1、智能运输系统概论智能运输系统概论（第三版）（第三版）普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材2121世纪交通版高等学校教材世纪交通版高等学校教材杨兆升杨兆升 于德新于德新 主编主编史其信史其信 高世廉高世廉 主审主审目目 录录n第第1 1章章 绪论绪论n第第2 2章章 智能运输系统的体系框架智能运输系统的体系框架n第第3 3章章 智能运输系统的理论基础智能运输系统的理论基础n第第4 4章章 交通信息采集与处理技术交通信息采集与处理技术n第第5 5章章 通信技术通信技术n第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术n第第7 7章章 网络技术网络技术n第第8 8章章 数据库
2、技术数据库技术n第第9 9章章 新技术在智能运输系统中的应用新技术在智能运输系统中的应用n第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统第第5 5章章 通信技术通信技术 概述概述5.1通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.2 交通数据信源编码研究交通数据信源编码研究5.35.1 概述概述智能运输系统智能运输系统是利用先进的是利用先进的信息通信技术信息通信技术建立建立道路道路、车车辆辆、行人行人为一体的为一体的综合综合交通运输系统。在将道路、车辆、交通运输系统。在将道路、车辆、行人整合的过程中，行人整合的过程中，通信系统通信系统起到了关键的作用，起到了关键的作用，通
3、信技通信技术术成为构建智能运输系统的成为构建智能运输系统的基本要素基本要素。 现代通信技术现代通信技术包括包括数字通信技术数字通信技术、程控交换技术程控交换技术、信信息传输技术息传输技术、通信网络技术通信网络技术、数据通信与数据网数据通信与数据网、ISDNISDN与与ATMATM技术技术、宽带宽带IPIP技术技术以及以及接入网与接入技术接入网与接入技术等。等。数字通信数字通信是是现代通信网现代通信网中的最主要的中的最主要的通信技术基础通信技术基础。用用数字信号数字信号作为作为载体载体来传输消息，或用数字信号对载波进来传输消息，或用数字信号对载波进行行数字调制数字调制后再传输的通信方式。后再传输
4、的通信方式。5.1 概述概述数字通信数字通信以其以其抗干扰能力强抗干扰能力强，便于，便于存储存储，处理处理和和交换交换等特点，等特点，广泛应用广泛应用于现代通信网的各种通信系统。于现代通信网的各种通信系统。信息传输技术信息传输技术主要包括主要包括光纤通信光纤通信、数字微波通信数字微波通信、卫卫星通信星通信、移动通信移动通信等。等。光纤光纤是以是以光波光波为为载频载频，以，以光导纤维光导纤维为为传输介质传输介质的一种的一种通信方式，主要通信方式，主要特点特点是是频带宽频带宽，比常用微波频率高，比常用微波频率高104-104-105105倍；倍；损耗低损耗低，中继距离长；具有，中继距离长；具有抗电
5、磁干扰抗电磁干扰能力；线能力；线经细，重量轻；还有经细，重量轻；还有耐腐蚀耐腐蚀，不怕高温不怕高温等优点。等优点。数字微波中继通信数字微波中继通信是指利用波长为是指利用波长为1m-1mm1m-1mm范围内的电范围内的电磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。5.1 概述概述数字微波中继通信数字微波中继通信主要主要特点特点为信号可以为信号可以“再生再生”，具，具有便于有便于数字程控交换机数字程控交换机的连接、便于采用的连接、便于采用大规模集成电大规模集成电路路、保密性好保密性好以及以及占用频带较宽占用频带较宽等的优点。等的优点。卫星通信卫星通信简单说就是地球上
