高速公路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用

吳李彬

（廣東路路通有限公司 廣東省廣州市 510000）

云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)已經(jīng)得到廣泛使用，且在相應(yīng)的領(lǐng)域中都得到較好的發(fā)展。在高速公路的建設(shè)過程中，提高數(shù)據(jù)處理的智能化現(xiàn)代化、安全性等方面將成為其通訊系統(tǒng)建設(shè)的主攻方向。5G 在技術(shù)上以及其他方面與4G 相比都有所完善，滿足了當下公路建設(shè)的需求。

1 高速公路通信系統(tǒng)及通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 通信系統(tǒng)

此類通訊系統(tǒng)是確保公路實現(xiàn)有效管控的主要手段，能夠?qū)⒐返谋O(jiān)控以及收費程序中的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容及時傳送至需要的位置，以確保各相關(guān)管理方之間的基本聯(lián)系，并加強管理內(nèi)部與外界的良好溝通。此外，此項管理系統(tǒng)也是交通通訊網(wǎng)的重要構(gòu)成部分，是實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)拿浇?。在信息、網(wǎng)絡(luò)、通訊技術(shù)的高效發(fā)展，高速公路的通訊系統(tǒng)也由原本的對講方式，轉(zhuǎn)變成如今的無線集群系統(tǒng)，由微波通訊轉(zhuǎn)變成光纖數(shù)字傳播，從簡單的電話語音信息傳遞，發(fā)展成綜合性的通信模式，并由傳統(tǒng)的模擬交流逐漸朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。

近幾年，高速公路已經(jīng)實現(xiàn)較好的發(fā)展，且相應(yīng)的交通通訊網(wǎng)絡(luò)也日趨成熟。由原本單線通訊形成廣域的通訊。高速公路運行期間，通過監(jiān)控設(shè)備形成的數(shù)字信息會定時傳送給控制中心，且收費關(guān)卡產(chǎn)生的收費數(shù)據(jù)也會通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心，而此過程完全依靠高速公路的通訊系統(tǒng)完成。由此，為確保交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，往往會建設(shè)專項的網(wǎng)絡(luò)[1]。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸如圖1 所示。

1.2 通訊網(wǎng)結(jié)構(gòu)

一方面，通訊網(wǎng)組網(wǎng)。高速公路通訊系統(tǒng)的運行，為相應(yīng)的收費系統(tǒng)提供技術(shù)支持。將干線數(shù)據(jù)輸送和接入網(wǎng)相互獨立運作，保證數(shù)據(jù)備份以及隔離的有效實施。通信系統(tǒng)的干線不僅包括此路段內(nèi)的數(shù)據(jù)，還包括與之相鄰的路段信息，若傳輸節(jié)點出現(xiàn)安全事故，會導(dǎo)致此路段以及周邊公路區(qū)域出現(xiàn)擁堵的情況，而采取分層的設(shè)計方式能夠有效規(guī)避此類情況，有助于提升公路整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋的效果。

圖1：高速公路監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

另一方面，主干通信。我國各地區(qū)的高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃存在不同程度的差異，但都是由基本的電路轉(zhuǎn)變成分組的形式。主干通信網(wǎng)主要負責(zé)公路沿線的相關(guān)機構(gòu)，進行遠程、容量較大的調(diào)度與輸送業(yè)務(wù)。高速公路的主干線通訊網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面，其可被定義為服務(wù)機構(gòu)，但各路段由不同的公司負責(zé)。在確保有效溝通的情況下，通常各路段需要結(jié)合實際狀況，各自開展相應(yīng)的系統(tǒng)建設(shè)，其中包括多個節(jié)點。而在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，干線網(wǎng)與接入網(wǎng)相互獨立。另外，根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容的角度而言，通訊網(wǎng)中較為重要且要求高時效性的部分是收費信息。而在視頻圖像方面，高速公路中的收費站等場所需保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性，不可出現(xiàn)中斷或不清晰的情況。通訊語音方面包含車道、區(qū)內(nèi)以及跨區(qū)域三種語音服務(wù)。目前，道路收費數(shù)據(jù)需實時共享，并保證當日的收費信息可以準確拆分。為保證高速公路運行的穩(wěn)定安全性，需將各路段的監(jiān)控數(shù)據(jù)整合后，通過通訊系統(tǒng)轉(zhuǎn)送至特定的位置。若通信出現(xiàn)異常情況，會使整個系統(tǒng)中兩個核心環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。因此，運用穩(wěn)定的系統(tǒng)框架是極為重要的。

2 5G技術(shù)

2.1 技術(shù)概述

5G 通訊技術(shù)是第五代移動通訊技術(shù)，其是以4G 為基礎(chǔ)的。該項通訊技術(shù)是以移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為支撐，并對改進云計算以及相應(yīng)的后臺處理提供技術(shù)支持。與4G 相比，此項在某種程度上彌補其不足，主要體現(xiàn)在兩個方面。

