【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 程，包括通行券(卡)的發(fā)放、回收以及收費(fèi)找零情況等進(jìn)行有效的監(jiān)督，并能人工或自動(dòng)啟動(dòng)錄像設(shè)備記錄沖卡車輛和其他異常情況?！　÷曇舯O(jiān)控是指采用有線(或無(wú)線)對(duì)講系統(tǒng)，采集音頻信息，對(duì)收費(fèi)人員在收費(fèi)過(guò)程中使用文明用語(yǔ)等情況的監(jiān)督，并監(jiān)聽(tīng)車道內(nèi)的突發(fā)和異常情況。 高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)實(shí)時(shí)采集的路網(wǎng)交通信息進(jìn)行處理，根據(jù)各路段的交通運(yùn)行狀況分析計(jì)算，對(duì)路網(wǎng)未來(lái)時(shí)刻交通情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)誘導(dǎo)控制車流合理的調(diào)控車流分布。根據(jù)道路監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和設(shè)備特點(diǎn)，系統(tǒng)又可分為交通信息采集系統(tǒng)、交通狀態(tài)分析系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)等?！　〗煌ㄐ畔⒉杉到y(tǒng)的功能是獲取交通信息原始數(shù)據(jù)，通過(guò)車輛檢測(cè)器、檢測(cè)線圈、通訊設(shè)備等形成的交通信息采集網(wǎng)，獲得路網(wǎng)中各路段的交通量數(shù)據(jù)；通過(guò)在重要地段的攝像機(jī)和視頻傳輸設(shè)備獲取該路段的視頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)氣象信息采集系統(tǒng)采集各個(gè)路段的能見(jiàn)度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨雪等氣象條件。在這些信息中，視頻數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)或大屏幕上顯示，并根據(jù)需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行抓拍記錄?！　〗煌顟B(tài)分析系統(tǒng)根據(jù)采集到的交通信息原始數(shù)據(jù)，首先判斷是否為交通事件或事故。若經(jīng)過(guò)視頻人工確定為交通事故則直接將相關(guān)信息傳遞給交通控制子系統(tǒng)；若不是交通事故，則計(jì)算機(jī)利用程序求得各路段的交通狀態(tài)參數(shù)，并利用交通流理論分析該路段的交通狀態(tài)?！　〗煌刂葡到y(tǒng)根據(jù)交通狀態(tài)分析子系統(tǒng)輸出的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，若為交通事故，則根據(jù)發(fā)生事故的地點(diǎn)和特點(diǎn)自動(dòng)生成最佳緊急交通誘導(dǎo)控制方案并發(fā)送給交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)；若不是交通事故，則根據(jù)交通狀態(tài)，氣候數(shù)據(jù)及管理需要，按預(yù)定正常交通誘導(dǎo)方案執(zhí)行?！　「咚俟返缆繁O(jiān)控系統(tǒng)的主要是通過(guò)對(duì)高速公路全線的交通流量檢測(cè)、交通狀況的監(jiān)測(cè)、環(huán)境氣象檢測(cè)、運(yùn)行狀況的監(jiān)視，按照一系列智能控制規(guī)則和策略產(chǎn)生控制方案，從而實(shí)現(xiàn)控制交通流量、改善交通環(huán)境、減少事故、使高速公路達(dá)到較高的服務(wù)水平。目前道路監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展存在滯后性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。各地建立的交通監(jiān)控中心大多都只是實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視功能，而遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到控制的作用，其主要原因是在高速公路建設(shè)初期，我國(guó)高速公路的交通流量一般遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)高速公路的監(jiān)控特別是“控制”不夠重視，導(dǎo)致部分高速公路已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)自然擁擠現(xiàn)象，造成“高速不高”的現(xiàn)象。近幾年來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究與開(kāi)發(fā)工作。ITS智能高速公路預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，將會(huì)有效地提高營(yíng)運(yùn)效率、保證交通安全。目前我國(guó)高速公路通車總里程達(dá)到3萬(wàn)公里，位列世界第二，而且已經(jīng)形成了高速網(wǎng)絡(luò)。但是在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)方面的建設(shè)相對(duì)滯后，尤其是聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)和道路監(jiān)控方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在不小的差距。