6、的简单说就是地球上的无线电通信站无线电通信站之间利用之间利用人造地球卫星人造地球卫星作作中继站中继站而进行的通信。其具有而进行的通信。其具有通信距离通信距离远远、工作频带宽工作频带宽、通信容量大通信容量大、适用于多种业务的传输适用于多种业务的传输、通信线路稳定可靠通信线路稳定可靠以及以及通信质量高通信质量高等优点。等优点。早期早期的通信形式属于的通信形式属于固定点固定点之间的通信，随着人类社之间的通信，随着人类社会的发展，信息传递会的发展，信息传递日益频繁日益频繁，移动通信移动通信正是因为具有信正是因为具有信息交流息交流灵活灵活，经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，经济效益明显等优势，得到了
7、迅速的发展， 概述概述5.1 交通数据信源编码研究交通数据信源编码研究5.3通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.2第第5 5章章 通信技术通信技术5.2.1 调频广播调频广播调频广播调频广播是以是以调频调频方式进行方式进行音频信号音频信号传输的传输的. .调频波的调频波的载波载波随着随着音频调制信号音频调制信号的变化而在的变化而在载波中心载波中心频率频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏频偏变化次数变化次数和音频信号的和音频信号的调制频率调制频率一致。频偏的一致。频偏的大小大小是随音是随音频信号的频信号的振幅大小
8、振幅大小而定。而定。调频广播调频广播是是高频振荡频率高频振荡频率随随音频信号幅度音频信号幅度而变化的广而变化的广播技术。播技术。具有具有抗干扰力强抗干扰力强、失真小失真小、设备利用率高设备利用率高等优点，但等优点，但所占所占频带宽频带宽，因此常工作于甚高频段。，因此常工作于甚高频段。由由交通部门交通部门与与广播电台广播电台联合打造的联合打造的调频广播台调频广播台不是不是传统意义的广播，而是传统意义的广播，而是跨行业跨行业，利用，利用“多路段、差异化、多路段、差异化、定制化插播定制化插播”技术，实现基于智能位置信息的技术，实现基于智能位置信息的差异化信差异化信息服务息服务，是对，是对普通调频同步
9、广播普通调频同步广播系统的创新应用。系统的创新应用。具有具有紧急广播紧急广播和和数据推送数据推送功能，可全面提升现有道功能，可全面提升现有道路网络的路网络的信息服务水平信息服务水平和和效率效率，提高应对公路，提高应对公路突发事件突发事件和和应急处置应急处置能力。能力。5.2.1 调频广播调频广播5.2.2 3G移动通信移动通信3G3G（3rd Generation3rd Generation）指）指第三代移动通信技术第三代移动通信技术。与前。与前两代相比两代相比, ,主要特征主要特征是可提供丰富多彩的是可提供丰富多彩的移动多媒体业务移动多媒体业务，其其传输速率传输速率在高速移动环境中支持在高速
10、移动环境中支持144kb/s144kb/s，步行慢速移，步行慢速移动环境中支持动环境中支持384kb/s384kb/s，静止状态静止状态下支持下支持2Mb/s2Mb/s。目前国。目前国际电联接受的际电联接受的3G3G标准标准主要有主要有WCDMAWCDMA、CDMA2000CDMA2000与与TD-SCDMATD-SCDMA。 3G3G技术在车联网中的应用技术在车联网中的应用3G3G网络网络可以实现可以实现多节点的交互多节点的交互，例如：与，例如：与不同城市不同城市智智能运输系统之间的交互、能运输系统之间的交互、车与车车与车之间的交互、不同种类之间的交互、不同种类的的信息平台信息平台之间交互等
11、。使得车辆在之间交互等。使得车辆在出行前出行前可以选择更可以选择更为合理的为合理的出行路线出行路线，在，在出行中出行中合理合理规避规避交通堵塞，遇到交通堵塞，遇到堵塞可以堵塞可以主动上传主动上传相关路况信息。还可为提供车辆监测。相关路况信息。还可为提供车辆监测。5.2.2 3G移动通信移动通信 3G3G技术在快速交通事故处理中的应用技术在快速交通事故处理中的应用一般性车辆事故一般性车辆事故特别是未造成人身伤害的事故，可以特别是未造成人身伤害的事故，可以通过通过3G3G网络网络提供的提供的视频技术视频技术来解决。来解决。3G3G视频技术视频技术可以利可以利用用高带宽高带宽的的无线接入无线接入在任
