系统；此外，对一些天气突变性强的地区，该技术 也能极大地降低汽车追尾等交通事故的发生。目前国内智能交通的应用并未得到广泛的实施，大部分 项目还处在实验室阶段。只在几所大城市有智能交通的试 点，并且大多数的信号传输都仅限于电缆传输，少有的无线 传输解决方案都是使用公共移动网络，并无交通系统专有的 无线网络，所以国内智能交通的参与热情仍需加强。本文的 系统设计的阐述也正是为国内智能交通的研究提供一个可 行的方案。三、系统体系架构本文主要针对公路交通的应用场景进行系统无线传输 方案阐述。方案

5、总图如图1所示。（1）为交通信息采集端,（2）是交通信息无线传输通道，（3）是公共移动通信的基 站。本文不对信息采集方式进行讨论，只对（2）、（3）部分 进行研究。本系统设计主要设计一种交通系统内的专用无线通信 系统，该系统具有无线传感网的特点，即传感网规模大、密 度高，传感器节点的能量、计算能力和存储能力有限，拓扑 结构多变，具有自组能力，网络的自动管理和高度协作性， 传感器节点具有数据融合能力。为节省建设基站成本，在专 用无线组网系统数据汇总后，方案利用现有的公共移动通信 信道将交通信息发送到云端的服务器组中，方便交通信息中 心对数据进行访问并且面向交通路口进行针对性的控制。另 外交通信息

6、中心亦可对将部分权限下方给普通用户，呈现数 据流向的多样性，方便产生具有不同针对性的业务。四、方案详细分析（一）传输网络拓扑方案分析无线传感网支持星形网、集群树状网和网状网3种组 网形态。无线传感器网是由许多小的并且资源很有限的传感 节点和少量具备正常计算能力和充足能量的汇聚节点构成， 传感节点分布在不同的交通路口，用来测量交通路况信息， 节点测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点，可以在无 线传感器网络中进行分布式处理，也可以通过汇聚节点接 入internet或卫星通信网传递给任务管理节点。从网络拓扑结构上来看，应用于智能交通系统中的网络 结构可采用分层分布式网络结构，如图2所示。该结构包括

7、 无线传感器网络层和区域管理层，其中网络层中的节点主要 完成交通信息数据的采集、处理，并将数据信息传送给对应 的管理节点，同时完成从管理节点传送过来的任务。区域管 理层中的网络节点主要负责汇聚下层传感器的数据信息，接 受并传送用户控制命令和其他信息，向用户终端转发数据信 息和反馈处理结果，交互不同区域交通信息数据信息，进行 协同处理。（二）无线传感网频段选择无线电频段作为国家资源，由国家无线管理机构统一管 理，使用无线电资源的单位和个人必须依法申请并缴纳频率占用费。付费频段可以保证不受干扰，但是成本较高，而且 从智能交通系统网络目前的应用来看，也是没有必要的，因 此可以使用ism频段，该频段的

8、发射功率较低，干扰程度较 小，可以完全胜任智能交通系统网络传输的需求。在ism中， 470-510mhz是国家规定的仪表类专用频段，相对干扰较少, 2. 4g频段有wifi、蓝牙等干扰，在居民小区尤其不适用， 且城市内楼宇密集，无线覆盖区遮挡较为严重，而 470-510mhz的绕射穿透力要好于2. 4ghz频段。另外， 433. 05-434. 79mhz为民用通用频段，无线发射功率上限为 lodbm,主要用于无线数传电台，无线对讲机等设备， 470-510mhz无线发射功率上限为50mw (18dbm),远大于 433. 05-434. 79mhz,可以覆盖更大的区域。因此,可以选择 470

9、-510mhz作为智能交通系统无线传感器网络的使用频 段。(三)无线传感网协议的选择ieee80211514满足国际标准组织(iso)开放系统互连 (0si)参考模式，定义了单一的mac层和多样的物理层。zigbee联盟制定了 mac层以上协议，其协议套件由高层应用 规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 zigbee完整、充分地利用了 ieee80211514定义的功能强大 的物理特性的优点，增加了逻辑网络和应用软件，80211514 工作组主要负责制定物理层(phy)和媒体访问控制(mac) 层标准，而zigbee负责网络层和应用层的开发。zigbee具 有低功耗、成本低、时延

10、短、网络容量大、可靠、安全的优 点。采取碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。基于循环冗 余校验(crc)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证, 采用aes-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属 性o zigbee协议的强大功能很适用于智能交通的网络进行使 用，但是由于距离的限制，不能将其工作在2. 4g的频段上, 可以遵照3.2的频段选择。在不同的频段协议的适用范围收 到了限制，故可以在现有的频段上参照zigbee协议架构优 点在新的频段上进行专有协议的制定。(四)数据汇总传输方式方案选择由于无线传感网传输的距离限制，如果要满足远距离传 输必须建立新的中继进行距离的延长，无论从建设成本还是 从工作效率上不适合依旧通过无线传感网的网络传输到服 务器中。对国内现有的无线传输方式可以将数据通过公共移 动通信网络传输到internet服务器中，方式可以选择目前 国内较为成熟的3g信道进行接入，国内有td-scdma、wcdma、 cdma2000可供选择。五、结语本文通过分析现有智能交通系统的研究状况，提出了针 对交通实时信号无线传输网络系统架构的解决方案，并且通 过网络拓扑、网络频段、网络协议的选择以及数据汇总的方 式进行了详细的阐述，旨在通过本文智能交通的研究以及将 来的扩展