5.8GHz与915MHz电子收费系统的比较研究

射频（Radio Frequency，RF）技术被广泛应用于多种领域，如：电视、广播、移动电话、雷达、
自动识别系统等。射频识别（RFID）即指应用射频识别信号对目标物进行识别。射频识别的应用领域包括：道路电子收费系统（ETC），集装箱、货物识别，出入门禁管理，铁路机车车辆识别与跟踪，商用车队管理等。它常用5.8G 和915MHz 两种频率工作。本论文通过两种频率的比较，衡量他们对ETC系统的利弊。并结合我国现阶段ETC系统的现状加以分析。

关键词：射频 电子收费系统 专用短程通信

近一段时间以来，社会上又出现了关于采用5.8GHz 频段微波车辆自动识别技术（AVI）用于公路联网电子收费前景堪忧的传言，这在一定程度上阻碍了我国公路电子不停车收费技术的健康发展。国家智能交通系统工程技术研究中心、ISO/TC204 中国技术委员会根据中华人民共和国信息产业部和中华人民共和国交通部有关文件，早已确认我国公路联网电子收费车辆识别确定在5.8GHz 频段，同时电子不停车收费技术将作为政府和企业提高公路收费效率的重要手段。笔者在法国期间，曾经长时间研究射频系统，并在法国交通部、民航局等机构进行过实地的系统测试。作为上述确认的补充，本文将从技术层面以及标准化层面，对5.8GHzAVI 系统与915MHz AVI 系统作一比较。

一. ETC 系统概述

电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection, 简称ETC ）是国际上正在开发并且推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的一种收费系统。它通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短距离通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下自动完成收费全过程。其简约的工作过程大致如图1所示：

对于电子标签的安放也有一定的要求。一般电子标签放置于汽车后视镜的背面，视宽约从仰角35°到85°，离地面高度约在1.5m左右。

图2 为安装示意图。

二. 射频识别技术概述

射频（Radio Frequency，RF）技术被广泛应用于多种领域，如电视、广播、移动电话、雷达、自动识别系统等。射频识别（RFID）即指应用射频识别信号对目标物进行识别。射频识别的应用领域包括道路电子收费系统（ETC）、集装箱、货物识别、出入门禁管理、铁路机车车辆识别与跟踪以及商用车队管理等。

道路收费领域内的射频识别技术即自动车辆识别（AVI），主要指工作在微波5.8GHz 频段的短距离（8～30m）通信技术。国际上在自动车辆识别领域内曾经研究和使用过的频率主要有三种：9 1 5 M H z 、2.45GHz、5.8GHz。从已经建成的应用系统来看，915MHz 系统主要应用于北美地区，尤其是集装箱识别系统。并且，近8年以来，国际上（包括美国在内）几乎再没有新的915MHz 系统应用于道路收费系统。美国自身也在逐步地将应用于智能交通领域内的自动车辆识别的标准转向5 . 8 G H z ～5 . 9 G H z 系统。5.8GHz 专用短程通信（DSRC）系统主要应用于欧洲、亚洲及大洋洲地区；2.45GHz系统应用相对较少，没有形成主流。

目前，国际上道路电子收费系统频点确定在5.8GHz 附近已经是不争的事实，国际标准化组织（ISO）、欧洲标准化委员会（CEN）、日本、美国、中国等大多数标准化组织和国家都已将其标准确定在5.8GHz～5.9GHz 频段上。

图3 表示读卡器与射频识别卡之间的工作模式。

从技术上讲，5.8GHz系统相对于915MHz 系统而言，无疑有着无法比拟的优势。下面将从数据传输速率、通讯距离、安全性、抗干扰性、系统可扩展性等方面对两种系统做一对比。

2.1 数据传输速率

5.8GHz 系统数据传输速率是下行500Kbps（写入功能），上行250Kbps（读出功能）。这样的传输速率可以确保收费处理交易的正确完成，也可以在将来提供ITS 领域内的其他服务。而915MHz 系统的数据传输速率分别为0.3Kbps（写入功能）和6Kbps（读出功能）。也就是说，从单个标签上读8 Byte耗时12ms，向单个标签上写入1 Byte 耗时25ms。由于系统的写入能力非常有限，高错误率也相对比较高，最后仅使用其只读的功能。这一局限性给915MHz 系统在封闭式收费系统内的应用带来了巨大的障碍。