12、一地点在任一地点上传上传和和接受接受图像。交警图像。交警部门可以通过部门可以通过3G3G远程视频远程视频的方式来完成事故现场的的方式来完成事故现场的勘察勘察。可以可以快速处理快速处理交通事故，交通事故，及时解决及时解决事发路段的交通拥堵事发路段的交通拥堵状况，并状况，并节约节约交管部门交管部门成本成本。 3G3G技术在交通流诱导系统中的应用技术在交通流诱导系统中的应用传统的传统的车载导航车载导航系统只能提供系统只能提供单一单一的道路地图导航，的道路地图导航，无法做到无法做到实时更新实时更新前方路况信息，也就无法向出行者提前方路况信息，也就无法向出行者提供智能便捷的出行服务。供智能便捷的出行服务
13、。5.2.2 3G移动通信移动通信 3G3G技术在交通流诱导系统中的应用技术在交通流诱导系统中的应用随着随着3G3G网络技术的应用和普及，网络技术的应用和普及，车载导航系统车载导航系统将与将与3G3G网络技术网络技术进行完美结合，使其成为交通流诱导系统中的进行完美结合，使其成为交通流诱导系统中的接收接收/ /发送设备发送设备。目前，在。目前，在3G3G网络中广泛使用的网络中广泛使用的移动定位移动定位技术有三种：技术有三种：基于网络的基于网络的CELL-IDCELL-ID技术技术、OTDOAOTDOA技术技术、网网络与终端混合的络与终端混合的A-GPSA-GPS技术技术。移动定位移动定位可以实现
14、可以实现援助服务援助服务、基于位置的信息服务基于位置的信息服务、广告服务广告服务以及以及追踪服务追踪服务等多种业务。等多种业务。3G3G通信技术通信技术很好地解决了智能运输系统很好地解决了智能运输系统数据传输数据传输中存中存在的问题，给智能运输在的问题，给智能运输信息传输信息传输带来无限机遇，今后会有带来无限机遇，今后会有更广阔的应用空间。更广阔的应用空间。专用短程移动通信专用短程移动通信（Dedicated Short Range Dedicated Short Range CommunicationsCommunications，简称，简称DSRCDSRC）是一种）是一种无线通信无线通信系
15、统，是将系统，是将数字信号数字信号调制在调制在高频副载波高频副载波上，再以此搭载有信号的副载上，再以此搭载有信号的副载波调制到频率、幅值固定的波调制到频率、幅值固定的厘米波厘米波上，由上，由天馈线天馈线在路面通在路面通信站和运动车辆之间信站和运动车辆之间来回传播来回传播。车辆至地面站车辆至地面站的信号传送称为的信号传送称为“上行上行”，地面站至车辆地面站至车辆的信号传送称为的信号传送称为“下行下行”。全部信号的全部信号的编制编制、发射发射、接收接收、处理处理、存储存储和和转送转送均由均由双方的双方的微处理器微处理器按专用按专用软件软件控制，并操作控制，并操作硬件硬件执行。执行。专用短程移动通信
16、专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信DSRCDSRC是是ITSITS的基础，通过信息的的基础，通过信息的双向传输双向传输将将车辆车辆和和道路道路有机地连接起来，主要是用来有机地连接起来，主要是用来控制车辆控制车辆运动和运动和征收通行费征收通行费。控制车辆运动包括控制车辆运动包括对对运行车辆位置运行车辆位置和和方向方向的测定以及对的测定以及对车辆车辆纵向纵向和和横向运动速度横向运动速度的控制等。的控制等。电子收费电子收费需要在需要在车辆运动过程车辆运动过程中查明中查明车辆型别车辆型别、进出高进出高速公路的站号速公路的站号，并将计算出的，并将计算出的应缴通行费额应缴通行费额
17、通知给用户。通知给用户。完成这些工作都需要完成这些工作都需要路侧固定通信站路侧固定通信站与与运动车辆运动车辆多次交多次交流流数据数据，只有高可靠性的，只有高可靠性的移动通信移动通信才能满足这些要求。才能满足这些要求。专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信短距离信标短距离信标可以提供可以提供短程通信短程通信，并可在，并可在有限的频谱有限的频谱上以上以高速转发数据高速转发数据。几种常见的几种常见的短距离信标特性短距离信标特性如表所示。根据设计，信标如表所示。根据设计，信标可用于可用于单向单向周期性广播、周期性广播、双向双向广播和接收，或者广播和接收，或者双向双
