ETC系统应用于多义性路径识别的主要性能分析_图文

1、2008年07期(总第43期作者简介:刘钧伟(1956-,男,江苏常州人,高级工程师,从事公路管理工作。1概述上海市高速公路采用“一路一公司”的运营管理模式,而收费系统采用入口发放通行卡、出口读卡收费的封闭式联网收费方式,由联网结算清分中心根据入口和出口车道上传的收费数据统一完成通行费的拆分。随着路网规模的不断扩大和完善,多义性路径问题随之产生,对收费管理特别是通行费的拆分工作带来了很大的困难和挑战。在高速公路联网收费环境下,路径识别不仅涉及对每一通行车辆如何计算通行费的问题,还直接关系到各条高速公路的业主的实际利益。目前,路径确认的方法主要有模糊识别和精确识别两大类,前者主要包括最短路径法,

2、车辆分型统计法,协商一致法,多路径概率分析算法等,后者主要包括车牌识别法和标识站法。精确路径识别方法的优点是能够准确地判断车辆行驶的路径,从而可以实现按实际行驶里程收费和收费数据的准确拆分,避免了由于模糊路径识别造成的经济纠纷,最大限度地保证了各路段业主的经济利益。车牌识别法存在一定的判别差错概率,标识站法是目前惟一可行的精确路径识别方法。标识站法可分为停车式和不停车式两种。根据上海的实际情况,在高速公路上设置停车式标识站是不实际的。结合ETC 系统的建设,设置不停车式标识站是解决车辆多义性路径精确识别问题的惟一方法。不停车式标识站法进行路径识别的关键在于采用DSRC 协议完成RSU 和车载O

3、BU 之间的通信,从而获取路径标识信息。不停车式标识站RSU 和OBU 之间的无线通信必须适应高速公路车辆高速、自由流行驶的应用环境条件,以及多种因素的影响。如果标识站RSU 和OBU 之间无法正常完成通信程序,无法记录下车辆经过路段的标识信息,也就无法判断出车辆在高速公路网中的正确行驶路径,从而给正常收费和通行费拆分带来困难。根据高速公路的应用环境条件,在影响不停车式标识站RSU 和OBU 之间的无线通信质量的诸多因素中,信道传播衰减和阴影效应的影响程度比较严重,因此本文着重分析RSU 天线的安装配置与信道传播衰减以及阴影效应的关系,并根据分析结果提出对于ETC 系统中标识站的设计建议和依据

4、。2无线通信信道仿真模型为了分析RSU 天线的安装配置与信道传播衰减以及阴影效应的关系,建立一个基本符合高速公路ETC 系统运行环境的RSU 和OBU 之间的无线通信信道的仿真模型非常重要。在DSRC 系统中,除了视距通信(LOS 分量可以到达RSU 、OBU 外,经其他路径传播的信号也能到达接收端。由LOS 伴随多径信号衰减的2-径信道模型可以用包含2个射线成分的Rician 信道模型来描述。信道的传输函数可以用脉冲响应函数h(t表示。h(t=(t+exp(j (t(1其中(t=exp(j 2f t +j ,、f 、分别是LOS 的幅度、多普勒频率和相位。当f =0时,(t是常数,不随时间变

5、化,这相当于汽车运动方向与直射信号传播的方向成直角。式(1等号右面第一项表示LOS 成分,第二项表示多径信号幅度和相位分别为和。多径成分的幅度ETC 系统应用于多义性路径识别的主要性能分析刘钧伟(上海市公路管理处,上海200063摘要:文章以上海市高速公路网ETC 系统解决多义性路径的判别问题为应用背景,针对DSRC 协议的主要技术性能指标,分析研究RSU 设备安装配置条件及其对于RSU 和OBU 之间的无线通信的影响。提出了标识站设计建设需要考虑的若干因素和建议。关键词:高速公路;ETC ;多义性路径;标识站中图分类号:U491文献标识码:B技术论坛本栏目由山东省公路建设(集团有限公司研发中