因此，我們要逐步完善高速監(jiān)控系統(tǒng)，使其發(fā)揮最大的作用，充分發(fā)揮出高速公路方便、快捷、安全的特點(diǎn)。 LTE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的組成基本包括數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)接收終端及后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)幾大部分。建立LTE無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件包括：(1) 通信暢通　　LTE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠確保通信系統(tǒng)的通信暢通，應(yīng)該盡可能地?cái)U(kuò)大無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的搜蓋范圍，同時(shí)應(yīng)確保監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)在通信系統(tǒng)充分扭蓋的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能地提供足夠帶寬通信網(wǎng)絡(luò)確保網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定傳輸無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)通信信號(hào)應(yīng)有明確的傳輸頻率，減少其他無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)其干擾。(2) 無(wú)縫時(shí)接　　LTE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的建立應(yīng)立足于高速公路信息監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀， 充分利用現(xiàn)有信息監(jiān)控資源。新建無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有視頻監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、視頻監(jiān)控矩陣系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接。(3) 標(biāo)準(zhǔn)一致　　LTE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的建立在局部范圍內(nèi)是為高速公路路段信息監(jiān)控服務(wù)但從高速公路信息監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)與重大緊急事件處理等角度考慮無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該納入省級(jí)高速公路信息監(jiān)控中心統(tǒng)籌安排的范疇之內(nèi)。因此，各高速路段內(nèi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的建立應(yīng)該在信息數(shù)據(jù)格式、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、視頻圖像信息編碼與解碼、數(shù)據(jù)備份等方面形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并能夠與省級(jí)高速公路信息監(jiān)控中心現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)互通滿足省中心信息采集、信息發(fā)布、決策支持等平臺(tái)的各項(xiàng)要求。(4) 易于升級(jí)　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和完善， 以及無(wú)線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的延伸， LTE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)必然會(huì)出現(xiàn)升級(jí)改造的需求。 本文以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)討論了LTE系統(tǒng)的技術(shù)環(huán)節(jié)，并對(duì)其在高速公路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在了闡述。本論文的具體安排如下： 第一部分：緒論 第二部分：LTE系統(tǒng)技術(shù)研究 第三部分：LTE系統(tǒng)在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 第四部分：LTE系統(tǒng)技術(shù)仿真 第五部分：總結(jié)和展望長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 LTE系統(tǒng)技術(shù)研究 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)構(gòu)成 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3GPP對(duì)LTE項(xiàng)目的工作大體分為兩個(gè)時(shí)間段：2005年3月到2006年6月為SI(StudyItem)階段，完成可行性研究報(bào)告。