18、向点对点对点通信。点通信。信标信标可以用于可以用于车辆定位和导航车辆定位和导航、电子收费电子收费、车辆自动识车辆自动识别别、商业车辆运营商业车辆运营、交通管理交通管理和和车车- -车的相互通信车的相互通信。专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信生产厂生产厂系统系统距离距离数据率数据率发送块大小发送块大小HughesHughes主动主动RFRF61m(200in.)61m(200in.)550KB/s550KB/s512bit512bitAmtechAmtech被动被动RFRF23-30m23-30m（750750100in100in. .）300300或或
19、600KB/s600KB/s128bit128bitSiemensSiemens红外红外60-80m60-80m（197197262in.262in.）125KB/s125KB/s256byte256byte（下行链路下行链路) )128byte128byte（上行链路）（上行链路）车车- -路旁的信标路旁的信标类型有三种：（类型有三种：（1 1）定位信标定位信标（2 2）信息信息信标信标（3 3）单独通信信标单独通信信标定位信标定位信标发送信号以确定其发送信号以确定其位置位置、地图坐标地图坐标、路段取向路段取向以及信标以及信标数目。数目。信息信标信息信标既发送既发送定位信号定位信号又通过电缆
20、又通过电缆中继中继当前当前路况路况和和交通信息交通信息。单独通信信标单独通信信标用来和用来和车辆车辆进行进行双向通信双向通信的。的。这些信标均可用来这些信标均可用来收集交通数据收集交通数据和和引导车辆引导车辆。信标通信信标通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信当一辆当一辆配置完备配置完备的车辆经过的车辆经过通信信标通信信标时，就可以通过时，就可以通过信信标标向向中心主机中心主机发送测得的发送测得的行程时间行程时间和经历信号灯的和经历信号灯的等待时等待时间间。同时，它可从信标。同时，它可从信标接收接收到返回的相关到返回的相关定位定位和和引导引
21、导信息，信息，如图所示。如图所示。信标通信信标通信 信标头 收发机 信标通信信标通信5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信DSRCDSRC协议协议是是DSRCDSRC的基础，的基础，美国美国、欧洲欧洲、日本日本均建立了自均建立了自己的己的DSRCDSRC标准标准，目前国际标准化组织尚未制定出完整的，目前国际标准化组织尚未制定出完整的DSRCDSRC国际标准。但资料表明，基于国际标准。但资料表明，基于5.8gHz5.8gHz的的DSRCDSRC国际统一国际统一标准标准将成为必然。将成为必然。DSRCDSRC标准标准可以分为三个层次：可以分为三个层次：物理层物理层、数据链路层数据链路层和和应
22、应用层用层。物理层（物理层（Physical LayerPhysical Layer）规定了规定了机械机械、电器电器、功能功能和和过程过程的的参数参数，以激活、保持，以激活、保持和释放通信系统之间的和释放通信系统之间的物理连接物理连接。其中。其中载波频率载波频率是一个很是一个很关键的参数，它是造成世界上关键的参数，它是造成世界上DSRCDSRC系统差别系统差别的主要原因。的主要原因。DSRCDSRC协议协议5.2.3 专用短程移动通信专用短程移动通信数据链路层（数据链路层（Data Link LayerData Link Layer）制定了制定了媒介访问媒介访问和和逻辑链路控制方法逻辑链路控制
23、方法，定义了进入，定义了进入共享共享物理媒介物理媒介、寻址寻址和和出错控制出错控制的的操作操作。应用层（应用层（Application LayerApplication Layer）提供了一些提供了一些DSRCDSRC应用应用的的基础性工具基础性工具。应用层应用层中的过程可以直接使用这些工具，例如：中的过程可以直接使用这些工具，例如：通信初通信初始化过程始化过程、数据传输数据传输和和擦去操作擦去操作等等。等等。另外，应用层还提供了支持另外，应用层还提供了支持同时多请求同时多请求的功能。的功能。DSRCDSRC协议协议5.2.4 无线射频识别无线射频识别 无线射频识别无线射频识别（Radio F
