電子收費之5.8GHz系統(tǒng)與915MHz系統(tǒng)的比較

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：張北海   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月04日

近一段時間以來，社會上出現(xiàn)了關(guān)于采用5.8GHz頻段微波車輛自動識別技術(shù)（AVI）用于公路聯(lián)網(wǎng)電子收費前景堪憂的傳言，這在一定程度上阻礙了我國公路電子不停車收費技術(shù)的健康發(fā)展。為此，國家智能交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、ISO/TC204中國技術(shù)委員會根據(jù)中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部和中華人民共和國交通部有關(guān)文件，確認我國公路聯(lián)網(wǎng)電子收費車輛識別確定在5.8GHz頻段已成定局，同時電子不停車收費技術(shù)將作為政府和企業(yè)提高公路收費效率的重要手段。

作為上述確認的補充，本文將從技術(shù)層面以及標(biāo)準(zhǔn)化層面，對5.8GHz AVI系統(tǒng)與915MHz AVI系統(tǒng)作一比較。

0 電子收費射頻識別技術(shù)概述
射頻（Radio Frequency，RF）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：電視、廣播、移動電話、雷達、自動識別系統(tǒng)等。射頻識別（RFID）即指應(yīng)用射頻識別信號對目標(biāo)物進行識別。射頻識別的應(yīng)用領(lǐng)域包括：道路電子收費系統(tǒng)（ETC），集裝箱、貨物識別，出入門禁管理，鐵路機車車輛識別與跟蹤，商用車隊管理等。

道路收費領(lǐng)域內(nèi)的射頻識別技術(shù)-自動車輛識別（AVI），主要指工作在微波5.8GHz頻段的短距離（8米～30米）通信技術(shù)。國際上在自動車輛識別領(lǐng)域內(nèi)曾經(jīng)研究和使用過的頻率主要有三種：915MHz、2.45GHz、5.8GHz。從已經(jīng)建成的應(yīng)用系統(tǒng)來看，915MHz系統(tǒng)主要應(yīng)用與北美地區(qū)，尤其是集裝箱識別系統(tǒng)。并且，近八年以來，國際上（包括美國在內(nèi)）幾乎再沒有新的915MHz系統(tǒng)應(yīng)用于道路收費系統(tǒng)。美國自身也在逐步地將應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域內(nèi)的自動車輛識別的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向5.8GHz～5.9GHz系統(tǒng)。5.8GHz專用短程通信（DSRC）系統(tǒng)主要應(yīng)用于歐洲、亞洲及大洋洲地區(qū)。2.45GHz系統(tǒng)應(yīng)用相對較少，沒有形成主流。

目前，國際上道路電子收費系統(tǒng)頻點確定在5.8GHz附近已經(jīng)是不爭的事實，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CEN）、日本、美國、中國等大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織和國家都已將其標(biāo)準(zhǔn)確定在5.8GHz～5.9GHz頻段上。

從技術(shù)上講，5.8GHz系統(tǒng)相對于915MHz系統(tǒng)而言，無疑有著無法比擬的優(yōu)勢。下面將從數(shù)據(jù)傳輸速率、通訊距離、安全性、抗干擾性、系統(tǒng)可擴展性等方面對兩種系統(tǒng)做一對比。

1 數(shù)據(jù)傳輸速率
5.8GHz系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率是下行500Kbps（寫入功能），上行250Kbps（讀出功能）。這樣的傳輸速率可以確保收費處理交易的正確完成，也可以在將來提供ITS領(lǐng)域內(nèi)的其他服務(wù)。

而915MHz系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為0.3Kbps（寫入功能）和 6Kbps（讀出功能）。也就是說，從單個標(biāo)簽上讀8 Byte耗時12ms，向單個標(biāo)簽上寫入1 Byte耗時25ms。由于系統(tǒng)的寫入能力非常有限（通常會遇到過高錯誤率等問題），最后僅使用其只讀的功能。這給915MHz系統(tǒng)在封閉式收費系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用帶來了巨大的障礙。

2 通訊距離
電子標(biāo)簽和讀寫器的通訊距離是ETC系統(tǒng)設(shè)計的重要因素。為了保障系統(tǒng)的能夠交換更多的數(shù)據(jù)（如封閉式收費系統(tǒng)應(yīng)用），保障較高的通行速度及較低的交易錯誤率，較長的通訊距離是必須的。