2006年6月到2007年6月為WI(WorkItem)階段，完成核心技術(shù)的規(guī)范工作。在2007年中期完成LTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定(3GPPR7)，在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。就目前的進(jìn)展來(lái)看，發(fā)展比計(jì)劃滯后了大概3個(gè)月，但經(jīng)過(guò)3GPP組織的努力，LTE的系統(tǒng)框架大部分已經(jīng)完成[1]。LTE采用由NodeB構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延，低復(fù)雜度和低成本的要求。與傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)相比，LTE減少了RNC節(jié)點(diǎn)。名義上LTE是對(duì)3G的演進(jìn)，但事實(shí)上它對(duì)3GPP的整個(gè)體系架構(gòu)作了革命性的變革，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分，無(wú)線接入網(wǎng)稱為EUTRAN，核心網(wǎng)稱為EPC。UEeNodeBLTEUuMMES1MMEServingGatewayS1US11HSSS6aPNDGatewayS5/S8PCRFOperator’sIP servicesGxRxSGi EPC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) MME：移動(dòng)管理單元，處理UE與CN的非接入層（NAS）信令，包括承載的管理和鏈接的管理。 SGW：服務(wù)網(wǎng)關(guān)，與其他3GPP制式（GSM/UMTS）的錨點(diǎn)。 PGW：數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)IP地址分配，QoS， 與非3GPP（如CDMA2000，WiMAX）制式的錨點(diǎn)。 無(wú)線接入網(wǎng)由eNodeB構(gòu)成，對(duì)2G/3G的2層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。MME/SGWMME/SGWeNB1eNB2eNB3S1S1S1S1X2X2X2EUTRAN EUTRAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) eNodeB功能：無(wú)線資源管理，IP數(shù)據(jù)報(bào)頭壓縮，空口加解密，與EPC S1接口，eNodeB間X2接口。 LTE系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成 LTE無(wú)線通信系統(tǒng)是新一代的無(wú)線通信系統(tǒng)，是未來(lái)通信發(fā)展的趨勢(shì)和目標(biāo)，他在多址技術(shù)和多天線技術(shù)方面進(jìn)行了革命性的改進(jìn)，我們從以下幾個(gè)方面來(lái)研究LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)構(gòu)成[11]。1. 雙工技術(shù) 雙工技術(shù)分為兩種，F(xiàn)DD(頻分雙工，F(xiàn)requency Division Duplex)和TDD(時(shí)分雙工，Time Division Duplex)。FDD指的是上行信號(hào)(UE到基站)和下行信號(hào)(基站到UE)，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)在相同的頻帶內(nèi)，上下行信號(hào)在不同的時(shí)隙發(fā)送。 在LTE中，不但要支持FDD和TDD，還要考慮支持半雙工FDD(HFDD)。在HFDD中，基站仍采用全雙工FDD方式，終端的發(fā)送和接收信號(hào)雖然分別在不同的頻段上傳輸，采用成對(duì)頻譜，但其接收和發(fā)送不能在同時(shí)進(jìn)行。在LTE中采用HFDD是因?yàn)镠FDD不像全雙工FDD那樣要求嚴(yán)格的上下行頻段保護(hù)間隔，所以可以使用一些分散頻段，而且HFDD終端收發(fā)雙工器的要求比較低，應(yīng)用HFDD方式可以減小功耗。2. 多址技術(shù) LTE采用OFDMA作為下行多址技術(shù)方案，這并不是說(shuō)不是說(shuō)OFDMA技術(shù)比CDMA技術(shù)先進(jìn)而是由于3GPP的選擇。在傳統(tǒng)的FDMA多址方式中，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶(子載波)，每個(gè)用戶占用一個(gè)或幾個(gè)頻帶進(jìn)行收發(fā)信號(hào)。但是為了避免各子載波之間的十?dāng)_，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔，大大降低了頻譜效率。OFDM可以按兩種方式組合自信道：集中式(Locallized)和分布式(Distributed)。集中式將連續(xù)的子載波分配給一個(gè)信道，既可以在時(shí)域調(diào)度，又可以在頻域調(diào)度，獲得更多的用戶增益。在高速情況下，無(wú)法進(jìn)行頻域調(diào)度，而分布式將分配給一個(gè)子信道的子載波分散到整個(gè)帶寬，各個(gè)子信道的子載波交替排列，從而可以獲得和CDMA相似的頻率增益。 終端UE的發(fā)射功率有限，對(duì)上行技術(shù)的選擇有很大影響，為了降低多載波技術(shù)帶來(lái)的高PAPR(峰值平均功率比)的影響，在LTE中選用單載波FDMA(SCFDMA)做為上行多址技術(shù)。