電子收費之5.8GHz系統(tǒng)與915MHz系統(tǒng)的比較

文章出處：http://www.fang1.net 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)了關于采用5.8GHz頻段微波車輛自動識別技術（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的健康發(fā)展。為此，國家智能交通系統(tǒng)工程技術研究中心、ISO/TC204中國技術委員會根據(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，本文將從技術層面以及標準化層面，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概述
射頻（Radio Frequency，RF）技術被廣泛應用于多種領域，如：電視、廣播、移動電話、雷達、自動識別系統(tǒng)等。射頻識別（RFID）即指應用射頻識別信號對目標物進行識別。射頻識別的應用領域包括：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。

道路收費領域內(nèi)的射頻識別技術-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。國際上在自動車輛識別領域內(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)建成的應用系統(tǒng)來看，915MHz系統(tǒng)主要應用與北美地區(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)應用于道路收費系統(tǒng)。美國自身也在逐步地將應用于智能交通領域內(nèi)的自動車輛識別的標準轉向5.8GHz～5.9GHz系統(tǒng)。5.8GHz專用短程通信（DSRC）系統(tǒng)主要應用于歐洲、亞洲及大洋洲地區(qū)。2.45GHz系統(tǒng)應用相對較少，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，國際標準化組織（ISO）、歐洲標準化委員會（CEN）、日本、美國、中國等大多數(shù)標準化組織和國家都已將其標準確定在5.8GHz～5.9GHz頻段上。

從技術上講，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領域內(nèi)的其他服務。

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，從單個標簽上讀8 Byte耗時12ms，向單個標簽上寫入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)的應用帶來了巨大的障礙。

2 通訊距離
電子標簽和讀寫器的通訊距離是ETC系統(tǒng)設計的重要因素。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)議的基礎技術保證其至少有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等低頻點的技術則要求電子標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。偽造電子標簽的出現(xiàn)會導致用戶對整個系統(tǒng)的不信任，甚至會嚴重到?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重要。

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

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

由于915M的標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)偽造電子標簽的情況，并且對標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，包括電子標簽及智能IC卡，有一系列國際標準做保障，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簽而造成的通信費款流失。而915M系統(tǒng)的標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量因素，尤其是當該系統(tǒng)很龐大并且鄰近的頻點也在使用中的情況?？垢蓴_性能對讀取數(shù)據(jù)的準確率、寫入的準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備包括GSM無線電移動通信設備、RFID設備以及用于工業(yè)、科研、醫(yī)療用途的一些設備（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，其電子標簽會積極響應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、中斷或干擾標簽與讀寫器之間的通訊，這種干擾對讀取的準確性，特別是寫入的準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簽一直到支持多種應用的更為先進的電子標簽。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服務領域，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用的電子標簽而無須對已安裝的基礎設施（路側天線）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簽，如兩片式電子標簽（帶有IC卡的電子標簽），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)應用的擴展。

6 標準化
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)范或國際標準。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進行了充分地標準化。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 應用層 （EN 12834 / ISO 15628）
5.8GHz的DSRC標準自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標準。服從DSRC標準、用于收費服務系統(tǒng)已從1997年運營至今，它們應用于不同的國家，并由不同的供應商供貨。

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

7 結論
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頻段的設備供應商相對較多，這有利于我國ETC系統(tǒng)的設備引進，有利于降低系統(tǒng)成本，也有利于講來開展智能交通領域內(nèi)的其他服務。

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

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。