试论LTE系统在高速公路监控系统中的应用

【摘要】高速公路监控系统是调整公路系统实现安全、高效、节能及环保运行的重要手段。高速公路监控系统的作用是对高速公路网实现实时监控和交通控制。下面本文笔者介绍了高速公路监控系统以及LTE系统技术构成，探讨了LTE系统在高速公路监控系统中的应用。

【关键词】LTE系统 高速公路 监控系统

【分类号】：TG333.7

引言

监控系统是高速公路的动态保障系统，是保证高速公路的服务水平，充分发挥其安全、高速、舒适、高效特点的主要手段。实时了解道路状况与交通运行情况、制定合理的控制方案将是监控系统的主要职能，如何充分运用监控系统的技术手段使高速公路整体通行能力达到最大水平将是监控系统所要解决的主要问题。下面笔者探讨了LTE系统在高速公路监控系统中的应用。

一、高速公路监控系统概述

高速公路交通工程机电系统由收费系统、监控系统、通信系统三大系统以及照明和通风系统和供配电系统组成。收费系统对道路的使用者按既定的费率征收通行费，以回收道路建设投资。通信系统为收费和监控系统提供信息传输的通道。监控系统是三大系统的核心，它对高速公路交通流状态和交通环境进行监测，并根据需要对交通流进行诱导和控制，保证车辆运行畅通、减少交通事故、降低事故的危害性。高速公路监控系统由外场监控设施、站场监控室和各级监控中心组成，是实现高速公路运行管理的重要手段。

高速公路监控系统是智能交通系统（ITS）的重要组成部分，在我国IT的框架中属于第五个服务领域（紧急事件和安全系统）。目前我国的高速公路网正以较快的速度建立和完善，有效地提高了我国的道路快速运输的能力。与此同时，由于我国的经济持续、快速、健康的发展，产生了大量的质量要求较高的道路运输需求，因此在某些高速公路易产生交通拥堵、交通事故频发、交通混乱的地段，为了提高高速公路的有效利用，高速公路监控系统应运而生。交通监控过程如图1所示，输出为车辆运行状态，输入为控制指标，受控对象为交通流，道路、交通和气象环境等各种影响交通流的因素作为系统的干扰输入；表征交通流状态特征的信息历经采集、处理、决策和执行各个环节，遵循反馈控制原理，按预定指标完成控制任务。

图1：交通监控过程图

随着无线通信系统在国内的快速发展，其在其他领域也有着潜在的巨大市场，鉴于现代高速公路监控系统中的传输模式，完全可以通过LTE无线网络终端和移动网络对现有的有线系统进行改造，在未来的高速公路监控系统中，可以通过无线网络来构造高速公路移动专网通信。

LTE采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。

二、LTE系统在高速公路监控系统中的应用

1、LTE系统技术构成

LTE无线通信系统是新一代的无线通信系统，是未来通信发展的趋势和目标，他在多址技术和多天线技术方面进行了革命性的改进。

（1）双工技术

双工技术分为两种，FDD（频分双工）和TDD（时分双工）。 FDD指的是上行信号（UE到基站）和下行信号（基站到UE）分别在两个频带上发送。TDD方式中，发送信号和接收信号在相同的频带内，上下行信号在不同的时隙发送。

在LTE中，不但要支持FDD和TDD，还要考虑支持半双工FDD（H-FDD）。在H-FDD中，基站仍采用全双工FDD方式，终端的发送和接收信号虽然分别在不同的频段上传输，采用成对频谱，但其接收和发送不能在同时进行。在LTE中采用H-FDD是因为H-FDD不像全双工FDD那样要求严格的上下行频段保护间隔，所以可以使用一些分散频段，而且H-FDD终端收发双工器的要求比较低，应用H-FDD方式可以减小功耗。

（2）多址技术

LTE采用OFDMA作为下行多址技术方案，这并不是说不是说OFDMA技术比CDMA技术先进而是由于3GPP的选择。在传统的FDMA多址方式中，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波），每个用户占用一个或儿个频带进行收发信号。但是为了避免各子载波之间的十扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔，大大降低了频谱效率。

（3）MIMO技术

为了支持LTE在高数据率和大系统容量方面的需求，LTE系统支持多输入多输出技术，在LTE系统的下行链路，系统的基本天线配置为2*2，即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向四层传输。在上行链路其天线基本配置为1 *2，即一根发送天线和2接收天线，即只考虑存在单一上行传输链的情况。

（4）小区间干扰抑制技术

因为OFDM技术存在严重的小区之间干扰，在LTE的早期研究中，提出了小区干扰随机化、小区干扰消除、小区干扰协调、回避等方法，这些方法可以结合起来使用。

2、LTE无线系统结构

LTE无线数据通信系统是集成了计算机技术、LTE无线网络平台和数据通信技术于一体的综合技术，通过LTE无线终端，借助LTE无线网络将数据传输到数据业务中心，实现对个用户设备终端的双向数据通信（如图2）

图2：基于LTE的无线数据传输系统

监控中心和总中心以Internet方式接入系统，这样有利于系统的下一步扩展，可采用宽带或专线形式。在安全问题上，我们可以采用隧道方式或者设立硬件防火墙的办法以实现安全监控。监控系统的前端采集设备结合无线数据终端设备即构成了无线采集系统，摄像头、车辆检测器、情报板等采集设备可通过各种接口连接无线数据终端，通过移动网络，与监控中心建立连接通道，收费系统也可以按照这种方式进行连接，构成高速公路收费系统。

3、数据传输模式

（1）永远在线模式

无线数据终端开机后自动连接LTE网络，根据数据中心的IP自动连接数据中心，并且一直检测链路连接情况，一旦链路出现故障异常，则在恢复故障后再次自动连接。

（2）中心呼叫模式

当中心需要呼叫或收集某一个无线数据终端的数据时，数据中心发出指令，线数据终端即连接LTE网络并连接数据中心，按照要求传输数据。

（3）数据触发模式

当某一无线数据终端有数据需要传输时，立即连接LTE网络并连接数据终端，形台传输数据。在移动通信飞速发展的现在，通过LTE移动公网进行数据传输，技术成本低，而且建设非常方便。

结语

综上所述，高速公路基于LTE移动网络的无线监控系统，它能够通过可移动的前端采集系统，更低的系统建设成本，对更多地路段进行有效地监控。

参考文献：

[1]王映民，孙韶辉等.TD-LTE技术原理和系统设计[M].北京，人民邮电出版社.2010.6

[2]付增辉.高速公路监控系统外场设备数据传输方式及应用[J].智能交通.2008.11。