2.2 通讯距离

在ETC 系统中，收费站的读卡器与车载射频卡之间的通信距离以及通信时间都是非常重要的设计因素。在同等自然环境下，较长的通信距离和较快的通信握手时间当然是首选。

5.8GHz 系统DSRC 协议的基础技术保证其至少有10m 的双向通讯距离。反向散射原理使下行和上行的通讯互不干扰，从而使得标签可以在有限的功率范围内可靠地进行通讯。因此根据反向散射原理工作的系统读和写的距离相等。

915MHz 等低频点的技术则要求电子标签必须利用读写器下行通讯的能量进行上行通讯（见图4）。

这种方法虽然投入少，但需要比反向散射解决方案更大的发射功率。要达到有效读写距离，电子标签需要反射部分发射功率，并不断的重发数据。电子标签通讯所需的功率与其距离的平方成反比，也就是说在1m 的距离处一定的功率在10m处就减少了100 倍。对于低频点的技术10m 距离的可靠通讯所需的功率高达100W。但是发射功率越大，与使用邻近频点的设备就越有可能出现干扰的情况。

2.3 安全性

ETC 系统的安全性很为大家关注，这常常是决定一个系统成败的关键标准。对于射频ETC 系统，常常会出现伪造电子标签的事情发生。一个运营商是不会用一套丝毫没有安全保证的系统的。因此，选择一个安全系数高的系统解决方案至关重要。

对于9 1 5 M H z 系统的标签来讲，由于载波频率比较低，同时其数据传输速率又比较低，故标签与读写天线之间的微波通信很容易被窃听。由于915MHz 的标签不支持任何有效的安全机制，如信息加密以及产生报文认证MAC 码，很可能会出现伪造电子标签的情况，并且对标签进行仿造是很容易做到的。事实上，对于系统运营商来讲是几乎不可能发现这种情况的。而基于DSRC 的5.8GHz 系统，在用户界面上提供了一套较完备的信息安全管理机制，包括了基于DES 及Triple-DES 算法的RSR 对O B U 的访问许可管理及O B U 对RSE 的合法性认证的管理。这些安全性能包括电子标签及智能IC 卡，它们有一系列国际标准作保障，使它们都能符合世界范围内各国银行所要求的安全性能水平。电子标签的防拆卸功能对于基于车辆类型进行收费的系统非常重要。配备拆卸检测功能，能够防止在系统不知情的情况下，将标签从一辆车上拆下安装到另外一辆车上。大多数基于DSRC 的5.8GHz 系统的电子标签都具备非常成熟的防拆卸手段，用以避免由于故意更换标签而造成的通信费款流失。而915MHz 系统的标签则不具备类似的功能。

2.4 抗干扰性

系统的抗干扰性是非常重要的一个质量因素，尤其是当该系统很庞大并且邻近的频点也在使用中的情况。抗干扰性能对读取数据的准确率、写入的准确率以及通信距离有极大的影响。目前在900MHz 频段工作的无线电设备包括G S M 无线电移动通信设备、RFID 设备以及用于工业、科研、医疗用途的一些设备（国际称为I S M 频段）。在此频段中的890MHz ～915MHz 用于GSM 系统的上行传输，即手提电话在此频段自基站发送信息，基站在此频段接收；935MHz～960MHz 用于基站向手机发送信息。

笔者在巴黎A4 高速公路进行过实地测试，选用法国阿尔卡特公司的系列产品的通信频率在902MHz～928MHz，结果表明电子标签会积极响应其他大功率的微波发射源，并和手机之间产生相互干扰阻塞、中断或干扰标签与读写器之间的通讯，这种干扰对读取的准确性，特别是写入的准确程度和距离带来极大的影响。在有人使用手机的情况下，信号误传率达到33.7%。属于不被接受范围之内。

同时，在ISM 频段中为增加读取距离而加大发射功率也会为同一频段或相邻频段工作的无线通讯设备带来干扰。由于干扰问题出现读取数据的较高的错误率促使全世界的运营公司都在考虑将2.45GHz 以下频点工作的系统更换为5.8GHz的系统。

