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专用短程通信技术

专用短程通信技术是一种新型的技术,专门用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费ETC技术。

DSRC(Dedicated Short Range Communication)专用短程通信是ITS智能运输系统领域中专门用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费EFC(Electronic Fee Collection)的技术,也就是长距离RFID射频识别(又称电子标签E-tag)。

国际上DSRC专用短程通信技术曾出现3个主要的工作频段:800-900MHz、2.4GHz和5.8GHz频段,我们国家采用的是源于ISO/TC204国际标准化组织智能运输系统技术委员会(国内编号为SAC/TC268)的5.795-5.815GHz ISM频段,下行链路(D-link)500Kbp,2-AM;上行链路(U-link)250Kbp,2-PSK的技术标准。

ISO/TC204/CEN TC 278 DSRC技术标准主要涉及到"交通专用短程通信DSRC和信息交换、电子收费与支付系统EFC等"2的物理层(L1)、链路层(L2)和应用层(L7)协议。

DSRC标准主要涉及两类设备:路边设备RSU和车载设备OBU(On-Board Unit)。正是通过路边设备RSU与车载设备OBU之间的通信建立,使得机动车辆(装有OBU)在中速(50-60公里/小时)情况下通行在下部置有RSU天线的门架时实现车辆与路边设备RSU的数据交换,应用于ETC就是自动收费(记录,只读功能)/管理/信息交换传输/结算系统。

国际上已形成以CEN/TC278,美国ASTM/IEEE,日本ISO/TC204为核心的DSRC标准化体系。其中CEN/TC278和日本ISO/TC204已公开发表其DSRC标准。美国则仍对ASTM/IEEE提出的DSRC标准草案持异议。ISO究竟会以哪一标准为基础,还得假以时日。

1994 年,CEN/TC278第9工作组开始了DSRC标准的起草工作,于95年2月完成ENV12253“5.8GHz DSRC 物理层” 和ENV12795“DSRC数据链路层”草案的编制工作、该草案于1997年7月最终获各成员国通过。ENN12834“DSRC应用层” 标准也于1997年9月获投票通过。CEN/TC278 DSRC标准的主要特点是:5.8 GHz被动式微波通信,中等通信速率(500Kbps 上行,250 Kbps下行),调制方式为ASK和BPSK。另外,欧洲的Bosch、CGE和Combitech还联合制定了“Global Specification for DSRC”和“Global Tolling System”厂商统一标准,为不同ETC收费系统的通用性做好了硬件技术准备。

1992年,ASTM对北美地区的不同ETC技术进行评价,休斯公司提出的DSRC标准被ASTM以ASTM V6草案提交各部门讨论,其主要内容是:915MHz,TDMA通信协议和主动应答器。然而不幸的是该方案遭到了Amtech,TI,MFS等公司的反对,他们建议采用CEN标准作为允许使用915 MHz系统的补充。因为CEN/TC 278是欧洲国家多年努力的结果,已进行相当广泛的试验。关于频率资源问题,1997年5月19日,ITS America 向联邦通信委员会(FCC)提出将5.850~5.925GHz频带分配给智能运输服务领域并保留915MHz用于近期ETC系统的申请。1998年6月11日,在美国联邦通信委员会的公开会上,5位委员一致投票建议将5.850~5.925GHz(75MHz)频段分配给运输服务领域的短程通信。

日本制定DSRC标准,是从本国实际情况出发。建设省和道路公团于1994年11月邀请国内10家公司和集团联合进行了ETC收费系统的野外试验,历时5个月,并同时进行了全国范围内的电磁场测试,为DSRC频率的选定提供了依据,于1996年8月出版了“共同研究报告”。1997年1月,日本TC204委员会完成了DSRC标准制定工作,已提交给邮政省和建设省待批。虽没有审批结果,但日本ISO/TC204第15工作组负责人Sam Oyama称该标准不可能有大的修改,并且该标准已提交ISO,希能成为国际标准。

ISO/TC204关于DSRC标准之争集中在是采用欧洲、美国、日本中的哪一种标准还是允许多种标准存在。根据ISO与CEN签订的维也纳协议,CEN和ISO工作组进行相同项目研究时,其研究成果互相交换。在1997年10月ITS柏林世界大会上,欧盟代表Carl Herbert Rokitansk博士提议CEN/TC278标准作为ISO标准时,遭到美日代表的反对。有关人士预测,若欧美仍争执不下,ISO标准将在物理层(L1)允许多种频率的存在甚至不规定频率,而采用世界统一的应用层(L7)协议。

1996年8月在国家技术监督局和交通部主管部门的指导支持下,国家计委决定立项开展“公路交通工程设施综合标准化研究”,于1997年12月正式签定研究合同。内容是完成公路交通工程设施综合标准化研究报告和标准化体系表,并在相应的试验基础上编制国家首批急需的20~25项标准,其中ETC收费系统DSRC是其中一项,整个项目研究和首批标准编制工作计划于1999年10月之前完成。