6、心协办1662008年07期(总第43 期服从瑞利分布,并且有E 2=22,相位服从均一分布。假设在一个比特间隔时间内随机的增益和相位是一个常数将视距通信成分归一化,可得视距信号和反射干扰信号的功率比K=1E2(2为了得到DSRC 通信链路上的一个高效仿真,进行以下的简化:(1假设有最优的功率控制,并假设每个信号都以相等的平均功率到达接收机。(2假设使用ASK 调制,且忽略脉冲成形。(3除了LOS 分量没有衰落外,每一个多径分量都呈瑞利衰落。(4每个多径分量的延迟都限制为码元周期的整数倍。(5仅考虑最基本的2-径衰落。(6忽略多普勒频移带来的衰减。于是,标识站RSU 和OBU 之间的正常通信与

7、否的因素就主要取决于2-径衰落和阴影效应。3性能分析3.1衰减特性分析车辆经过标识站时,OBU 和RSU 通信的2-径模型如图1所示。图12-径模型这里,h t 为RSU 天线的高度;h r 为OBU 天线的高度;y r 为车辆OBU 与RSU 之间的横向距离(横跨车道方向,d 为OBU 与RSU 之间的纵向距离(沿车道方向。对全向天线,其信道传播衰减为:(3式中,P t 为RSU 天线的发射功率;P r 为OBU 天线的接收功率;k 为波数,k=2;r 1为直射波的长度;r 2为包括反射波在内的传播长度;是投射角(入射余角;(.是反射系数。这里,仅考虑了平坦地形的反射波,而没有考虑折射等的影

8、响。图2、图3、图4表示了不同情况下距离和衰减的关系。从图3可以看出,当OBU 的天线高度h r 、OBU 与RSU 的横向偏离距离y r 及发射频率f 确定时,RSU 的天线安装低些为宜,但在路网中设立标识站时,考虑到集卡车辆等仍需以自由流形式通过,RSU 天线还是应设在5.5m ,即常用的龙门架净空高度处。从图4可以看出,当RSU 的天线高度h t 、OBU 与RSU 的横向偏离距离y r 及发射频率f 确定时,对小汽车OBU 的天线安装应适当高些,而对大汽车OBU 的天线安装应适当低些。从图5中可以看出,当发射频率f 及RSU 和OBU 的安装高度(h t 、h r 确定时,在RSU 的

9、有效通信范围内,y r 的变化对衰减的影响不大,甚至可以忽略,即OBU 和RSU 天线发生横向偏离的距离对DSRC 的通信信道的衰减影响不大,安装有OBU 的车辆只要在车道内正常行驶即可。图2h t 变化对距离-衰减性能的影响图3h r 变化对距离-衰减性能的影响3.2阴影效应分析167图4y r变化对距离-衰减性能的影响对DSRC来讲,还需考虑由于其他车辆所引起的折射损耗。如图5所示的在RSU和OBU之间尾随的车辆就有可能出现这种状况。假设OBU天线安装在车辆挡风玻璃上,折射损耗取决于折射波障碍点至直射波的垂直距离h。图5障碍点引起的折射由折射所引起的损耗为:(4其中,h为折射波障碍点至直射

10、波的垂直距离。图6、图7给出了不同情况下阴影效应对衰减的影响,横坐标表示障碍点至OBU天线的距离d2,纵坐标表示折射衰减。从图6、图7中可以看出,h t越高时,其产生的衰减越低,h obs越高时,其产生的衰减越高。从图6还可以看出当障碍物(如卡车或公交车辆位于尾随车辆的15m前时,由于折射所引起的附加衰减可能会超过20dB。当车辆通过标识站时呈现自由流形式,各车辆之间能在安全距离范围内高速行车时,其折射衰减还是较小的,即车辆保持足够大的车距(d2有助于减小阴影效应带来的衰减。图6h t变化时阴影效应对衰减的影响图7h obs变化时阴影效应对衰减的影响4结论路径识别是高速公路联网收费中亟待解决的技术难题,标识站是解决路径识别的有效方法之一,本文通过计算机仿真,对采用标识站法时通信信道中主要的衰减因素进行了分析,结果表明当车辆以自由流形式行驶时,标识站RSU的天线安装在5.5m的高度,小汽车OBU的天线安装在1.2m高度即后视镜位置处,大汽车OBU的天线安装在1.4m高度即稍高于仪表盘位置处时,由2-径效应和阴影效应引起的