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1 引言
近年來，隨著計算機技術，自動化信息技術和光纖通信技術的發(fā)展，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的技術結構也隨之發(fā)生變化。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由單一的計算機集中處理方式代之為多計算機功能分散的計算機網(wǎng)絡處理方式，從而使系統(tǒng)可靠性提高，程序編制簡單，易于維護和功能擴展。另外由于光纜、超小型計算機及微電子技術的發(fā) 展，使應用于監(jiān)控系統(tǒng)中的各種設備向智能化方向發(fā)展，使今后高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)具有更強的功能。
高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要由外圍設備，即信息采集子系統(tǒng)、監(jiān)控中心(包括各級分中心和省中心)及監(jiān)控信息提供子系統(tǒng)三大部分組成。
信息采集子系統(tǒng)包括:車輛檢測器、氣象檢測器、緊急電話和巡邏車。
監(jiān)控中心是高速公路全線路監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，主要負責全線路范圍內(nèi)交通情況的監(jiān)視和控制，各級分中心與省中心進行直接聯(lián)網(wǎng)，一般省中心不負責控制，主要是監(jiān)督，監(jiān)視。
現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的通信方式多數(shù)有以下幾種:
(1) 現(xiàn)場總線和RS-485。對于一些實時性要求不高的場合，可以利用RS-485代替現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)信號的傳輸。此種傳輸方式受傳輸距離限制，另外信號容易受干擾，糾、檢錯能力不強，傳輸中系統(tǒng)容量和傳輸終端的數(shù)量也受限制等等也是比較嚴重的問題。
(2) 光纖通信。光纖通信與其他通信比較有以下優(yōu)點:光纖傳輸頻帶寬、通信容量大，傳輸損耗小，光電隔離，不受電磁干擾。但其光纜運行和維護成本非常昂貴，在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中鋪置光纜和維護光端設備的投入將是巨大的。
隨 著無線網(wǎng)絡在國內(nèi)的迅速崛起和其在廣大領域有著潛在的市場空間，諸多領域的通信傳輸方式逐漸在改變。國內(nèi)基于分組交換的第二代和第三代的GPRS/GSM 和CDMA 1X移動網(wǎng)絡平臺將是未來很多工業(yè)領域予以依賴的通信網(wǎng)絡平臺。目前在電力系統(tǒng)中，如電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動化，電力抄表等應用已經(jīng)并開始采用無線網(wǎng)絡機制;同 時在環(huán)保，氣象，城市交通，油田，煤礦，自來水廠，電廠監(jiān)控系統(tǒng)領域，GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡也已經(jīng)開始深入廣泛應用。
鑒于現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的傳輸模式，我們完全可以通過無線網(wǎng)絡終端設備和移動網(wǎng)絡進行現(xiàn)有有線(包括光纜傳輸)系統(tǒng)進行改造和升級，在未來的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中，也完全可以通過無線網(wǎng)絡平臺構筑高速公路移動專網(wǎng)通信。
2 GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡簡介
2.1 GPRS網(wǎng)絡簡介
(1) 什么是GPRS技術
GPRS是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務;圖1示出原理圖。
圖1 GPRS網(wǎng)絡構成原理圖
GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結構，因此具有很好的信號覆蓋;
GPRS采用分組交換技術，按流量計費，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，優(yōu)化了對網(wǎng)絡資源和無線資源的利用;
GPRS的安全功能同現(xiàn)有的GSM安全功能一樣;
GPRS理論帶寬可達171.2kbps，實際應用帶寬大約在40~100kbps，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?
