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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，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)場總線進行數據信號的傳輸。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 著無線網絡在國內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。國內基于分組交換的第二代和第三代的GPRS/GSM 和CDMA 1X移動網絡平臺將是未來很多工業(yè)領域予以依賴的通信網絡平臺。目前在電力系統(tǒng)中，如電力系統(tǒng)配網自動化，電力抄表等應用已經并開始采用無線網絡機制;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網絡也已經開始深入廣泛應用。
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絡終端設備和移動網絡進行現(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絡平臺構筑高速公路移動專網通信。
2 GPRS和CDMA 1X網絡簡介
2.1 GPRS網絡簡介
(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據承載業(yè)務;圖1示出原理圖。
圖1 GPRS網絡構成原理圖
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據和信令，優(yōu)化了對網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、數據傳輸等應用;
(2) GPRS無線通信網絡特點
快捷登錄
GPRS無線終端附著到 GPRS網絡，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網絡上，并與您的監(jiān)控數據中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶設備的數據。
按流量計費
GPRS計費系統(tǒng)按實際通信的數據流量進行收費，而不再是按照登陸網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的數據傳輸業(yè)務，網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網絡可以用于移動IP、Internet連接、數據傳輸、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無線通信網絡特點
圖2示出網絡示意圖。
圖2 CDMA 1X網絡構成示意圖
系統(tǒng)容量大
理論上，CDMA 1X移動網的容量比模擬網大20倍。實際要比模擬網大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網絡的無線數據傳輸系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)簡介
無線數據通信系統(tǒng)是集計算機技術、GPRS和CDMA 1X無線網絡平臺及數據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無線網絡平臺，采用無線通信模塊、GPRS和CDMA 1X網絡將其傳輸到數據業(yè)務中心，實現(xiàn)對各用戶設備終端的雙向數據通信，如圖3所示:
圖3 基于GPRS和CDMA1X 1x無線數據傳輸系統(tǒng)結構示意圖
基于GPRS和CDMA 1X網絡的無線數傳通信系統(tǒng)主要由三大部分組成:
(1) 無線數據終端設備(DTU);
(2) 傳輸網絡:中國移動GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1X無線網絡;
(3) 數據業(yè)務中心:實時數據收發(fā)服務器、實時數據庫服務器及用戶控制操作界面等。
3.2 基于GPRS和CDMA 1X兩種無線網絡的數據傳輸系統(tǒng)結構
基于GPRS和CDMA 1X無線網絡的數據傳輸系統(tǒng)結構圖如下:
無線數據終端模塊:無線終端模塊設備可采用飛旗公司GPRS DTU 0601G型號產品.
網絡平臺:GPRS、CDMA 1X和INTERNET網絡是互連互通和無縫連接的，他們均屬于PDN，即分組交換網絡，可進行IP分組傳輸，建立TCP/IP，UDP/IP連接。
3.3 數據中心接入方法介紹
用戶設備通過GPRS和CDMA 1X DTU(DTU，即數據終端單元)通訊模塊與數據中心主機進行數據通訊，數據中心必須接入PDN網絡，即分組交換網絡。通常數據中心通常是INTERNET互連網接入，以下詳述:
(1) ADSL撥號連接(動態(tài)公網IP地址)
中國移動GPRS、中國聯(lián)通CDMA 1X網絡與Internet互聯(lián)網是無縫連接的，數據監(jiān)控中心可通過ADSL撥號方式登錄Internet互聯(lián)網，獲得公網IP地址，與現(xiàn)場無線數據終端GPR和CDMA 1X DTU實現(xiàn)數據通信。
一般ADSL撥號方式獲得的公網IP地址是動態(tài)的，可在數據中心申請固定域名，在DTU中設置數據中心的域名，通過域名解析方法，實現(xiàn)數據傳輸。
圖4 數據中心固定公網IP地址接入示意圖
這種接入方法的特點:
通過Internet互聯(lián)網進行數據轉接，數據安全性差、穩(wěn)定性差。
數據中心數據傳輸帶寬能夠保證，一般ADSL寬帶上網的帶寬都在幾百Kbit/s左右。
接入成本和費用較低，非常方便。
(2) 通過固定公網IP連接
與上述ADSL撥號獲得公網動態(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，數據中心系統(tǒng)可以作為內網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)數據通信。
這種接入方法的特點:
數據監(jiān)控中心能夠提供固定公網IP地址，不必借助DNS域名解析服務器。
通過Internet互聯(lián)網進行數據轉接，數據安全性差、穩(wěn)定性差。
數據中心數據傳輸帶寬能夠保證，一般寬帶上網的帶寬都在幾百kbps左右。接入成本和費用較低，非常方便。
4 基于GPRS和CDMA 1X網絡的現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)方案
基于GPRS和CDMA 1X網絡的現(xiàn)代高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的網絡拓撲結構圖如圖5所示:
圖5 基于GPRS/CDMA 1X 網絡的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構圖
4.1 監(jiān)控分中心和總中心接入網絡方式
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)控網點前端采集設備采用結合無線數據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接口連接無線數據終端設備，通過移動網絡平臺(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)控網點一樣，通過無線數據終端設備，實現(xiàn)無線傳輸系統(tǒng)。
4.3 數據傳輸模式
(1) 永遠在線模式
描述:保持DTU與數據中心永久連接。
工作過程:DTU開機時自動連接GPRS網絡，根據數據中心的IP地址自動連接數據中心，DTU監(jiān)測鏈路情況運行，當網絡發(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:由數據中心發(fā)起數據傳輸請求，DTU應答并發(fā)送/接收數據。
工作過程:當中心需要收集或發(fā)送DTU端的數據時，數據中心發(fā)出呼叫指令，DTU立即連接GPRS網絡并登錄數據業(yè)務中心，按數據中心的指令傳輸數據。
(3) 數據觸發(fā)模式
描述:當有用戶數據傳輸時，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，立即向數據中心發(fā)送數據。
工作過程:當有用戶數據傳輸時， DTU連接GPRS網絡并登錄數據中心，傳輸數據。
(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絡異常和網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絡，從而實現(xiàn)兩種網絡平臺互為備份。
5 結束語
在無線網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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