無線異構(gòu)通信技術(shù)在偏遠(yuǎn)公路通信的應(yīng)用研究

劉 松

（廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的道路而言，對(duì)道路交通狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)傳輸?shù)缆沸畔⑿枰o線通信網(wǎng)絡(luò)。然而，在邊遠(yuǎn)地區(qū)由于自然環(huán)境惡劣，通信覆蓋面大，基礎(chǔ)設(shè)施少，鋪設(shè)光纖非常困難，所需資金數(shù)額很大，作為無線網(wǎng)絡(luò)中一種特殊的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，無線異構(gòu)通信技術(shù)可以從多個(gè)方面解決這些問題。因此，研究無線異構(gòu)通信技術(shù)在遠(yuǎn)程公路通信中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 無線異構(gòu)通信技術(shù)綜述

在信息化時(shí)代，信息技術(shù)應(yīng)用廣泛，無論是旅游、購物還是社會(huì)互動(dòng)，都離不開信息的交流和傳遞。21世紀(jì)初以來，無線通信技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，同時(shí)它也變得越來越多樣化[2]。這些非線型異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以面對(duì)不同的場(chǎng)景和用戶群，應(yīng)用范圍非常廣泛，能夠讓用戶享受良好的通信體驗(yàn)。從遠(yuǎn)程公路通信的角度來看，要解決投資規(guī)模大、通信范圍寬、基礎(chǔ)設(shè)施不足以及隧道增多等問題，需要從應(yīng)急通信網(wǎng)等方面加以解決。

2 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 無線鏈狀自組網(wǎng)

無線鏈狀自組網(wǎng)能滿足公路沿線鏈路寬帶數(shù)據(jù)的傳輸要求，符合IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的TDD-OFDM調(diào)制模式，符合802.11a/b/g/n通信協(xié)議和TDD-OFDM調(diào)制模式低功耗，可以利用大面積光伏和風(fēng)能互補(bǔ)供電模式，滿足30-100Mbps的寬帶數(shù)據(jù)。

2.2 窄帶通信專網(wǎng)

偏遠(yuǎn)道路和車輛上的各種傳感器通過窄帶通信進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息采集，如交通流量、速度、控制信息、路況、橋梁、隧道、停車場(chǎng)、天氣等信息?？紤]到節(jié)點(diǎn)成本、網(wǎng)絡(luò)成本、電池壽命、數(shù)據(jù)傳輸速率等因素，以及基礎(chǔ)設(shè)施差、路長、橋梁和隧道多，導(dǎo)致道路偏遠(yuǎn)(吞吐率)、延遲、移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋和部署類型等存在的問題，以下從技術(shù)角度分析了NB-IoT和LoRa的需求[3]。

LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協(xié)議，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)特定應(yīng)用程序的要求進(jìn)行長眠或短眠。LoRaWAN使用免費(fèi)的未經(jīng)授權(quán)的頻譜，是一種異步訪問協(xié)議，非常適合電池電源和低成本。LoRa和LoRaWAN協(xié)議具有干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊和可擴(kuò)展性等特性，但它們提供的服務(wù)質(zhì)量與蜂窩協(xié)議不同。

蜂窩調(diào)制（OFDM或FDMA）需要線性發(fā)射器來產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，而線性發(fā)射器需要的峰值電流比非線性調(diào)制多幾個(gè)數(shù)量級(jí)，峰值電流越高，消耗的電量越大。因此，對(duì)于需要高通信、短延遲或大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序來說，NB-IoT是更好的選擇，而LoRa對(duì)于需要更低成本、更高的電池壽命和更少通信的場(chǎng)景來說則更好。偏遠(yuǎn)的道路、橋梁、隧道、物流車輛等傳感器需定期上傳監(jiān)測(cè)信息，LoRa非常適合。

3 無線異構(gòu)通信技術(shù)在遠(yuǎn)程公路通信中的應(yīng)用

3.1 緊急通信

無線應(yīng)急通信主要用于處理遠(yuǎn)程道路突發(fā)事件，如重大交通事故的救援等。因此，針對(duì)偏遠(yuǎn)公路線路長的特點(diǎn)，可以選擇無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)建動(dòng)態(tài)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為突發(fā)公共事件的通信工作提供支持。一般來說，基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的公路應(yīng)急通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

一是快速部署功能。無線自組織網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)移動(dòng)分布式節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)發(fā)送和接收行為，即使在沒有相關(guān)通信基礎(chǔ)設(shè)施的情況下也能實(shí)現(xiàn)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的多跳網(wǎng)絡(luò)。這意味著，在發(fā)生緊急情況時(shí)，可將應(yīng)急通信系統(tǒng)迅速部署到特定區(qū)域內(nèi)的任何地點(diǎn)，并支持通信工作，不僅滿足了道路應(yīng)急通信系統(tǒng)靈活性和機(jī)動(dòng)性的需要，而且還彌補(bǔ)了缺乏遠(yuǎn)程道路基礎(chǔ)設(shè)施的問題。

