基于GPRS和CDMA 1X无线网络高速公路监控系统

 
基于GPRS和CDMA 1X无线网络高速公路监控系统

1        引言

近年来，随着计算机技术，自动化信息技术和光纤通信技术的发展，高速公路监控系统的技术结构也随之发生变化。高速公路监控系统由单一的计算机集中处理方式代之为多计算机功能分散的计算机网络处理方式，从而使系统可靠性提高，程序编制简单，易于维护和功能扩展。另外由于光缆、超小型计算机及微电子技术的发 展，使应用于监控系统中的各种设备向智能化方向发展，使今后高速公路的监控系统具有更强的功能。

    高速公路监控系统主要由外围设备，即信息采集子系统、监控中心(包括各级分中心和省中心)及监控信息提供子系统三大部分组成。

    信息采集子系统包括:车辆检测器、气象检测器、紧急电话和巡逻车。
    监控中心是高速公路全线路监控系统的控制中心，主要负责全线路范围内交通情况的监视和控制，各级分中心与省中心进行直接联网，一般省中心不负责控制，主要是监督，监视。

    现代高速公路监控系统中的通信方式多数有以下几种:
(1) 现场总线和RS-485。对于一些实时性要求不高的场合，可以利用RS-485代替现场总线进行数据信号的传输。此种传输方式受传输距离限制，另外信号容易受干扰，纠、检错能力不强，传输中系统容量和传输终端的数量也受限制等等也是比较严重的问题。  
(2) 光纤通信。光纤通信与其他通信比较有以下优点:光纤传输频带宽、通信容量大，传输损耗小，光电隔离，不受电磁干扰。但其光缆运行和维护成本非常昂贵，在高速公路监控系统中铺置光缆和维护光端设备的投入将是巨大的。
随 着无线网络在国内的迅速崛起和其在广大领域有着潜在的市场空间，诸多领域的通信传输方式逐渐在改变。国内基于分组交换的第二代和第三代的GPRS/GSM 和CDMA 1X移动网络平台将是未来很多工业领域予以依赖的通信网络平台。目前在电力系统中，如电力系统配网自动化，电力抄表等应用已经并开始采用无线网络机制;同 时在环保，气象，城市交通，油田，煤矿，自来水厂，电厂监控系统领域，GPRS和CDMA 1X网络也已经开始深入广泛应用。

    鉴于现代高速公路监控系统中的传输模式，我们完全可以通过无线网络终端设备和移动网络进行现有有线(包括光缆传输)系统进行改造和升级，在未来的高速公路监控系统中，也完全可以通过无线网络平台构筑高速公路移动专网通信。

2  GPRS和CDMA 1X网络简介

2.1  GPRS网络简介
(1) 什么是GPRS技术
GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务;图1示出原理图。


图1 GPRS网络构成原理图

    GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，因此具有很好的信号覆盖;
    GPRS采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用;
GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样;
    GPRS理论带宽可达171.2kbps，实际应用带宽大约在40~100kbps，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用;

(2) GPRS无线通信网络特点
快捷登录
GPRS无线终端附着到 GPRS网络，一般只需3到5秒的时间。
实时在线
GPRS无线终端一开机就能自动附着到GPRS网络上，并与您的监控数据中心建立通信链路，随时收发用户设备的数据。
按流量计费
GPRS计费系统按实际通信的数据流量进行收费，而不再是按照登陆网络后的在线时间来收取费用。
高速传输
GPRS理论带宽可达171.2kbps，实际应用带宽在40~100kbps。
自如切换

GPRS与GSM之间可以自动或人工切换。

2.2  CDMA 1X网络简介
(1) 什么是CDMA 1X技术
    CDMA 1X技术是指CDMA 2000的第一阶段(速率高于IS-95标准，低于2Mbps)，CDMA 1X提供高达307.2kbps的数据传输业务，网络部份引入分组交换，可支持移动IP业务。目前CDMA 1X的实际应用带宽大约在100kbps左右(双向对称传输)，在此信道上提供TCP/IP连接。CDMA 1X网络可以用于移动IP、Internet连接、数据传输、企业VPN业务等应用。目前，CDMA 1X技术已在美国、日本、韩国香港等多个国家和地区成功商用，已相当成熟。

(2) CDMA 1X无线通信网络特点
图2示出网络示意图。


图2   CDMA 1X网络构成示意图

系统容量大
理论上，CDMA 1X移动网的容量比模拟网大20倍。实际要比模拟网大10倍，比GSM要大4~5倍。
接通率高
CDMA 1X的扩频技术和频率复用技术，充分利用信道容量，提高了网络接通率。
保密性好
CDMA 1X系统中的通话保护措施可提供最佳的保密特性，防止通信过程中被窃听和手机密码被盗。
发射功耗小
CDMA 1X系统的发射功率非常小，最大只有200毫瓦，正常通话时仅需0.1毫瓦，因此移动电话功耗小，无线辐射能量低。

3  基于GPRS和CDMA 1X网络的无线数据传输系统

3.1  系统简介
    无线数据通信系统是集计算机技术、GPRS和CDMA 1X无线网络平台及数据通信技术于一体的综合系统，通过GPRS和CDMA 1X无线终端模块，借助于GPRS和CDMA 1X无线网络平台，采用无线通信模块、GPRS和CDMA 1X网络将其传输到数据业务中心，实现对各用户设备终端的双向数据通信，如图3所示:


图3   基于GPRS和CDMA1X 1x无线数据传输系统结构示意图

    基于GPRS和CDMA 1X网络的无线数传通信系统主要由三大部分组成:
(1) 无线数据终端设备(DTU);
(2) 传输网络:中国移动GPRS和中国联通CDMA 1X无线网络;
(3) 数据业务中心:实时数据收发服务器、实时数据库服务器及用户控制操作界面等。

3.2  基于GPRS和CDMA 1X两种无线网络的数据传输系统结构
    基于GPRS和CDMA 1X无线网络的数据传输系统结构图如下:
无线数据终端模块:无线终端模块设备可采用飞旗公司GPRS DTU 0601G型号产品.
    网络平台:GPRS、CDMA 1X和INTERNET网络是互连互通和无缝连接的，他们均属于PDN，即分组交换网络，可进行IP分组传输，建立TCP/IP，UDP/IP连接。

3.3  数据中心接入方法介绍

  用户设备通过GPRS和CDMA 1X DTU(DTU，即数据终端单元)通讯模块与数据中心主机进行数据通讯，数据中心必须接入PDN网络，即分组交换网络。通常数据中心通常是INTERNET互连网接入，以下详述:
(1) ADSL拨号连接(动态公网IP地址)
    中国移动GPRS、中国联通CDMA 1X网络与Internet互联网是无缝连接的，数据监控中心可通过ADSL拨号方式登录Internet互联网，获得公网IP地址，与现场无线数据终端GPR和CDMA 1X DTU实现数据通信。
一般ADSL拨号方式获得的公网IP地址是动态的，可在数据中心申请固定域名，在DTU中设置数据中心的域名，通过域名解析方法，实现数据传输。


图4 数据中心固定公网IP地址接入示意图

这种接入方法的特点:

通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。

数据中心数据传输带宽能够保证，一般ADSL宽带上网的带宽都在几百Kbit/s左右。

接入成本和费用较低，非常方便。

(2) 通过固定公网IP连接

    与上述ADSL拨号获得公网动态IP地址方式类似，很多公司都有一台连接Internet的服务器，并有固定公网IP地址，如图4所示。但是考虑到服务器 的稳定运行问题，通常不允许在服务器上安装其他应用软件。通过NAT端口映射方式，数据中心系统可以作为内网中的一台服务器实现与现场采集点GPRS和 CDMA 1X DTU实现数据通信。

这种接入方法的特点:

数据监控中心能够提供固定公网IP地址，不必借助DNS域名解析服务器。

通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。

数据中心数据传输带宽能够保证，一般宽带上网的带宽都在几百kbps左右。接入成本和费用较低，非常方便。

4  基于GPRS和CDMA 1X网络的现代高速公路监控系统方案

基于GPRS和CDMA 1X网络的现代高速公路监控系统的网络拓扑结构图如图5所示:


图5    基于GPRS/CDMA 1X 网络的高速公路监控系统网络结构图

4.1  监控分中心和总中心接入网络方式

    监控分中心和总中心考虑到系统的可扩展性和实时性，采取INTERNET接入，如宽带接入或专线接入。由于宽带接入或专线接入在目前情况下，可以充分满足监控系统中的带宽要求。另外考虑到安全性问题，监控分中心和总中心可通过隧道技术和硬件防火墙实现安全监控。

4.2  高速公路无线采集系统

    高速公路监控网点前端采集设备采用结合无线数据终端设备构成无线采集系统。抓拍摄像头，车辆检测器，情报板等采集设备通过串行口或以太网接口连接无线数据终端设备，通过移动网络平台(GPRS和CDMA 1X)，与监控中心建立通道连接。高速公路监控系统的收费站监控也与监控网点一样，通过无线数据终端设备，实现无线传输系统。

4.3  数据传输模式

(1) 永远在线模式

    描述:保持DTU与数据中心永久连接。

    工作过程:DTU开机时自动连接GPRS网络，根据数据中心的IP地址自动连接数据中心，DTU监测链路情况运行，当网络发生异常，DTU会在故障恢复后自动重新建立链路。

(2) 中心呼叫模式(轮巡方式)

  描述:由数据中心发起数据传输请求，DTU应答并发送/接收数据。

    工作过程:当中心需要收集或发送DTU端的数据时，数据中心发出呼叫指令，DTU立即连接GPRS网络并登录数据业务中心，按数据中心的指令传输数据。

(3) 数据触发模式

    描述:当有用户数据传输时，由DTU发起连接。比如可以设置为在发生告警或其他意外情况下，立即向数据中心发送数据。
工作过程:当有用户数据传输时， DTU连接GPRS网络并登录数据中心，传输数据。

(4) 无线模块互切模式

   描述:GPRS DTU和CDMA 1X DTU之间的工作互切换。
   工作过程:当其中的一个无线网络异常和网络状况比较差的情况下，DTU可主动切换到另外模块工作，相应的切换到另外的网络，从而实现两种网络平台互为备份。

5  结束语

    在无线网络平台即将过渡到真正意义上的第三代移动通信，高速公路无线监控系统将在移动网络平台下得到突破性、实质性的和具有深远意义的运用。