單載波(SC)傳輸技術(shù)具有PAPR/CM較低的特點(diǎn)，在LTE中定義的單載波傳輸是指其信號(hào)包絡(luò)符合單載波特性，從而可以獲得較低的PAPR/CM，但在頻域仍可通過(guò)集中式和分布式兩種方法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一系列考慮，LTE最終選擇基于頻域生成的單載波方法，DFT擴(kuò)展OFDM(DFTOFDM)作為上行SCFDMA傳輸技術(shù)的額具體實(shí)現(xiàn)方法。原理是在發(fā)射機(jī)的IFFT處理前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)展處理。其中最典型的就是用離散傅里葉變換進(jìn)行擴(kuò)展。將每個(gè)用戶使用的子載波進(jìn)行DFT處理，由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后將各用戶的頻域信號(hào)輸入IFFT模塊，由頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域并發(fā)送。經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn)，PAPR就大大減小了，在接收端進(jìn)行反操作，最后通過(guò)DFT解擴(kuò)展數(shù)據(jù)。3. MIMO技術(shù) 為了支持LTE在高數(shù)據(jù)率和大系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持多輸入多輸出技術(shù)，在LTE系統(tǒng)的下行鏈路，系統(tǒng)的基本天線配置為2*2，即2天線發(fā)送和2天線接收，最大支持4天線進(jìn)行下行方向四層傳輸。在上行鏈路其天線基本配置為1*2，即一根發(fā)送天線和2接收天線，即只考慮存在單一上行傳輸鏈的情況。4. 小區(qū)間干擾抑制技術(shù) 因?yàn)镺FDM技術(shù)存在嚴(yán)重的小區(qū)之間干擾，在LTE的早期研究中，提出了小區(qū)干擾隨機(jī)化、小區(qū)干擾消除、小區(qū)干擾協(xié)調(diào)、回避等方法，這些方法可以結(jié)合起來(lái)使用。 MIMO技術(shù)研究 MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介 多輸入多輸出（Multiinput MultioutputMIMO）是一種用來(lái)描述多天線無(wú)線通信系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型，能利用發(fā)射端的多個(gè)天線各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)原信息。該技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，他利用多天線來(lái)抑制信道衰落（fading）。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的單輸入單輸出系統(tǒng)（SingleInput SingleOutput，SISO），MIMO 此類多天線技術(shù)尚包含早期所謂的“智慧型天線”，亦即單輸入多輸出系統(tǒng)（SingleInput MultiOutput，SIMO）和多輸入單輸出系統(tǒng)（MultipleInput SingleOutput，MISO）。 通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線信道來(lái)說(shuō)的。圖23所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。信源時(shí)空編碼S(k)N1……Ci(k)C1(k)時(shí)空解碼1MR1(k)Ri(k) MIMO系統(tǒng)原理圖 特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。MIMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。 MIMO技術(shù)原理 MIMO技術(shù)可以成倍提高衰落信道下的信道容量，在圖23中的天線之間的信道可以用H表示，那么某時(shí)刻N(yùn)個(gè)接收天線收到的信號(hào)可以表示為[6]： (21)其中：為發(fā)射天線信號(hào)矢量，元素是滿足某一星座關(guān)系的調(diào)制符號(hào)，為接受信號(hào)，為加性復(fù)高斯噪聲。 在不同的環(huán)境和天線配置下，H中的元素分布形式是不同的，這就導(dǎo)致了不同的信道模型和相應(yīng)的信道容量問(wèn)題。 假設(shè)環(huán)境中有L個(gè)散射物，個(gè)發(fā)射天線經(jīng)散射后到達(dá)個(gè)接受天線，第i條路徑以角度離開(kāi)發(fā)射天線，以角度到達(dá)接收天線，路徑的增益為，時(shí)延為。假設(shè)所有路徑時(shí)延都遠(yuǎn)小于發(fā)射符號(hào)長(zhǎng)度，第i個(gè)散射體對(duì)Nt個(gè)發(fā)送天線引入的Nt階陣列響應(yīng)矢量為αr，i(t)。則從弟i個(gè)散射體到發(fā)射天線的信道響應(yīng)矢量表示為： ht,it=αt,it?αt,it?ejφt,i(t) (22)其中：αt,it為路徑損失，φt,i(t)為相移。此時(shí)，假設(shè)所有發(fā)送天線到散射體i的路徑損失洗相移近似相等。散射體i到Nr個(gè)接收天線的信道響應(yīng)矢量為 ht,it=αr,it?αr,it?ejφr,i(t) (23)則由散射體i所構(gòu)建的整個(gè)子女到響應(yīng)為 Hit=hr,it?ht,iHt=αr,it?αt,iH(t)?αi(t)?ejφi(t)