无线异构通信技术在偏远公路通信的应用研究

2021-12-03刘松

通信电源技术 2021年15期

刘松

（广州杰赛通信规划设计院有限公司，广东广州 510310）

0 引言

对偏远地区的道路而言，对道路交通状况进行实时监测，及时传输道路信息需要建立无线通信网络。然而，在边远地区由于自然环境恶劣，通信覆盖面大，基础设施少，铺设光纤非常困难，所需资金数额很大，作为无线网络中一种特殊的网络通信技术，无线异构通信技术可以从多个方面解决这些问题。因此，研究无线异构通信技术在远程公路通信中的应用具有很强的现实意义[1]。

1 无线异构通信技术综述

在信息化时代，信息技术应用广泛，无论是旅游、购物还是社会互动，都离不开信息的交流和传递。21世纪初以来，无线通信技术受到了广泛关注，同时它也变得越来越多样化[2]。这些非线型异构通信网络具有不同的特点和优势，可以面对不同的场景和用户群，应用范围非常广泛，能够让用户享受良好的通信体验。从远程公路通信的角度来看，要解决投资规模大、通信范围宽、基础设施不足以及隧道增多等问题，需要从应急通信网等方面加以解决。

2 无线异构网络架构

2.1 无线链状自组网

无线链状自组网能满足公路沿线链路宽带数据的传输要求，符合IEEE 802.15.3标准的TDD-OFDM调制模式，符合802.11a/b/g/n通信协议和TDD-OFDM调制模式低功耗，可以利用大面积光伏和风能互补供电模式，满足30-100Mbps的宽带数据。

2.2 窄带通信专网

偏远道路和车辆上的各种传感器通过窄带通信进行动态信息采集，如交通流量、速度、控制信息、路况、桥梁、隧道、停车场、天气等信息。考虑到节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率等因素，以及基础设施差、路长、桥梁和隧道多，导致道路偏远(吞吐率)、延迟、移动性、网络覆盖和部署类型等存在的问题，以下从技术角度分析了NB-IoT和LoRa的需求[3]。

LoRaWAN是一种基于ALOHA的异步协议，节点可以根据特定应用程序的要求进行长眠或短眠。LoRaWAN使用免费的未经授权的频谱，是一种异步访问协议，非常适合电池电源和低成本。LoRa和LoRaWAN协议具有干扰、网络重叠和可扩展性等特性，但它们提供的服务质量与蜂窝协议不同。

蜂窝调制（OFDM或FDMA）需要线性发射器来产生调制信号，而线性发射器需要的峰值电流比非线性调制多几个数量级，峰值电流越高，消耗的电量越大。因此，对于需要高通信、短延迟或大量数据的应用程序来说，NB-IoT是更好的选择，而LoRa对于需要更低成本、更高的电池寿命和更少通信的场景来说则更好。偏远的道路、桥梁、隧道、物流车辆等传感器需定期上传监测信息，LoRa非常适合。

3 无线异构通信技术在远程公路通信中的应用

3.1 紧急通信

无线应急通信主要用于处理远程道路突发事件，如重大交通事故的救援等。因此，针对偏远公路线路长的特点，可以选择无线自组织网络技术来构建动态应急通信网络，为突发公共事件的通信工作提供支持。一般来说，基于无线自组织网络技术的公路应急通信系统具有以下特点。

一是快速部署功能。无线自组织网络能够适应移动分布式节点的随机发送和接收行为，即使在没有相关通信基础设施的情况下也能实现整个节点的多跳网络。这意味着，在发生紧急情况时，可将应急通信系统迅速部署到特定区域内的任何地点，并支持通信工作，不仅满足了道路应急通信系统灵活性和机动性的需要，而且还弥补了缺乏远程道路基础设施的问题。

二是在无线自组织网络技术的支持下，公路应急通信系统可以实现多终端之间的跳跃式直接通信和多跳式通信，通过补点消除覆盖盲区，实现通信的全覆盖[4]。虽然这一功能在传统地区的公路交通中难以证明，但在恶劣环境和通信困难的情况下，远程公路交通必不可少。

三是全IP组网。全IP网络是指公路应急通信系统中的所有终端都能支持IP接口和IP协议，满足了与其他公路通信系统互连的需要[5]。

无线自组织网络技术还可以提供数据传输、视频传输、远程个人信息传输，这对于远程道路应急通信系统也非常重要。针对突发事件和公共事件的需要，在没有公共网络信令号码的边远地区，公路管理部门应当保证公路应急指挥部的通信畅通、实时信息畅通，无线自组织网络应急通信服务载体主要是视频和数据，指挥车不能到达突发现场，单兵可以灵活、快速地到达现场，实时掌握视频信息并中继回现场指挥中心，在较高的距离或山上可以满足视频记录和数据中继功能，以及日常巡逻的需要。

无线自组织网络除了具有无线网络的一般特性外，还具有多跳、自组织灵活以及功耗低等特点，在应急通信网络中具有优越性。

3.2 窄带物联通信传输

窄带网络分为NB-LOT技术和LoRa技术，二者在功能特性上有一定的差异。NB-LOT采用了超窄带、流线型网络协议和重复传输等,与一般的无线通信技术相比，虽然NB-LOT在信息传输速度、时延和移动性方面存在一些不足,但它在物联网的承载能力上有了很大的提高。LoRa是一种低功率的广域网通信技术，采用跳频技术和伪随机码序列，具有功耗低、通信距离长、灵敏度高、基础设施要求低、系统容量大，以及终端成本低等特点。从远程道路通信的角度来看，窄带物联网负责各种车辆和道路信息的收集与传输[6]。

因此，在通信网络建设过程中，不仅要考虑网络覆盖范围、带宽、传输速度、传输距离、建设成本等基本要素，还要分析考虑这两种技术的电池寿命、部署类型和技术特点。通过对这些条件的比较可以发现，在公路通信中，虽然NB-LOT技术具有更多的带宽优势，但LoRa技术具有与NB-LOT技术相同或更多的优势，因此在远程公路交通系统中更适合使用LoRa技术来收集和传输信息[7]。

3.3 无线链路数据通信

链状无线数据通信技术是通过链状的方式来进行通信网络传感节点的部署，这种无线通信技术是固定的，不具有移动性。同时，由于节点资源的限制，通信容量有限，处理能力较低[8]。与其他无线通信技术相比，链路数据通信可以组织其他节点加入网络并具有路由功能。在无线链路通信技术的支持下，信息系统的通信覆盖距离一般为5～80 km，能够满足公路通信的要求，因此将其应用于业务传输接入是可行的。

3.4 综合业务流程

无论是应急通信还是常规的服务传输接入，公路通信是比较复杂的业务[9]。因此，在多种业务重叠的情况下，偏远道路上的通信系统需要多部门的高效协同调节。在无线通信技术的应用中，应充分考虑行业标准、国家标准、通信协议和业务网关的集成，实现多网络和多业务的集成。远程高速公路通信系统需要设计一个综合智能商务处理软件平台，以满足各种通信服务的需求[10]。