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1 引言
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動化信息技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由單一的計(jì)算機(jī)集中處理方式代之為多計(jì)算機(jī)功能分散的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(hù)和功能擴(kuò)展。另外由于光纜、超小型計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)的發(fā) 展，使應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)中的各種設(shè)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(qiáng)的功能。
高速公路監(jiān)控系統(tǒng)主要由外圍設(shè)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(fù)責(zé)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(jìn)行直接聯(lián)網(wǎng)，一般省中心不負(fù)責(zé)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(shí)時(shí)性要求不高的場合，可以利用RS-485代替現(xiàn)場總線進(jìn)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(cuò)能力不強(qiáng)，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(yán)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(diǎn):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(yùn)行和維護(hù)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(hù)光端設(shè)備的投入將是巨大的。
隨 著無線網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的迅速崛起和其在廣大領(lǐng)域有著潛在的市場空間，諸多領(lǐng)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(luò)平臺將是未來很多工業(yè)領(lǐng)域予以依賴的通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用已經(jīng)并開始采用無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)制;同 時(shí)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(lǐng)域，GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)開始深入廣泛應(yīng)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(luò)終端設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)有有線(包括光纜傳輸)系統(tǒng)進(jìn)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(luò)平臺構(gòu)筑高速公路移動專網(wǎng)通信。
2 GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)簡介
2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)簡介
(1) 什么是GPRS技術(shù)
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(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(wù);圖1示出原理圖。
圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成原理圖
GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，因此具有很好的信號覆蓋;
GPRS采用分組交換技術(shù)，按流量計(jì)費(fèi)，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，優(yōu)化了對網(wǎng)絡(luò)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(dá)171.2kbps，實(shí)際應(yīng)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?yīng)用;
(2) GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
快捷登錄
GPRS無線終端附著到 GPRS網(wǎng)絡(luò)，一般只需3到5秒的時(shí)間。
實(shí)時(shí)在線
GPRS無線終端一開機(jī)就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與您的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)。
按流量計(jì)費(fèi)
GPRS計(jì)費(fèi)系統(tǒng)按實(shí)際通信的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行收費(fèi)，而不再是按照登陸網(wǎng)絡(luò)后的在線時(shí)間來收取費(fèi)用。
高速傳輸
GPRS理論帶寬可達(dá)171.2kbps，實(shí)際應(yīng)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(luò)簡介
(1) 什么是CDMA 1X技術(shù)
CDMA 1X技術(shù)是指CDMA 2000的第一階段(速率高于IS-95標(biāo)準(zhǔn)，低于2Mbps)，CDMA 1X提供高達(dá)307.2kbps的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)部份引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務(wù)。目前CDMA 1X的實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在100kbps左右(雙向?qū)ΨQ傳輸)，在此信道上提供TCP/IP連接。CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)可以用于移動IP、Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸、企業(yè)VPN業(yè)務(wù)等應(yīng)用。目前，CDMA 1X技術(shù)已在美國、日本、韓國香港等多個(gè)國家和地區(qū)成功商用，已相當(dāng)成熟。
(2) CDMA 1X無線通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
圖2示出網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖2 CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(shí)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(kuò)頻技術(shù)和頻率復(fù)用技術(shù)，充分利用信道容量，提高了網(wǎng)絡(luò)接通率。
保密性好
CDMA 1X系統(tǒng)中的通話保護(hù)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(jī)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(shí)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(luò)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(jì)算機(jī)技術(shù)、GPRS和CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)平臺及數(shù)據(jù)通信技術(shù)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(luò)平臺，采用無線通信模塊、GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)對各用戶設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖
基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)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(shè)備(DTU);
(2) 傳輸網(wǎng)絡(luò):中國移動GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò);
(3) 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于GPRS和CDMA 1X無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下:
無線數(shù)據(jù)終端模塊:無線終端模塊設(shè)備可采用飛旗公司GPRS DTU 0601G型號產(chǎn)品.
網(wǎng)絡(luò)平臺:GPRS、CDMA 1X和INTERNET網(wǎng)絡(luò)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(luò)，可進(jìn)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(shè)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)中心必須接入PDN網(wǎng)絡(luò)，即分組交換網(wǎng)絡(luò)。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(luò)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(shí)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(shè)置數(shù)據(jù)中心的域名，通過域名解析方法，實(shí)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(diǎn):
通過Internet互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fèi)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(wù)器，并有固定公網(wǎng)IP地址，如圖4所示。但是考慮到服務(wù)器 的穩(wěn)定運(yùn)行問題，通常不允許在服務(wù)器上安裝其他應(yīng)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(wù)器實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場采集點(diǎn)GPRS和 CDMA 1X DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
這種接入方法的特點(diǎn):
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(wù)器。
通過Internet互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fèi)用較低，非常方便。
4 基于GPRS和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)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(luò)的現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示:
圖5 基于GPRS/CDMA 1X 網(wǎng)絡(luò)的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
4.1 監(jiān)控分中心和總中心接入網(wǎng)絡(luò)方式
監(jiān)控分中心和總中心考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性，采取INTERNET接入，如寬帶接入或?qū)＞�接入。由于寬帶接入或?qū)＞�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(shù)和硬件防火墻實(shí)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(diǎn)前端采集設(shè)備采用結(jié)合無線數(shù)據(jù)終端設(shè)備構(gòu)成無線采集系統(tǒng)。抓拍攝像頭，車輛檢測器，情報(bào)板等采集設(shè)備通過串行口或以太網(wǎng)接口連接無線數(shù)據(jù)終端設(shè)備，通過移動網(wǎng)絡(luò)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(fèi)站監(jiān)控也與監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)一樣，通過無線數(shù)據(jù)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無線傳輸系統(tǒng)。
4.3 數(shù)據(jù)傳輸模式
(1) 永遠(yuǎn)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(jī)時(shí)自動連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，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(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常，DTU會在故障恢復(fù)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(yīng)答并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。
工作過程:當(dāng)中心需要收集或發(fā)送DTU端的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)中心發(fā)出呼叫指令，DTU立即連接GPRS網(wǎng)絡(luò)并登錄數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(dāng)有用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由DTU發(fā)起連接。比如可以設(shè)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(dāng)有用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， DTU連接GPRS網(wǎng)絡(luò)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(dāng)其中的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)異常和網(wǎng)絡(luò)狀況比較差的情況下，DTU可主動切換到另外模塊工作，相應(yīng)的切換到另外的網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)平臺互為備份。
5 結(jié)束語
在無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)平臺下得到突破性、實(shí)質(zhì)性的和具有深遠(yuǎn)意義的運(yùn)用。
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