二是在無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，公路應(yīng)急通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多終端之間的跳躍式直接通信和多跳式通信，通過補(bǔ)點(diǎn)消除覆蓋盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)通信的全覆蓋[4]。雖然這一功能在傳統(tǒng)地區(qū)的公路交通中難以證明，但在惡劣環(huán)境和通信困難的情況下，遠(yuǎn)程公路交通必不可少。

三是全I(xiàn)P組網(wǎng)。全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)是指公路應(yīng)急通信系統(tǒng)中的所有終端都能支持IP接口和IP協(xié)議，滿足了與其他公路通信系統(tǒng)互連的需要[5]。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以提供數(shù)據(jù)傳輸、視頻傳輸、遠(yuǎn)程個(gè)人信息傳輸，這對(duì)于遠(yuǎn)程道路應(yīng)急通信系統(tǒng)也非常重要。針對(duì)突發(fā)事件和公共事件的需要，在沒有公共網(wǎng)絡(luò)信令號(hào)碼的邊遠(yuǎn)地區(qū)，公路管理部門應(yīng)當(dāng)保證公路應(yīng)急指揮部的通信暢通、實(shí)時(shí)信息暢通，無線自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信服務(wù)載體主要是視頻和數(shù)據(jù)，指揮車不能到達(dá)突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，單兵可以靈活、快速地到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)掌握視頻信息并中繼回現(xiàn)場(chǎng)指揮中心，在較高的距離或山上可以滿足視頻記錄和數(shù)據(jù)中繼功能，以及日常巡邏的需要。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)除了具有無線網(wǎng)絡(luò)的一般特性外，還具有多跳、自組織靈活以及功耗低等特點(diǎn)，在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)越性。

3.2 窄帶物聯(lián)通信傳輸

窄帶網(wǎng)絡(luò)分為NB-LOT技術(shù)和LoRa技術(shù)，二者在功能特性上有一定的差異。NB-LOT采用了超窄帶、流線型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和重復(fù)傳輸?shù)?與一般的無線通信技術(shù)相比，雖然NB-LOT在信息傳輸速度、時(shí)延和移動(dòng)性方面存在一些不足,但它在物聯(lián)網(wǎng)的承載能力上有了很大的提高。LoRa是一種低功率的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，采用跳頻技術(shù)和偽隨機(jī)碼序列，具有功耗低、通信距離長、靈敏度高、基礎(chǔ)設(shè)施要求低、系統(tǒng)容量大，以及終端成本低等特點(diǎn)。從遠(yuǎn)程道路通信的角度來看，窄帶物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)各種車輛和道路信息的收集與傳輸[6]。

因此，在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、帶寬、傳輸速度、傳輸距離、建設(shè)成本等基本要素，還要分析考慮這兩種技術(shù)的電池壽命、部署類型和技術(shù)特點(diǎn)。通過對(duì)這些條件的比較可以發(fā)現(xiàn)，在公路通信中，雖然NB-LOT技術(shù)具有更多的帶寬優(yōu)勢(shì)，但LoRa技術(shù)具有與NB-LOT技術(shù)相同或更多的優(yōu)勢(shì)，因此在遠(yuǎn)程公路交通系統(tǒng)中更適合使用LoRa技術(shù)來收集和傳輸信息[7]。

3.3 無線鏈路數(shù)據(jù)通信

鏈狀無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是通過鏈狀的方式來進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)的部署，這種無線通信技術(shù)是固定的，不具有移動(dòng)性。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)資源的限制，通信容量有限，處理能力較低[8]。與其他無線通信技術(shù)相比，鏈路數(shù)據(jù)通信可以組織其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并具有路由功能。在無線鏈路通信技術(shù)的支持下，信息系統(tǒng)的通信覆蓋距離一般為5～80 km，能夠滿足公路通信的要求，因此將其應(yīng)用于業(yè)務(wù)傳輸接入是可行的。

3.4 綜合業(yè)務(wù)流程

無論是應(yīng)急通信還是常規(guī)的服務(wù)傳輸接入，公路通信是比較復(fù)雜的業(yè)務(wù)[9]。因此，在多種業(yè)務(wù)重疊的情況下，偏遠(yuǎn)道路上的通信系統(tǒng)需要多部門的高效協(xié)同調(diào)節(jié)。在無線通信技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議和業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)的集成，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)和多業(yè)務(wù)的集成。遠(yuǎn)程高速公路通信系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)綜合智能商務(wù)處理軟件平臺(tái)，以滿足各種通信服務(wù)的需求[10]。

4 結(jié) 論

隨著時(shí)間的推移，無線異構(gòu)通信技術(shù)已經(jīng)變得非常多樣化。隨著智能公路建設(shè)的發(fā)展和公路通信系統(tǒng)要求的提高，需要對(duì)無線異構(gòu)通信技術(shù)在遠(yuǎn)程公路通信中的應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新。持續(xù)創(chuàng)新無線通信技術(shù)，讓公路通信系統(tǒng)更加智能化，有利于我國公路建設(shè)水平提高。