ETC系統(tǒng)應(yīng)用于多義性路徑識(shí)別的主要性能分析_圖文

1、2008年07期(總第43期作者簡介:劉鈞偉(1956-,男,江蘇常州人,高級工程師,從事公路管理工作。1概述上海市高速公路采用“一路一公司”的運(yùn)營管理模式,而收費(fèi)系統(tǒng)采用入口發(fā)放通行卡、出口讀卡收費(fèi)的封閉式聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方式,由聯(lián)網(wǎng)結(jié)算清分中心根據(jù)入口和出口車道上傳的收費(fèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)一完成通行費(fèi)的拆分。隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和完善,多義性路徑問題隨之產(chǎn)生,對收費(fèi)管理特別是通行費(fèi)的拆分工作帶來了很大的困難和挑戰(zhàn)。在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)環(huán)境下,路徑識(shí)別不僅涉及對每一通行車輛如何計(jì)算通行費(fèi)的問題,還直接關(guān)系到各條高速公路的業(yè)主的實(shí)際利益。目前,路徑確認(rèn)的方法主要有模糊識(shí)別和精確識(shí)別兩大類,前者主要包括最短路徑法,

2、車輛分型統(tǒng)計(jì)法,協(xié)商一致法,多路徑概率分析算法等,后者主要包括車牌識(shí)別法和標(biāo)識(shí)站法。精確路徑識(shí)別方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地判斷車輛行駛的路徑,從而可以實(shí)現(xiàn)按實(shí)際行駛里程收費(fèi)和收費(fèi)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拆分,避免了由于模糊路徑識(shí)別造成的經(jīng)濟(jì)糾紛,最大限度地保證了各路段業(yè)主的經(jīng)濟(jì)利益。車牌識(shí)別法存在一定的判別差錯(cuò)概率,標(biāo)識(shí)站法是目前惟一可行的精確路徑識(shí)別方法。標(biāo)識(shí)站法可分為停車式和不停車式兩種。根據(jù)上海的實(shí)際情況,在高速公路上設(shè)置停車式標(biāo)識(shí)站是不實(shí)際的。結(jié)合ETC 系統(tǒng)的建設(shè),設(shè)置不停車式標(biāo)識(shí)站是解決車輛多義性路徑精確識(shí)別問題的惟一方法。不停車式標(biāo)識(shí)站法進(jìn)行路徑識(shí)別的關(guān)鍵在于采用DSRC 協(xié)議完成RSU 和車載O

3、BU 之間的通信,從而獲取路徑標(biāo)識(shí)信息。不停車式標(biāo)識(shí)站RSU 和OBU 之間的無線通信必須適應(yīng)高速公路車輛高速、自由流行駛的應(yīng)用環(huán)境條件,以及多種因素的影響。如果標(biāo)識(shí)站RSU 和OBU 之間無法正常完成通信程序,無法記錄下車輛經(jīng)過路段的標(biāo)識(shí)信息,也就無法判斷出車輛在高速公路網(wǎng)中的正確行駛路徑,從而給正常收費(fèi)和通行費(fèi)拆分帶來困難。根據(jù)高速公路的應(yīng)用環(huán)境條件,在影響不停車式標(biāo)識(shí)站RSU 和OBU 之間的無線通信質(zhì)量的諸多因素中,信道傳播衰減和陰影效應(yīng)的影響程度比較嚴(yán)重,因此本文著重分析RSU 天線的安裝配置與信道傳播衰減以及陰影效應(yīng)的關(guān)系,并根據(jù)分析結(jié)果提出對于ETC 系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)站的設(shè)計(jì)建議和依據(jù)

4、。2無線通信信道仿真模型為了分析RSU 天線的安裝配置與信道傳播衰減以及陰影效應(yīng)的關(guān)系,建立一個(gè)基本符合高速公路ETC 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的RSU 和OBU 之間的無線通信信道的仿真模型非常重要。在DSRC 系統(tǒng)中,除了視距通信(LOS 分量可以到達(dá)RSU 、OBU 外,經(jīng)其他路徑傳播的信號(hào)也能到達(dá)接收端。由LOS 伴隨多徑信號(hào)衰減的2-徑信道模型可以用包含2個(gè)射線成分的Rician 信道模型來描述。信道的傳輸函數(shù)可以用脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t表示。h(t=(t+exp(j (t(1其中(t=exp(j 2f t +j ,、f 、分別是LOS 的幅度、多普勒頻率和相位。當(dāng)f =0時(shí),(t是常數(shù),不隨時(shí)間變

5、化,這相當(dāng)于汽車運(yùn)動(dòng)方向與直射信號(hào)傳播的方向成直角。式(1等號(hào)右面第一項(xiàng)表示LOS 成分,第二項(xiàng)表示多徑信號(hào)幅度和相位分別為和。多徑成分的幅度ETC 系統(tǒng)應(yīng)用于多義性路徑識(shí)別的主要性能分析劉鈞偉(上海市公路管理處,上海200063摘要:文章以上海市高速公路網(wǎng)ETC 系統(tǒng)解決多義性路徑的判別問題為應(yīng)用背景,針對DSRC 協(xié)議的主要技術(shù)性能指標(biāo),分析研究RSU 設(shè)備安裝配置條件及其對于RSU 和OBU 之間的無線通信的影響。提出了標(biāo)識(shí)站設(shè)計(jì)建設(shè)需要考慮的若干因素和建議。關(guān)鍵詞:高速公路;ETC ;多義性路徑;標(biāo)識(shí)站中圖分類號(hào):U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B技術(shù)論壇本欄目由山東省公路建設(shè)(集團(tuán)有限公司研發(fā)中