针对公路管理部门对ETC系统的需求,交通部科技司从大局出发,于1998年1月下达了“网络环境下ETC收费系统研究与推广应用”的联合攻关项目,旨在全面系统地研究ETC收费系统的技术构成、接口规范、电磁兼容性、网络结算等技术细节,以保障全国各大区域内的系统兼容性,从而确保公路管理公司以及最终用户等的利益,促使ETC收费系统市场健康、快速地发展。此课题的承担单位为交通部公路所和西安公路所,北京市公路局、江苏省交通厅、广东省交通厅、四川省交通厅为参加单位,并在以上四省市开展ETC系统示范工程建设。此课题的开展无疑对ETC系统的应用具有重要指导意义。在此课题的研究基础上,中国交通工程设施(公路)标委会和中国ISO/TC204技术委员会将完成ETC收费系统DSRC标准化。

鉴于国际DSRC标准发展趋势和国内ETC系统应用现状,1998年5月,交通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5.8Ghz频段分配给智能运输系统技术领域的短程通信(包括ETC收费系统)。

项目值 频率用户

智能运输系统技术领域的短程通信

频段:5.795-5.815 Ghz

调制方式:ASK, BPSK

输出功率:300 mW

传播距离:10 m

确定ETC系统的工作频段,是所有ETC收费系统制造商和用户所密切关心的问题。我国ETC系统兼容性正处于“十字路口”,合理选择系统工作频段,需从技术性能和产品可供应面来考虑,以维护国家利益。在确定工作频段基础上,还需制定相关技术规范并形成国家标准。

在采用DSRC技术的系统中,车子上装备有OBU,相当于移动终端。并且OBU有比较强的数据处理能力,可以满足DSRC的特定需要。在路边部署了被称为路边单元的RSU,与OBU相比除了具有基本通信功能外还拥有一定的管理功能并且接入后备网络。

车载DSRC系统包括车-路(V2R)通信和车-车(V2V)通信两种形式:车-路通信是车辆与路边基础设施的通信,属于移动节点与固定节点的通信,采用基于一跳的Ad Hoc网络模型;车-车通信是车辆间通信,采用基于多跳的Ad Hoc网络模型。两种通信方式被应用于不同领域。

除了已经比较成熟的ETC系统外,基于车-路通信的DSRC应用还可以用在电子地图的下载和交通调度等。路边的RSU接入后备网络与当地的交通信息网或因特网相连,通过OBU与RSU的通信来获得电子地图和路况信息等,从而可以选择最优路线,能够缓解交通拥堵等。

车-车通信方式主要用于车辆的主动安全方面。据世卫组织统计全球每年有120多万人死于交通事故,每年交通事故造成的经济损失高达5180亿美元。将DSRC技术应用于交通安全领域,能够提高交通的安全系数,作用是减少交通事故,降低直接和非直接的经济损失,以及减少地面交通网络的拥塞。

一种情形是当前面车辆检测到障碍物或车祸等情况时,它将向后发送碰撞警告信息,提醒后面的车辆潜在的危险;另一情形为,在路边紧急停车的车辆向靠近自己的车发送警告消息,提醒它们不要进入危险区域。车-车通信的应用还包括转弯速度控制、车队管理和安全超车等。

未来的智能交通通信系统将会是一个统一的信息交互平台,除了提供交通和安全信息实时交互以外,还包括内容丰富的定制信息服务,如获取娱乐和资讯信息,实现因特网接入等。

能提供高速的数据传输,并且能保证通信的低延时和低干扰,保证系统的可靠性,是蜂窝网络的一种补充。并且很重要的是,DSRC网络是由汽车厂商主导的,因此应将网络设备尽可能的部署在车辆上。WiMAX的无线中继技术为在高频段实现宽带无线接入提供了一种具有高性价比的解决方案,能提供更好的通信质量,同时还能实现对无线资源的二级调度,在改善网络覆盖质量的同时,提升系统容量,提高资源利用率。可以采用移动中继技术实现DSRC与WiMAX的结合。

同济大学在DSRC方面的研究起步较早,在国内最早提出了采用移动中继技术融合DSRC,如图3所示,通过移动中继站接入当前服务小区的接入点,并由此接入基础设施网络。携带中继站的车辆能为车内用户提供高速、可靠的公网连接,提供大容量的通信并保证通信质量。

车内用户无须直接连接基站,只要通过车载移动中继站就可以进行高速的上传、下载。而车辆间通信是局域联网,是通过DSRC自组织的方式实现,为车间通信提供了高可靠性的连接和数据传输,实现安全性应用,而未装备移动中继的车辆可以通过DSRC网络实现资源共享。

DSRC已被美国交通部确认为V2V标准,经过10年研发与测试已经定型。

LTE-V技术被认为是实现车联网的重要基石,受到智能交通ITS领域人士看重。

为应对车辆主动安全、行车效率、车载娱乐多场景业务需求,LTE-V采用“广域蜂窝式(LTE-V-Cell)+短程直通式通信(LTE-V-Direct)”,前者基于现有蜂窝技术的扩展,主要承载传统的车联网业务;后者引入LTE D2D(Device-to-Device),LTE-D具备能寻找500公尺内数以千计设备以及服务的能力,因此能让两个以上最接近的LTE-D设备在网内通信,能为LTE V2X提供良好的基础,实现V2V、V2I直接通信,承载车辆主动安全业务,主要满足终端安全低时延、高可靠的要求。

由于5.9GHz的DSRC在中国会有潜在干扰的问题,中国需要一个不同的 V2X解决方案,CCSA已经在中国针对LTE V2X推出了工作项目(Work Item)。LTE V2X的最大好处在于能重复使用现有的蜂窝基础建设与频谱,运营商不需要布建专用的路侧设备(road side unit,RSU)以及提供专用频谱。

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