24、requency IdentificationRadio Frequency Identification，简，简称称RFIDRFID）是一种）是一种非接触式非接触式的的自动识别自动识别技术。技术。它通过它通过射频信号射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种须人工干预，可工作于各种恶劣环境恶劣环境。RFIDRFID技术技术可识别可识别高速运动高速运动物体并可同时识别物体并可同时识别多个标签多个标签，操作快捷方便。操作快捷方便。RFIDRFID系统是一种简单的系统是一种简单的无线系统无线系统，只有，只有两个基本器件两个基本器件，该系统可
25、用于该系统可用于控制控制、检测检测和和跟踪跟踪物体。物体。无线射频识别无线射频识别5.2.4 无线射频识别无线射频识别 RFIDRFID系统系统主要由主要由3 3个部分个部分组成：组成：标签（标签（TagTag）由由耦合元件耦合元件及及芯片芯片组成，每个组成，每个标签标签具有唯一的具有唯一的电子编码电子编码，附着在物体上标识目标对象。附着在物体上标识目标对象。阅读器（阅读器（ReaderReader）读取读取（有时还可以写入）标签信息的（有时还可以写入）标签信息的设备设备，当装有标签，当装有标签的物体通过阅读器时，及时读出标签的的物体通过阅读器时，及时读出标签的IDID信息信息，可设计为，可设
26、计为手持式手持式或或固定式固定式。天线（天线（ANTENNAANTENNA）在在标签标签和和阅读器阅读器间间传递射频信号传递射频信号。系统组成系统组成5.2.4 无线射频识别无线射频识别 标签标签进入进入磁场磁场后，接收后，接收阅读器阅读器发出的发出的射频信号射频信号，凭借，凭借感感应电流应电流所获得的能量发送出存储在所获得的能量发送出存储在标签芯片标签芯片中的中的产品信息产品信息（该标签称为（该标签称为Passive TagPassive Tag，即，即无源标签无源标签或或被动标签被动标签），或），或者标签者标签主动发送主动发送某一频率的信号（该标签称为某一频率的信号（该标签称为Active
27、 TagActive Tag，即即有源标签有源标签或或主动标签主动标签）。）。阅读器阅读器读取信息并读取信息并解码解码后，送后，送至至后台服务器后台服务器进行有关进行有关数据处理数据处理。一套完整的一套完整的RFIDRFID系统系统，由，由电子标签电子标签、阅读器阅读器、应用软件应用软件三部分组成。三部分组成。阅读器阅读器发射某一特定频率的发射某一特定频率的无线电波能量无线电波能量给给标签，用以驱动标签电路将内部的数据送出，此时阅读器标签，用以驱动标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收便依序接收解读解读数据，发送给数据，发送给应用程序应用程序做相应的处理。做相应的处理。基本工作原理基本
28、工作原理 RFID RFID基本工作原理基本工作原理5.2.4 无线射频识别无线射频识别 RFIDRFID技术技术在智能运输系统中的应用：在智能运输系统中的应用：不停车收费：不停车收费：RFIDRFID在在路费征稽路费征稽、高速公路高速公路或或各种停车场各种停车场收费中的应用体现为收费中的应用体现为不停车收费不停车收费。交通意外救援和特殊车辆监控：交通意外救援和特殊车辆监控：通常在通常在主干道主干道上、各上、各高高速公路出入口速公路出入口及及交叉路口交叉路口设立设立RFIDRFID信息采集点信息采集点。当车辆通。当车辆通过时，过时，阅读器阅读器得到通过车辆的得到通过车辆的IDID及及经过时间经
29、过时间，并形成，并形成记录记录。交通流检测及交通违章取证交通流检测及交通违章取证：采用：采用RFIDRFID的的交通流检测交通流检测系系统，统，精度高精度高、受环境影响小受环境影响小、识别车型识别车型、安装维护较方便安装维护较方便。通过在通过在关键路口关键路口设置设置阅读器阅读器，可实现对于车辆，可实现对于车辆闯红灯闯红灯或或禁禁令令的的违章取证违章取证。RFIDRFID应用应用5.2.4 无线射频识别无线射频识别 车联网应用车联网应用RFIDRFID识别识别技术可以读取装载在车辆上的技术可以读取装载在车辆上的电子标签电子标签，结合，结合数据通信技术数据通信技术、自动控制技术自动控制技术、计算