6、心協(xié)辦1662008年07期(總第43 期服從瑞利分布,并且有E 2=22,相位服從均一分布。假設(shè)在一個(gè)比特間隔時(shí)間內(nèi)隨機(jī)的增益和相位是一個(gè)常數(shù)將視距通信成分歸一化,可得視距信號(hào)和反射干擾信號(hào)的功率比K=1E2(2為了得到DSRC 通信鏈路上的一個(gè)高效仿真,進(jìn)行以下的簡化:(1假設(shè)有最優(yōu)的功率控制,并假設(shè)每個(gè)信號(hào)都以相等的平均功率到達(dá)接收機(jī)。(2假設(shè)使用ASK 調(diào)制,且忽略脈沖成形。(3除了LOS 分量沒有衰落外,每一個(gè)多徑分量都呈瑞利衰落。(4每個(gè)多徑分量的延遲都限制為碼元周期的整數(shù)倍。(5僅考慮最基本的2-徑衰落。(6忽略多普勒頻移帶來的衰減。于是,標(biāo)識(shí)站RSU 和OBU 之間的正常通信與

7、否的因素就主要取決于2-徑衰落和陰影效應(yīng)。3性能分析3.1衰減特性分析車輛經(jīng)過標(biāo)識(shí)站時(shí),OBU 和RSU 通信的2-徑模型如圖1所示。圖12-徑模型這里,h t 為RSU 天線的高度;h r 為OBU 天線的高度;y r 為車輛OBU 與RSU 之間的橫向距離(橫跨車道方向,d 為OBU 與RSU 之間的縱向距離(沿車道方向。對全向天線,其信道傳播衰減為:(3式中,P t 為RSU 天線的發(fā)射功率;P r 為OBU 天線的接收功率;k 為波數(shù),k=2;r 1為直射波的長度;r 2為包括反射波在內(nèi)的傳播長度;是投射角(入射余角;(.是反射系數(shù)。這里,僅考慮了平坦地形的反射波,而沒有考慮折射等的影

8、響。圖2、圖3、圖4表示了不同情況下距離和衰減的關(guān)系。從圖3可以看出,當(dāng)OBU 的天線高度h r 、OBU 與RSU 的橫向偏離距離y r 及發(fā)射頻率f 確定時(shí),RSU 的天線安裝低些為宜,但在路網(wǎng)中設(shè)立標(biāo)識(shí)站時(shí),考慮到集卡車輛等仍需以自由流形式通過,RSU 天線還是應(yīng)設(shè)在5.5m ,即常用的龍門架凈空高度處。從圖4可以看出,當(dāng)RSU 的天線高度h t 、OBU 與RSU 的橫向偏離距離y r 及發(fā)射頻率f 確定時(shí),對小汽車OBU 的天線安裝應(yīng)適當(dāng)高些,而對大汽車OBU 的天線安裝應(yīng)適當(dāng)?shù)托?。從圖5中可以看出,當(dāng)發(fā)射頻率f 及RSU 和OBU 的安裝高度(h t 、h r 確定時(shí),在RSU 的

9、有效通信范圍內(nèi),y r 的變化對衰減的影響不大,甚至可以忽略,即OBU 和RSU 天線發(fā)生橫向偏離的距離對DSRC 的通信信道的衰減影響不大,安裝有OBU 的車輛只要在車道內(nèi)正常行駛即可。圖2h t 變化對距離-衰減性能的影響圖3h r 變化對距離-衰減性能的影響3.2陰影效應(yīng)分析167圖4y r變化對距離-衰減性能的影響對DSRC來講,還需考慮由于其他車輛所引起的折射損耗。如圖5所示的在RSU和OBU之間尾隨的車輛就有可能出現(xiàn)這種狀況。假設(shè)OBU天線安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上,折射損耗取決于折射波障礙點(diǎn)至直射波的垂直距離h。圖5障礙點(diǎn)引起的折射由折射所引起的損耗為:(4其中,h為折射波障礙點(diǎn)至直射

10、波的垂直距離。圖6、圖7給出了不同情況下陰影效應(yīng)對衰減的影響,橫坐標(biāo)表示障礙點(diǎn)至OBU天線的距離d2,縱坐標(biāo)表示折射衰減。從圖6、圖7中可以看出,h t越高時(shí),其產(chǎn)生的衰減越低,h obs越高時(shí),其產(chǎn)生的衰減越高。從圖6還可以看出當(dāng)障礙物(如卡車或公交車輛位于尾隨車輛的15m前時(shí),由于折射所引起的附加衰減可能會(huì)超過20dB。當(dāng)車輛通過標(biāo)識(shí)站時(shí)呈現(xiàn)自由流形式,各車輛之間能在安全距離范圍內(nèi)高速行車時(shí),其折射衰減還是較小的,即車輛保持足夠大的車距(d2有助于減小陰影效應(yīng)帶來的衰減。圖6h t變化時(shí)陰影效應(yīng)對衰減的影響圖7h obs變化時(shí)陰影效應(yīng)對衰減的影響4結(jié)論路徑識(shí)別是高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)中亟待解決的技術(shù)難題,標(biāo)識(shí)站是解決路徑識(shí)別的有效方法之一,本文通過計(jì)算機(jī)仿真,對采用標(biāo)識(shí)站法時(shí)通信信道中主要的衰減因素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明當(dāng)車輛以自由流形式行駛時(shí),標(biāo)識(shí)站RSU的天線安裝在5.5m的高度,小汽車OBU的天線安裝在1.2m高度即后視鏡位置處,大汽車OBU的天線安裝在1.4m高度即稍高于儀表盤位置處時(shí),由2-徑效應(yīng)和陰影效應(yīng)引起的