(2) GPRS無線通信網(wǎng)絡特點
快捷登錄
GPRS無線終端附著到 GPRS網(wǎng)絡，一般只需3到5秒的時間。
實時在線
GPRS無線終端一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡上，并與您的監(jiān)控數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶設備的數(shù)據(jù)。
按流量計費
GPRS計費系統(tǒng)按實際通信的數(shù)據(jù)流量進行收費，而不再是按照登陸網(wǎng)絡后的在線時間來收取費用。
高速傳輸
GPRS理論帶寬可達171.2kbps，實際應用帶寬在40~100kbps。
自如切換
GPRS與GSM之間可以自動或人工切換。
2.2 CDMA 1X網(wǎng)絡簡介
(1) 什么是CDMA 1X技術
CDMA 1X技術是指CDMA 2000的第一階段(速率高于IS-95標準，低于2Mbps)，CDMA 1X提供高達307.2kbps的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，網(wǎng)絡部份引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務。目前CDMA 1X的實際應用帶寬大約在100kbps左右(雙向對稱傳輸)，在此信道上提供TCP/IP連接。CDMA 1X網(wǎng)絡可以用于移動IP、Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸、企業(yè)VPN業(yè)務等應用。目前，CDMA 1X技術已在美國、日本、韓國香港等多個國家和地區(qū)成功商用，已相當成熟。
(2) CDMA 1X無線通信網(wǎng)絡特點
圖2示出網(wǎng)絡示意圖。
圖2 CDMA 1X網(wǎng)絡構成示意圖
系統(tǒng)容量大
理論上，CDMA 1X移動網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大20倍。實際要比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM要大4~5倍。
接通率高
CDMA 1X的擴頻技術和頻率復用技術，充分利用信道容量，提高了網(wǎng)絡接通率。
保密性好
CDMA 1X系統(tǒng)中的通話保護措施可提供最佳的保密特性，防止通信過程中被竊聽和手機密碼被盜。
發(fā)射功耗小
CDMA 1X系統(tǒng)的發(fā)射功率非常小，最大只有200毫瓦，正常通話時僅需0.1毫瓦，因此移動電話功耗小，無線輻射能量低。
3 基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)簡介
無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是集計算機技術、GPRS和CDMA 1X無線網(wǎng)絡平臺及數(shù)據(jù)通信技術于一體的綜合系統(tǒng)，通過GPRS和CDMA 1X無線終端模塊，借助于GPRS和CDMA 1X無線網(wǎng)絡平臺，采用無線通信模塊、GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)業(yè)務中心，實現(xiàn)對各用戶設備終端的雙向數(shù)據(jù)通信，如圖3所示:
圖3 基于GPRS和CDMA1X 1x無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構示意圖
基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡的無線數(shù)傳通信系統(tǒng)主要由三大部分組成:
(1) 無線數(shù)據(jù)終端設備(DTU);
(2) 傳輸網(wǎng)絡:中國移動GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1X無線網(wǎng)絡;
(3) 數(shù)據(jù)業(yè)務中心:實時數(shù)據(jù)收發(fā)服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器及用戶控制操作界面等。
3.2 基于GPRS和CDMA 1X兩種無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構
基于GPRS和CDMA 1X無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構圖如下:
無線數(shù)據(jù)終端模塊:無線終端模塊設備可采用飛旗公司GPRS DTU 0601G型號產(chǎn)品.
網(wǎng)絡平臺:GPRS、CDMA 1X和INTERNET網(wǎng)絡是互連互通和無縫連接的，他們均屬于PDN，即分組交換網(wǎng)絡，可進行IP分組傳輸，建立TCP/IP，UDP/IP連接。
3.3 數(shù)據(jù)中心接入方法介紹
用戶設備通過GPRS和CDMA 1X DTU(DTU，即數(shù)據(jù)終端單元)通訊模塊與數(shù)據(jù)中心主機進行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)中心必須接入PDN網(wǎng)絡，即分組交換網(wǎng)絡。通常數(shù)據(jù)中心通常是INTERNET互連網(wǎng)接入，以下詳述:
(1) ADSL撥號連接(動態(tài)公網(wǎng)IP地址)
中國移動GPRS、中國聯(lián)通CDMA 1X網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)網(wǎng)是無縫連接的，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可通過ADSL撥號方式登錄Internet互聯(lián)網(wǎng)，獲得公網(wǎng)IP地址，與現(xiàn)場無線數(shù)據(jù)終端GPR和CDMA 1X DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