30、机网络技术计算机网络技术、信息发信息发布技术布技术等现代化科技手段，实现在信息网络平台上对所有等现代化科技手段，实现在信息网络平台上对所有车辆的车辆的属性信息属性信息和和静静、动态动态信息进行信息进行提取提取和有效利用，并和有效利用，并根据不同的根据不同的功能需求功能需求对所有车辆的对所有车辆的运行状态运行状态进行有效的进行有效的监监管管和提供和提供综合服务综合服务。RFIDRFID应用应用第第5 5章章 通信技术通信技术 概述概述5.1 交通数据信息源编码研究交通数据信息源编码研究5.3通信技术在智能运输系统中的应用通信技术在智能运输系统中的应用5.25.3.1 问题的提出问题的提出 技术体
31、系结构技术体系结构在在道路交通系统道路交通系统中，道路路况中，道路路况信息越多信息越多、越精确越精确、越越及时及时，就越能够，就越能够准确地预测准确地预测前方路段在未来时刻的前方路段在未来时刻的拥挤程拥挤程度度。因此，从这一方面考虑，我们希望把更多路段的交通。因此，从这一方面考虑，我们希望把更多路段的交通信息从信息从通信基站通信基站传送给传送给车辆车辆。但是，从另一方面考虑，。但是，从另一方面考虑，交交通数据通数据是路况信息中的是路况信息中的常规数据常规数据，需要连续不断地由基站，需要连续不断地由基站向外广播，而向外广播，而路况信息路况信息还要包括诸如还要包括诸如交通事故交通事故、紧急通知紧急
32、通知、各种时间表各种时间表以及以及各种广告等数据各种广告等数据。但。但无线信道无线信道的的容量容量是是有限的，所以希望用有限的，所以希望用更少位数更少位数尽量尽量精确地精确地传送交通数据。传送交通数据。为此，提出了为此，提出了交通流数据交通流数据的的信源编码信源编码问题。问题。进行进行数据通信数据通信需要考虑的问题：需要考虑的问题：采用何种采用何种通信方式通信方式；如何保证通信的如何保证通信的速度速度和和质量质量。通信系统的通信系统的主要指标主要指标是通信的是通信的有效性有效性和和可靠性可靠性。在在数字通信数字通信系统中系统中信源编码信源编码旨在解决旨在解决有效性有效性指标；而指标；而信道编码
33、信道编码，又称为差错控制编码，是用来提高通信的，又称为差错控制编码，是用来提高通信的可靠可靠性性指标。指标。数据通信系统数据通信系统的的框架框架如图。为了有效、安全地传输数如图。为了有效、安全地传输数据，引入据，引入信源编码信源编码（指数据编码）、（指数据编码）、信道编码信道编码（指误差纠（指误差纠错编码）。错编码）。5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础数据通信系统框架数据通信系统框架信源编码信源编码，解决的是数据传输的，解决的是数据传输的有效性有效性问题，即通过问题，即通过对对信源信源的处理，力求用的处理，力求用最少数码最少数码传递传递最大信息量最大信息量，使信号，使信号更更适宜
34、传输适宜传输。信源编码的一个。信源编码的一个主要目的主要目的就是要解决数据的就是要解决数据的压缩压缩问题，即以最少的数码表示信源所发的信号，减少容问题，即以最少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定消息集合或数据采样集合的纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间信号空间，其中信号空，其中信号空间是指某信号集合所占的间是指某信号集合所占的空间域空间域、时域时域和和频域空间频域空间。近代近代信源编码信源编码的理论与方法，主要也是以的理论与方法，主要也是以压缩数字编压缩数字编码的数码率码的数码率为目标。因此在今天，为目标。因此在今天，“数据压缩数据压缩”与与“信源信源编码编码”已是两个具有相同含义的术
