智能交通系统与无线接入：助力智慧城市安全高效发展

### 智能交通系统与无线接入：助力智慧城市安全高效发展 #### 1. 参考 ITS 架构 标准化和协调机构在开展 ITS 参考架构创建工作时，与已部署的 ITS 项目同步进行，甚至保持一致。这些架构旨在减少中间件和适配层的开发工作，为所有项目创建通用结构。下面介绍美国和欧洲的 ITS 架构。 ##### 1.1 国家 ITS 架构（NITSA） NITSA 是美国国家 ITS 计划中的北美 ITS 参考架构。由于需要一个逐步规划、定义和集成 ITS 的参考框架，NITSA 应运而生。目前，NITSA 已发展到 7.0 版本，可视为成熟产品。该架构由多个利益相关者（交通从业者、系统工程师、系统开发人员、技术专家、顾问等）共同推动形成。 NITSA 架构分为三层： - **制度层**：包含 ITS 各阶段正确定义所需的机构、规则、方法、流程和政策。该层是基础，因为坚实的制度支持和有效决策是 ITS 项目有效实施的前提，也是确定 ITS 挑战和需求的地方。 - **运输层**：从子系统、接口以及每个运输服务所需的底层功能和数据定义方面，定义运输解决方案，是 NITSA 的核心层。 - **通信层**：为系统间提供准确及时的信息交换，以支持运输解决方案。 从高层次物理角度看，NITSA 如图 7 所示。四个大框代表不同子系统的分类，区分了旅行者、中心、车辆和现场。白色框表示子系统，共有 22 个运输子系统。椭圆形元素对应子系统间交换信息的四种通用通信链路，由以下技术支持： - **车辆 - 车辆通信**：WAVE/DSRC 5.9 GHz。 - **现场 - 车辆通信**：WAVE/DSRC 5.9 GHz、WiFi、WiMAX 和无线网状网络。 - **广域无线（移动）通信**：蜂窝网络、WiMAX、无线网状网络。 - **定点 - 定点通信**：保证合理质量水平的公共或专用通信网络。 NITSA 由 RITA 与 USDOT 合作支持。一个重要里程碑是基于 NITSA 7.0 的软件应用 Turbo Architecture，可免费下载。 ##### 1.2 ISO CALM 架构 欧洲 ITS 架构在不同标准化机构下有不同名称和规定，但内容相同。文献中常见的有 ISO CALM 架构和 COMeSafety 架构，它是由以下群体创建的开放架构： - 欧洲项目（COMeSafety、COOPERS、CVIS、SAFESPOT、PREDRIVE C2X）。 - 工业活动（C2C - CC）。 - 标准化工作组（ISO TC204、ETSI TC ITS、CEN TC278、IEEE 802.11p、IEEE 1609）。 ISO CALM 架构比 NITSA 考虑了更多无线技术，如图 8 所示。所有使用的无线技术都被集成到 ISO CALM 协议套件中，并通过以下方式供上层使用： - CALM 2G 蜂窝系统 - CALM 3G 蜂窝系统 - CALM 红外系统 - CALM M5 - CALM MM - 使用 IEEE 802.16（WiMAX）的 CALM 移动无线宽带 - 使用广播通信的 CALM - CALM 卫星网络 ISO CALM 架构也有四个子系统，与 NITSA 类似但名称不同（图 9）： - **中央 ITS 子系统**：包含支持 ITS 服务的中央 ITS 站，可视为 ITS 网络的骨干。 - **路边 ITS 子系统**：提供主要 ITS 服务和接入 ITS 网络的途径。 - **车辆 ITS 子系统**：是移动车载单元，为驾驶员展示 ITS 服务并收集相关信息，反馈给安全应用。 - **个人 ITS 子系统**：通过手持设备提供 ITS 服务接入，例如让行人使用 ITS 应用和通信。 #### 2. WAVE 技术 WAVE 是一种专门为恶劣环境设计的无线技术，能在高移动性车辆间快速建立通信，满足安全消息的低延迟、严格 QoS 要求，实现最佳功耗，并保护漫游用户的隐私和匿名性等。 ##### 2.1 WAVE 架构 文献中常提到两个术语： - **路侧单元（RSU）**：通常是固定单元，作为接入点将移动车辆连接到网络，可视为国家 ITS 架构中的现场子系统。 - **车载单元（OBU）**：是连接到车辆或由行人携带的网络设备，始终处于移动状态。 图 10 更清晰地界定了 WAVE 的应用范围，展示了在一种可能使用场景中，WAVE 标准涵盖的领域，即一个 RSU 与多个 OBU 之间建立通信。此外，还通过不同链路展示了与外部系统的其他通信技术。 WAVE 标准专门设计用于 5.9 GHz 频率范围。在美国，频率为 5.850 - 5.925 GHz；在欧洲，为 5.855 - 5.925 GHz。频段分为七个信道，每个信道带宽为 10 MHz。一般来说，在这两个地区，这些信道根据目标应用有特定用途：一般 ITS 应用、ITS 道路安全应用和 ITS 非安全应用。图 11 还包括工业、科学和医疗（ISM）频段。 WAVE 还设计用于安全应用，如危险位置通知、静止车辆警告、道路施工警告、紧急车辆警告、交叉口碰撞避免等。美国和欧洲分别在相关文献中收集了车辆通信的基本安全应用集，许多应用受 100 ms 关键时间延迟和 10 MHz 最小广播频率限制。 ##### 2.2 WAVE 标准套件 WAVE 的历史发展由项目（POC 和 FOT）决定。2006 - 2007 年，一套名为 IEEE 1609 的标准被接受试用。最初，这些标准基于 IEEE 802.11p 开发，协议层从下到上依次为：IEEE 802.11p - 2007、IEEE 1609.4 - 2006、IEEE 1609.3 - 2007、IEEE 1609.2 - 2006 和 IEEE 1609.1。2010 年，正式使用标准发布，主要变化是取消了不必要的 IEEE 1609.1。 这个协议栈提供两种通信方式：通过 IPv6 或使用专门为该环境设计的短消息协议 WAVE Short Message Protocol（WSMP）。以下是 WAVE 标准套件的详细介绍： - **IEEE 802.11p**：为可能处于移动状态且需要短时间通信交换的设备提供无线通信。交易必须在短于标准认证和关联加入 BSS 的时间内完成。目前，该标准可作为 IEEE 802.11 - 2012 的第 11 部分修正案查阅。它在 5