5.8GHz系統(tǒng)DSRC協(xié)議的基礎(chǔ)技術(shù)保證其至少有10米的雙向通訊距離。反向散射原理使下行和上行的通訊互不干擾，從而使得標(biāo)簽可以在有限的功率范圍內(nèi)可靠地進行通訊。因此根據(jù)反向散射原理工作的系統(tǒng)讀和寫的距離相等。

915MHz等低頻點的技術(shù)則要求電子標(biāo)簽必須利用讀寫器下行通訊的能量進行上行通訊。這種方法雖然投入少，但需要比反向散射解決方案更大的發(fā)射功率。要達到有效讀寫距離，電子標(biāo)簽需要反射部分發(fā)射功率，并不斷的重發(fā)數(shù)據(jù)。與電子標(biāo)簽通訊所需的功率與其距離的平方成反比，也就是說在一米的距離處一定的功率在10米處就減少了100倍。對于低頻點的技術(shù)10米距離的可靠通訊所需的功率高達100瓦。但是發(fā)射功率越大，與使用鄰近頻點的設(shè)備就越有可能出現(xiàn)干擾的情況。

3 系統(tǒng)安全性
ETC系統(tǒng)的成敗常常取決于公眾對系統(tǒng)性能的認可程度。偽造電子標(biāo)簽的出現(xiàn)會導(dǎo)致用戶對整個系統(tǒng)的不信任，甚至?xí)乐氐經(jīng)]有人愿意再使用這套系統(tǒng)。因此選擇可靠、安全的解決方案至關(guān)重要。

當(dāng)然安全性能需要附加的存儲空間以及運算處理的能力，這會相應(yīng)地增加成本。但這種成本的增加是值得的，也是相當(dāng)必要的。

對于915M系統(tǒng)的標(biāo)簽來講，由于載波頻率比較低，同時其數(shù)據(jù)傳輸速率又比較低，故標(biāo)簽與讀寫天線之間的微波通信很容易被竊聽。

由于915M的標(biāo)簽不支持任何有效的安全機制，如信息加密以及產(chǎn)生報文認證MAC碼，很可能會出現(xiàn)偽造電子標(biāo)簽的情況，并且對標(biāo)簽進行仿造是很容易做到的。事實上，對于系統(tǒng)運營商來講是幾乎不可能發(fā)現(xiàn)這種情況的。

而基于DSRC的5.8GHz系統(tǒng)，在用戶界面上提供了一套較完備的信息安全管理機制，包括了基于DES及Triple-DES算法的RSR對OBU 的訪問許可管理及OBU對RSE的合法性認證的管理。這些安全性能，包括電子標(biāo)簽及智能IC卡，有一系列國際標(biāo)準(zhǔn)做保障，使它們都能符合世界范圍內(nèi)各國銀行所要求的安全性能水平。

電子標(biāo)簽的防拆卸功能對于基于車輛類型進行收費的系統(tǒng)非常重要的。配備拆卸檢測功能，能夠防止在系統(tǒng)不知情的情況下，將標(biāo)簽從一輛車上拆下安裝到另外一輛車上。大多數(shù)基于DSRC的5.8GHz系統(tǒng)的電子標(biāo)簽都具備非常成熟的防拆卸手段用以避免由于故意更換標(biāo)簽而造成的通信費款流失。而915M系統(tǒng)的標(biāo)簽則不具備類似的功能。

4 抗干擾性
系統(tǒng)的抗干擾性是非常重要的一個質(zhì)量因素，尤其是當(dāng)該系統(tǒng)很龐大并且鄰近的頻點也在使用中的情況。抗干擾性能對讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率、寫入的準(zhǔn)確率以及通信距離有極大的影響。

目前在900MHZ頻段工作的無線電設(shè)備包括GSM無線電移動通信設(shè)備、RFID設(shè)備以及用于工業(yè)、科研、醫(yī)療用途的一些設(shè)備（國際稱為ISM頻段）。在此頻段中的890MHZ-915MHZ用于GSM系統(tǒng)的上行傳輸，即手提電話在此頻段自基站發(fā)送信息，基站在此頻段接收；935-960MHZ用于基站向手機發(fā)送信息。

美國AMTECH公司的IT500系列產(chǎn)品的通信頻率在902MHz-928MHz，其電子標(biāo)簽會積極響應(yīng)其他大功率的微波發(fā)射源，故其和手機之間產(chǎn)生的相互干擾有可能阻塞、中斷或干擾標(biāo)簽與讀寫器之間的通訊，這種干擾對讀取的準(zhǔn)確性，特別是寫入的準(zhǔn)確程度和距離帶來極大的影響。