一般ADSL撥號方式獲得的公網(wǎng)IP地址是動態(tài)的，可在數(shù)據(jù)中心申請固定域名，在DTU中設置數(shù)據(jù)中心的域名，通過域名解析方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
圖4 數(shù)據(jù)中心固定公網(wǎng)IP地址接入示意圖
這種接入方法的特點:
通過Internet互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉接，數(shù)據(jù)安全性差、穩(wěn)定性差。
數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸帶寬能夠保證，一般ADSL寬帶上網(wǎng)的帶寬都在幾百Kbit/s左右。
接入成本和費用較低，非常方便。
(2) 通過固定公網(wǎng)IP連接
與上述ADSL撥號獲得公網(wǎng)動態(tài)IP地址方式類似，很多公司都有一臺連接Internet的服務器，并有固定公網(wǎng)IP地址，如圖4所示。但是考慮到服務器 的穩(wěn)定運行問題，通常不允許在服務器上安裝其他應用軟件。通過NAT端口映射方式，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)可以作為內(nèi)網(wǎng)中的一臺服務器實現(xiàn)與現(xiàn)場采集點GPRS和 CDMA 1X DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
這種接入方法的特點:
數(shù)據(jù)監(jiān)控中心能夠提供固定公網(wǎng)IP地址，不必借助DNS域名解析服務器。
通過Internet互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉接，數(shù)據(jù)安全性差、穩(wěn)定性差。
數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸帶寬能夠保證，一般寬帶上網(wǎng)的帶寬都在幾百kbps左右。接入成本和費用較低，非常方便。
4 基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡的現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)方案
基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡的現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖5所示:
圖5 基于GPRS/CDMA 1X 網(wǎng)絡的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖
4.1 監(jiān)控分中心和總中心接入網(wǎng)絡方式
監(jiān)控分中心和總中心考慮到系統(tǒng)的可擴展性和實時性，采取INTERNET接入，如寬帶接入或專線接入。由于寬帶接入或專線接入在目前情況下，可以充分滿足監(jiān)控系統(tǒng)中的帶寬要求。另外考慮到安全性問題，監(jiān)控分中心和總中心可通過隧道技術和硬件防火墻實現(xiàn)安全監(jiān)控。
4.2 高速公路無線采集系統(tǒng)
高速公路監(jiān)控網(wǎng)點前端采集設備采用結合無線數(shù)據(jù)終端設備構成無線采集系統(tǒng)。抓拍攝像頭，車輛檢測器，情報板等采集設備通過串行口或以太網(wǎng)接口連接無線數(shù)據(jù)終端設備，通過移動網(wǎng)絡平臺(GPRS和CDMA 1X)，與監(jiān)控中心建立通道連接。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的收費站監(jiān)控也與監(jiān)控網(wǎng)點一樣，通過無線數(shù)據(jù)終端設備，實現(xiàn)無線傳輸系統(tǒng)。
4.3 數(shù)據(jù)傳輸模式
(1) 永遠在線模式
描述:保持DTU與數(shù)據(jù)中心永久連接。
工作過程:DTU開機時自動連接GPRS網(wǎng)絡，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的IP地址自動連接數(shù)據(jù)中心，DTU監(jiān)測鏈路情況運行，當網(wǎng)絡發(fā)生異常，DTU會在故障恢復后自動重新建立鏈路。
(2) 中心呼叫模式(輪巡方式)
描述:由數(shù)據(jù)中心發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求，DTU應答并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。
工作過程:當中心需要收集或發(fā)送DTU端的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)中心發(fā)出呼叫指令，DTU立即連接GPRS網(wǎng)絡并登錄數(shù)據(jù)業(yè)務中心，按數(shù)據(jù)中心的指令傳輸數(shù)據(jù)。
(3) 數(shù)據(jù)觸發(fā)模式
描述:當有用戶數(shù)據(jù)傳輸時，由DTU發(fā)起連接。比如可以設置為在發(fā)生告警或其他意外情況下，立即向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。
工作過程:當有用戶數(shù)據(jù)傳輸時， DTU連接GPRS網(wǎng)絡并登錄數(shù)據(jù)中心，傳輸數(shù)據(jù)。
(4) 無線模塊互切模式
描述:GPRS DTU和CDMA 1X DTU之間的工作互切換。
工作過程:當其中的一個無線網(wǎng)絡異常和網(wǎng)絡狀況比較差的情況下，DTU可主動切換到另外模塊工作，相應的切換到另外的網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡平臺互為備份。
5 結束語
在無線網(wǎng)絡平臺即將過渡到真正意義上的第三代移動通信，高速公路無線監(jiān)控系統(tǒng)將在移動網(wǎng)絡平臺下得到突破性、實質性的和具有深遠意義的運用。
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