（1）該項技術(shù)能夠有效融合物聯(lián)網(wǎng)的長處，并擴大信息傳輸?shù)膮^(qū)域。同時其數(shù)據(jù)傳送的時長也大幅度縮短。運用5G 技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差的情況下，仍能保證基本的數(shù)據(jù)傳輸，彌補4G 在數(shù)據(jù)傳輸方面穩(wěn)定性的不足。

（2）由于5G 技術(shù)的通訊覆蓋面較廣，有效解決網(wǎng)絡(luò)基站不足的情況。運用5G 通訊技術(shù)可以有效消除網(wǎng)絡(luò)覆蓋空間上的約束，實現(xiàn)不在網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋范圍內(nèi)進行正常的信息傳送?？偟膩碚f，該項技術(shù)的運用和發(fā)展，填補原本在通訊方面的缺陷，對社會各領(lǐng)域的發(fā)展都起到積極性作用[2]。

圖2：高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)

圖3：5G 高速驗證場景

2.2 現(xiàn)狀發(fā)展

移動通訊技術(shù)經(jīng)過長期研究已經(jīng)取得巨大的發(fā)展，自從2012年第四代移動通訊技術(shù)的應(yīng)用，該領(lǐng)域已經(jīng)開始研發(fā)5G 技術(shù)，各大相關(guān)廠商對此項技術(shù)的芯片進行研究活動。現(xiàn)階段，我國移動、聯(lián)通、電信營業(yè)商已經(jīng)在部分城市中進行此項移動通訊技術(shù)的試行。就當下的市場情況而言，此項技術(shù)會實現(xiàn)全面的商用化。與以往的4G 通訊技術(shù)相比，更為成熟先進，且其整體運行的投入量更少，數(shù)據(jù)傳播的速度以及質(zhì)量等方面都有所提升。在快節(jié)奏的社會背景下，此項技術(shù)更為適合。此項技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達到500km/h，將此項技術(shù)應(yīng)用在高速公路的通訊系統(tǒng)中，能為其發(fā)展提供基礎(chǔ)性的保障。

3 5G環(huán)境下高速公路通信系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 智能管控系統(tǒng)

在高速公路投入使用期間，其配備的通訊系統(tǒng)對整體運行穩(wěn)定性，管理及時性等具有重要影響。在運技術(shù)以及大數(shù)據(jù)等信息科技的改良升級，對其的通訊系統(tǒng)起到技術(shù)的保障作用，借此推動高速公路通信系統(tǒng)朝著更為智能化的方向發(fā)展，實現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)調(diào)度、交通管理等。由于5G 通訊技術(shù)基本不受空間上的限制，且數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定快速，提高監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，通過各監(jiān)控站的監(jiān)控設(shè)備，掌握公路的車輛行進、施工、事故等情況，并將產(chǎn)生的信息直接輸送到相應(yīng)的計算機信息庫中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享。有助于控制中心工作人員能夠在更短的時間內(nèi)獲取道路信息，以提高高速公路運行的穩(wěn)定安全性。5G 通訊技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸時差極短，完全可以忽略，并且網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施的數(shù)量更多。

高速公路5G 智能管控系統(tǒng)主要包括對公路中的拐彎、編導(dǎo)、高架橋、隧道、收費站以及服務(wù)區(qū)等區(qū)域的管控。在直道位置應(yīng)用毫米波雷達，而在隧道此類區(qū)域則應(yīng)用激光雷達。其中的RUS 會采取交錯的形式分布在公路兩側(cè)，而雷達以及監(jiān)控等設(shè)施往往采用對稱分布的方式。其他設(shè)施如燈桿、測速設(shè)施等可以根據(jù)以往的布局方式。高速公路中隧道區(qū)域由于光線等問題，使該場景的交通事故發(fā)生率較高，且存在事故誤報的情況?，F(xiàn)階段，對于隧道監(jiān)控方式采取攝像設(shè)備的管控模式，有百分之十左右的誤報率。而借助激光雷達、地圖數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合，以掌握隧道內(nèi)的交通情況，并根據(jù)實時地數(shù)據(jù)共享，將相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容直接傳送至控制中心，由此實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)如圖2 所示。

擁堵是影響高速公路正常運行的干擾因素之一，其可分為常態(tài)擁堵以及突發(fā)擁堵兩種形式，前者主要是常規(guī)的車流量猛增，如節(jié)假日、出入口等，而后者指的是公路施工、安全事故、天氣狀況等。借助智能網(wǎng)聯(lián)進行管控具體環(huán)節(jié)包括監(jiān)測、判斷、消除。監(jiān)測環(huán)節(jié)主要借助雷達以及視頻技術(shù)，運用專項的設(shè)施實現(xiàn)判斷，其監(jiān)測項目涉及到公路行駛車輛、異常事件、天氣等。具體而言，車輛的行駛速度、型號、車流量等，異常情況包含安全事故、道路施工、非法行駛等情況，天氣包括影響車輛行駛的降水、起霧等。對于道路擁堵的判斷根據(jù)實際的車流量、路徑比對、預(yù)測預(yù)警以及其他手段。在消除階段同樣也需要多種綜合性的處理方式。其中車與路的協(xié)調(diào)處理借助智能化設(shè)備對車輛行駛方向的交通情況、車速提醒、施工、路面積水等情況進行提示[3]。