35、语了。已是两个具有相同含义的术语了。 信源编码的理论依据信源编码的理论依据5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础对于一个对于一个信源信源而言，它既可以而言，它既可以送出送出事件事件a1a1，也可以送，也可以送出别的事件出别的事件aiai。因此从。因此从统计平均统计平均观点来看，它所含有的信观点来看，它所含有的信息量就是息量就是平均信息量平均信息量的概念。借用的概念。借用热力学热力学的名词，把它叫的名词，把它叫做做熵熵（EntropyEntropy）。因此，若）。因此，若信源的概率模型信源的概率模型写为：写为：其中，其中， 为信源的为信源
36、的字母集字母集。则该。则该信源熵信源熵可定义为：各事件可定义为：各事件不肯定性不肯定性的数学期望，即：的数学期望，即： 熵的意义熵的意义5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础对于一个对于一个信源信源而言，它既可以而言，它既可以送出送出事件事件a1a1，也可以送，也可以送出别的事件出别的事件aiai。因此从。因此从统计平均统计平均观点来看，它所含有的信观点来看，它所含有的信息量就是息量就是平均信息量平均信息量的概念。借用的概念。借用热力学热力学的名词，把它叫的名词，把它叫做做熵熵（EntropyEntropy）。因此，若）。因此，若信源的概率模型信源的概率模型写为：写为：其中，其中，
37、为信源的为信源的字母集字母集。则该。则该信源熵信源熵可定义为：各事件可定义为：各事件不肯定性不肯定性的数学期望，即：的数学期望，即： 熵的意义熵的意义5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础其中，其中， 可以证明可以证明 就是就是离散无记忆信源离散无记忆信源进行进行无失真编码无失真编码时的时的基本极限基本极限。根据根据编码定理编码定理，对于，对于二进制二进制系统，满足：系统，满足：的的编码方案编码方案一定存在。其中，一定存在。其中， 为为平均码长平均码长。当要求当要求无损传送无损传送数据时，对于一个数据时，对于一个固定信源固定信源在二进制在二进制系统中由系统中由变长编码定理变长编码定理
38、，满足，满足 熵的意义熵的意义5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础的的编码方案编码方案一定存在。其中，一定存在。其中， 为为概率已知的信源，概率已知的信源， 为为信源的熵信源的熵， 为编码后的为编码后的平均码长平均码长， 为信源中为信源中第第 个符号的个符号的码长码长， 为信源的为信源的总字符数总字符数。 熵的意义熵的意义熵熵有下式成立，有下式成立，式中，式中， 即为即为最大熵最大熵。 熵的最大性熵的最大性5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础信源信源只要只要不是等概率分布不是等概率分布，就存在着，就存在着数据压缩数据压缩的可能的可能性，而其性，而其基本途径基本途径就是就
39、是改变改变原有的概率分布，使之原有的概率分布，使之逼近逼近或或达到达到等概率分布等概率分布。离散无记忆离散无记忆信源的信源的冗余度冗余度寓于概率的寓于概率的非等分布非等分布之中。之中。因此因此数据压缩数据压缩的基本途径之一，就是的基本途径之一，就是改变改变信源的信源的概率分布概率分布，以期尽可能达到以期尽可能达到等概率分布等概率分布之目的，即之目的，即统计编码统计编码。 数据压缩基本途径数据压缩基本途径5.3.2 信源编码的理论基础信源编码的理论基础 编码效率编码效率很清楚，只要很清楚，只要 ，就表明，就表明信源编码信源编码后，仍有后，仍有冗度冗度存在。故还可得存在。故还可得相对冗余度相对冗余
40、度为：为：可见，可见，统计编码统计编码的实质问题就在于的实质问题就在于减低减低 ， 以使以使 趋近于趋近于1 1， 趋近趋近0 0。5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案城市车辆饱和度城市车辆饱和度数据是指城市中数据是指城市中同一时刻同一时刻所有路段的所有路段的车辆饱和度车辆饱和度。当。当时间时间变化时，形成了一个变化时，形成了一个时间序列时间序列，即车，即车辆饱和度数据流。这一时间序列可以认为是一个辆饱和度数据流。这一时间序列可以认为是一个随机随机过程。过程。更确切地说，是一个更确切地说，是一个马尔可夫马尔可夫随机过程，而随机过程，而交通量交通量在总体在总体上是符合