而对于2.45GHz 以上频点工作的系统，他们的频率远远高于ISM 范围，所以相对于915MHz 的系统来说，受外界的干扰就小很多。笔者在法国交通部所得资料显示其频率范围与I S M 相比较结果如下（见图5）。


2.5 系统可扩展性

系统可扩展性意味着基于DSRC 的E T C 系统是完全开放的，它可以兼容从简单的只读电子标签一直到支持多种应用的更为先进的电子标签。这使得现有的电子收费系统可以轻易地扩展到其他的ITS服务领域，从而为业主运营商带来多种收入。

5.8GHz 的DSRC 系统可以同时兼容不同应用的电子标签而无须对已安装的基础设施（路侧天线）做任何更改。运营商可以在实施项目的初期使用只读系统，随后，根据其自身的情况来选择向系统中加入更高级的电子标签，如两片式电子标签（带有IC 卡的电子标签），而不需要更换其读写天线。可以很容易地以同样的方式向后续扩展的系统提供更高的安全级别。而915MHz 系统由于其双向通信能力的低下，极大地限制了未来系统应用的扩展。

三. 5.8G ETC在我国的实际情况

到2003年底，我国实施电子收费工作取得了一定进展，部分项目已进入试运行阶段，但还远谈不上规模经营。主要项目概况如下（见表１）。

除表1所述项目外，还有一些零星的ETC 项目在试验或论证之中，如山西太旧路、西安机场路等。对于国内电子不停车收费系统的建设和运营管理，目前存在的最大问题是缺乏规模，这将扼杀电子不停车收费的优势和发展前途。总的来讲，我国的ETC 项目进展并不顺利，有些大项目碰到了很复杂的协调问题，有些项目正式运行后因多种原因无法扩大规模，用户群较小。与半自动收费方式相比，电子收费系统的运行市场化特色更浓一些，要求运营公司有很高的商业运作能力。另外由于实施ETC 收费可能导致部分收费员下岗，再加上并未明显体会到的E T C 经济效益，大多数公路公司实施ETC 收费的热情还不够。在现阶段，各方面的精力主要集中在人工半自动的区域联网收费工作上。

四 结束语

由上述比较可以看出，5.8GHz系统相对于915MHz 系统而言，有着无法比拟的优势。

首先，从技术上讲，5.8GHz 系统通信距离长，通信速率高，该频段背景噪声小，干扰与抗干扰问题容易解决，系统具有高安全性，易于在大规模、开放性的系统中实施。其次，5.8GHz频段的设备供应商相对较多，这有利于我国ETC 系统的设备引进，有利于降低系统成本，也有利于将来开展智能交通领域内的其他服务。最后，从标准化角度来讲，5.8GHz 系统更符合我国相关标准化组织及技术主管部门的技术取向，同时也与国际上主流的ITS 标准化体系保持一致。

毋庸置疑，我国公路联网电子收费车辆识别确定在5.8GHz 频段已成定局。但是值得提出的是，国际上现有的E T C 技术方案及运营模式并不适合我国区域经济发展不平衡条件下的联网收费新形势的要求。另外，我国现有的高速公路收费模式以及网络管理办法也限制了ETC 的发展。以苏南高速公路网为例，长江三角洲区域内部的经济活动频繁，使得苏南地区与上海及杭州之间的交通联系非常紧密，而苏南高速公路网恰好位于该经济圈内。苏南高速区域联网收费的实施使得必须在联网收费的路网边界上设置主线收费站，如沪宁高速公路的花桥主线站（连接苏南及上海）、江阴大桥收费站（连接苏南及苏北高速公路网）以及苏嘉杭高速公路的王江泾收费站（连接苏南及浙江）。虽然上述3个收费站无一例外的采用了2个路网合建主线收费站，相互代为发放通行卡的方式，从一定程度上避免了2 次停车交费的弊病，但是在收费站两侧只有一个路网实施电子收费的情况下，ETC 用户又不得不面对以不停车方式缴纳前一路网通行费之后，又不得不停下车来领取下一路网通行卡的尴尬局面。所以，笔者认为要在我国成功地推动5.8G ETC 收费应用，需要在方案上予以突破。