3.2 人員網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

現(xiàn)階段，移動網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)得到有效發(fā)展，使用移動設(shè)備獲取數(shù)據(jù)信息已經(jīng)遠遠超過以往獲取信息的頻率。在視頻觀看方面，其畫面的辨識度已經(jīng)實現(xiàn)大幅度地提高，由以往的標清發(fā)展至如今的高清、超清、藍光。對于當前的市場需求而言，已經(jīng)得到有效普及的4G 通訊技術(shù)已經(jīng)無法滿足當前對畫面清晰度的要求，在觀看視頻時，極易出現(xiàn)卡頓的情況。移動設(shè)備若在移動的過程中使用，其需要不停地搜尋信號，而在高速公路上的車速過快，其此類公路都建設(shè)在偏遠地區(qū)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)較少，甚至在部分路段無基站建設(shè)。移動設(shè)備在各基站之間切換對自身的信號接收有極大的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信中斷的情況。因此，在日常使用移動設(shè)備時往往會固定在同一位置，其在搜尋信號期間會形成大量的輻射。而在5G 環(huán)境下，此種情況得到有效改善。某企業(yè)在當?shù)馗咚俟分械哪陈范芜M行5G 在高速場景下的驗證，并實現(xiàn)在每小時一百千米的速度下通訊數(shù)據(jù)的正常運行。圖3 為驗證5G 高速場景。

此路段道路開闊，且車流量較大，平均車速較大，屬于典型的高速公路場景。在車速達到100km/h 的情況下，會大幅提升無線信道的估計難度。實際驗證期間，同時采用多種優(yōu)化方式，如強化信道估計、矯正頻偏等，將5G 技術(shù)應(yīng)用到正常的高速公路場景中。在高速的環(huán)境下，實現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)切換，并保證高于300Mbps 的下行速率。將此項通訊技術(shù)應(yīng)用到高速公路的通訊中，滿足行駛車輛的需求。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在2017年，手機等移動終端在線視頻觀看的時長已經(jīng)超過總量的百分之五十八，在車輛行駛過程中，車內(nèi)其他乘客能夠在高速的環(huán)境下保證基本的視頻功能正常使用。

高速客運站、服務(wù)站等人員較為密集的場所，若能夠?qū)i-Fi和5G 通訊技術(shù)有效結(jié)合，可以實現(xiàn)分流的效果，有助于提升網(wǎng)絡(luò)用戶的體驗效果。常規(guī)的Wi-Fi，設(shè)備連接較為便利，投入的成本較少且后期管理較為方便，以此彌補5G 技術(shù)的不足，通過構(gòu)建綜合性的組網(wǎng)模式，提高高速公路的通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定效果。此種組網(wǎng)應(yīng)用形式具體而言，應(yīng)用類型可分為移動終端目睹較高的區(qū)域，如車站等，以及吞吐量標準較高的區(qū)域，如遠程視頻等。

3.3 衛(wèi)星定位系統(tǒng)

高速公路建設(shè)在城市的偏遠地區(qū)，沿線周邊的情況存在諸多不確定性，且高速公路中還包含彎道、隧道、出入口、高架橋等交通事故高發(fā)路段，在此類區(qū)域內(nèi)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)運行會受到不同程度的干擾，導(dǎo)致定位不準確。若發(fā)生交通事故，難以及時準確定位信息，會延誤事故處理時間，造成道路擁堵、救援不及時等不良后果。而在5G 環(huán)境下，此項技術(shù)能夠起到輔助性的作用，有助于提升信號接收的準確性和時效性。在5G 環(huán)境下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠更為準確地掌握高速公路中的車輛信息，若其在行進過程中想要獲取定位信息，采用5G 通訊系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至指定位置，借助獲取的衛(wèi)星信號，并得到準確的地理位置。在5G環(huán)境下，衛(wèi)星定位更為準確，并有效消除信號被遮擋的情況，在高速公路中的隧道等區(qū)域信號接收效果較弱的區(qū)域內(nèi)，能夠滿足相關(guān)人員的定位需求，具體可精確到厘米級[4]。

4 結(jié)束語

5G 技術(shù)具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)勢，推動高速公路通信系統(tǒng)的建設(shè)，借助將此項技術(shù)與現(xiàn)有的Wi-Fi 相結(jié)合，構(gòu)建較為完善的組網(wǎng)，并借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，起到彌補的作用。有助于優(yōu)化當前的通訊系統(tǒng)，由此提高道路的安全程度。