41、上是符合正态分布正态分布的。的。根据根据编码定理编码定理可知，可知，平均码长平均码长 有一个有一个下限下限（见（见5-45-4），），任何编码得到的任何编码得到的 如果如果小于小于 必然存在必然存在失真失真。即对。即对概概率已知率已知的信源，任何编码的平均码长的信源，任何编码的平均码长下限下限是是已知已知的，若要的，若要找到找到更小更小的的 ，就必须对，就必须对信源信源进行进行变换变换，使变换后的信源，使变换后的信源熵值比原始信源的熵值比原始信源的熵值更小熵值更小。5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案若要若要平均码长平均码长 接近接近信源信源的的熵熵 的的前提前提是
42、信源是信源 的的概率分布概率分布 已知已知。而使。而使 接近接近 的算法之一就是的算法之一就是霍夫曼霍夫曼算法，所得到的算法，所得到的编码编码就是就是最优变长编码最优变长编码。1 1）时变最优编码）时变最优编码霍夫曼编码霍夫曼编码设某设某信源概率空间信源概率空间为：为：首先，将首先，将消息符号消息符号按其按其出现概率出现概率大小排列，大小排列，X X 恰好是恰好是这种这种排列方式排列方式。然后分别把。然后分别把1 1和和0 0分配给最后分配给最后两个符号两个符号， 分配分配1 1， 分配分配0 0，再合并，再合并最后两项最后两项，即，即5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编
43、码方案霍夫曼编码霍夫曼编码如果出现不按概率大小如果出现不按概率大小顺序排列顺序排列，那么必须，那么必须重新排序重新排序，使使 。依此类推，依此类推，合并合并、建立建立新信源，最后可得各新信源，最后可得各消息符号消息符号的的码字码字。霍夫曼编码霍夫曼编码是是非续长码非续长码，消息符号出现，消息符号出现概率最小概率最小时，时，分配了分配了最长的码字最长的码字，概率最大概率最大时分配了时分配了最短的码字最短的码字，平均，平均码长最短。因此，码长最短。因此，编码效率最高编码效率最高。时变最优编码时变最优编码5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案霍夫曼编码霍夫曼编码霍夫曼霍夫曼
44、算法得到的算法得到的平均码长平均码长不一定等于信源的不一定等于信源的熵值熵值。例如：上列中，按公式（例如：上列中，按公式（5-45-4）平均码长平均码长就等于：就等于：根据公式（根据公式（5-25-2）信源的熵值信源的熵值 为为编码效率编码效率为：为：时变最优编码时变最优编码5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编码路段饱和度数据的最优编码对一天中对一天中所有时刻所有路段所有时刻所有路段的的车辆饱和度百分比车辆饱和度百分比值进值进行统计，就可以得到行统计，就可以得到饱和度饱和度百分比的百分比的概率分布概率分布：其中，其中， 对这样一个对这样一个信源
45、信源X X，使用，使用霍夫曼霍夫曼算法进行算法进行最优编码最优编码，可以得到，可以得到饱和度饱和度 的的码字节码字节 ，其中，其中 的范围为从的范围为从0 0到到100100。这样，。这样，基站基站就可以就可以把由把由百分比值百分比值构成的构成的饱和度数据流饱和度数据流变成编码后的变成编码后的二进制比二进制比特数据流特数据流，然后由，然后由电台电台发送出去。发送出去。时变最优编码时变最优编码5.3.3 车辆饱和度数据流的编码方案车辆饱和度数据流的编码方案路段饱和度数据的最优编码路段饱和度数据的最优编码对一天中对一天中所有时刻所有路段所有时刻所有路段的的车辆饱和度百分比车辆饱和度百分比值进值进行统计，就可以得到行统计，就可以得到饱和度饱和度百分比的百分比的概率分布概率分布：时变最优编码时变最优编码