同時，在ISM頻段中為增加讀取距離而加大發(fā)射功率也會為同一頻段或相鄰頻段工作的無線通訊設(shè)備（手機）帶來干擾。

由于干擾問題出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)的錯誤率促使全世界的運營公司都在考慮將2.45GHz 以下頻點工作的系統(tǒng)更換為5.8GHz的系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)可擴展性
系統(tǒng)可擴展性意味著基于DSRC的ETC系統(tǒng)是完全開放的，它可以兼容從簡單的只讀電子標(biāo)簽一直到支持多種應(yīng)用的更為先進的電子標(biāo)簽。這使得現(xiàn)有的電子收費系統(tǒng)可以輕易地擴展到其他的ITS服務(wù)領(lǐng)域，從而為業(yè)主運營商帶來多種收入。

5.8GHz的DSRC系統(tǒng)可以同時兼容不同應(yīng)用的電子標(biāo)簽而無須對已安裝的基礎(chǔ)設(shè)施（路側(cè)天線）做任何更改。運營商可以在實施項目的初期使用只讀系統(tǒng)，隨后，根據(jù)其自身的情況來選擇向系統(tǒng)中加入更高級的電子標(biāo)簽，如兩片式電子標(biāo)簽（帶有IC卡的電子標(biāo)簽），而不需要更換其讀寫天線。可以很容易地以同樣的方式向后續(xù)擴展的系統(tǒng)提供更高的安全級別。

而915MHz系統(tǒng)由于其雙向通信能力的低下，極大地限制了未來系統(tǒng)應(yīng)用的擴展。

6 標(biāo)準(zhǔn)化
從目前的情況來看，對于915 MHz系統(tǒng)來講，還沒有一個通用的國際規(guī)范或國際標(biāo)準(zhǔn)。盡管其接口和通信協(xié)議開放了一些，但目前市場上的系統(tǒng)仍然屬于專有系統(tǒng)。

對于ETC應(yīng)用來講，基于專用短程通信的系統(tǒng)已由ISO TC204 / CEN TC278進行了充分地標(biāo)準(zhǔn)化。5.8GHz的DSRC由完全開放的、且無需任何許可協(xié)議的三組成：

DSRC 物理層 （EN 12253）
DSRC 數(shù)據(jù)鏈路層 （EN 12795）
DSRC 應(yīng)用層 （EN 12834 / ISO 15628）
5.8GHz的DSRC標(biāo)準(zhǔn)自1997年以來就已經(jīng)穩(wěn)定。大多數(shù)歐盟的成員國以及瑞士、智利、巴西、澳大利亞等國都支持DSRC標(biāo)準(zhǔn)。服從DSRC標(biāo)準(zhǔn)、用于收費服務(wù)系統(tǒng)已從1997年運營至今，它們應(yīng)用于不同的國家，并由不同的供應(yīng)商供貨。

在我國，國家智能交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、ISO/TC204中國技術(shù)委員會負責(zé)交通專用短程通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前，基于5.8GHz的交通專用短程通信國家標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在進行當(dāng)中，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三項國標(biāo)已經(jīng)于2002年底完成征求意見工作，標(biāo)準(zhǔn)審批將于2003年上半年開始。

7 結(jié)論
由上述比較可以看出，5.8GHz系統(tǒng)相對于915MHz系統(tǒng)而言，有著無法比擬的優(yōu)勢。

首先，從技術(shù)上講，5.8GHz系統(tǒng)通信距離長，通信速率高，該頻段背景噪聲小，干擾與抗干擾問題容易解決，系統(tǒng)具有相當(dāng)高的安全性，易于在大規(guī)模、開放性的系統(tǒng)中實施。

其次，5.8GHz頻段的設(shè)備供應(yīng)商相對較多，這有利于我國ETC系統(tǒng)的設(shè)備引進，有利于降低系統(tǒng)成本，也有利于講來開展智能交通領(lǐng)域內(nèi)的其他服務(wù)。

最后，從標(biāo)準(zhǔn)化角度來講，5.8GHz系統(tǒng)更符合我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織及技術(shù)主管部門的技術(shù)取向，同時也與國際上主流的ITS標(biāo)準(zhǔn)化體系保持一致。

勿容置疑，我國公路聯(lián)網(wǎng)電子收費車輛識別確定在5.8GHz頻段已成定局。