《ETC系统及DSRC协议的分析与实现毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ETC系统及DSRC协议的分析与实现毕业论文.doc（63页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、摘要摘要随着高速公路的建设和车流量不断地增长，原有人工收费站的通行能力已经难以满足车辆快速通行的要求，而采用电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)可以有效地解决这一问题，本文在对ETC系统的分析基础上，重点研究DSRC通信协议的设计与实现。ETC系统包括两部分：路侧单元(Road-Side Units，简称RSU)和车载单元(On board Unit，简称OBU)。RSU通过专用短程通信协议(Dedicated Short Range Communication，简称DSRC)与OBU实现通信和数据交互，完成交易过程。DSRC协议是专用于智能交
2、通领域的一种短距离无线通信协议，协议分为三层：物理层、数据链路层、应用层。国内的DSRC协议是基于5.8GHz频段的。它是车载单元(OBU)与路侧单元(RSU)进行单向或双向交互式通信的标准，将车辆和道路有机地连接起来。从而，交通控制中心可以通过与行驶车辆的数据通信实现对车辆的智能管理，同时车辆还能够接入交通信息网，使用信息网中的资源。本文首先分析了ETC系统，对ETC体系结构进行简单介绍，然后详细地研究和探讨了DSRC协议的原理、设计思想和体系结构，进而对其数据链路层中的媒介访问控制子层(MAC)和逻辑链路控制子层(LLC)进行详细分析与实现。在此基础上，通过外场测试其通信过程，验证协议的一
3、致性、可靠性和稳定性。最后指出了关于DSRC协议的缺点和不足。关键词：ETC系统；专用短程通信(DSRC)；路侧单元(RSU)和车载单元(OBU)；媒介访问控制子层(MAC)；逻辑链路控制子层(LLC)AbstractAbstractWith the constant increasing of highway construction and traffic, the existing manual traffic capacity of the toll station could not meet the requirements of the speedy passage of veh
4、icles. Using Electronic Toll Collection(ETC) can effectively solve this problem. In this paper, we focus on the design and implement of DSRC protocal data link layer based on the analysis of ETC system.The ETC system includes two parts: one of them is road side unit(RSU), and the other is on board e
5、quipment(OBU). The RSU communicate with the OBU using DSRC protocal(the dedicated short range communication) completing bargain process The DSRC protocal is a kind of short range wireless communication protocols, which is applied exclusively in the intelligence transportation field. It defines three
6、 layers: physical layer,data linker layer,and application Iayer. The inland DSRC protocal is based on the frequency of 5.8GHz. It is a standard of interactive communication in the single or double directions between on board equipment(OBU) and road side unit(RSU). And with the help of this protocol,
7、 the roadside and vehicle unit are connected perfectly together. Thereby the transportation control center can manage the vehicle with the communication data of the driving vehicle. At the same time. the vehicle can connect into the transportation information network and use the information resource
8、s in the network. Firstly, this thesis introduce the ETC system, and introduce simply architecture of ETC system. Then we focus on the theory, designing idea and architecture of DSRC protocal, and then analyse and realize the Media Access Control layer(MAC) and logical link control layer(LLC), which
9、 constitute DSRC data link layer. On these basises, through field testing of its communicationprocess, we can veilfy the consistency dependability and stability of the protocal.Finally, we indicate the weakness and shortage of our design and implement for DSRC protocal.Key words: ETC system; DSRC; R
10、SU; OBU; MAC; LLC5第一章 绪论毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子
11、版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 第一章 绪论1.1 研究背景当前高速公路收费系统大部分还是采用传统的人工收费，当汽车流通量大幅度增加时，传统的人工收费方式效率低下、通行缓慢，从而造成交通拥挤、阻塞现象日益严重，随之而来的交通污染与交通事故也越来越多。长期广泛的研究和经验教训表明：单纯依靠修建更多的道路，加大路网规模来解决日益增长的交通需求是不明智的。现代社会电子计算机和通信技术的迅速发展，促使我国逐步引进电子不停车收
12、费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)，利用现代化高新技术来改造现有道路运输系统及其管理体系，以达到大幅度提高路网通行能力和道路使用效率的目的1。1.2 国内外状况及发展1.2.1 国外ETC和DSRC状况及发展在国际上，美国、日本、欧洲各国等很早就针对电子不停车收费系统中的关键技术、工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关电子不停车收费标准的草案，其中欧洲提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持，但在ETC技术和DSRC协议方面都经历了很长的过程。1、欧洲DSRC标准化进展1994年，CEN/TC278第9工作组开始了对DSRC标准
13、的起草工作，并于1995年2月完成ENV12253(5.8GHz DSRC物理层)和ENV12795(5.8GHz DSRC数据链路层)草案的编制工作，该草案于1997年7月最终获各成员国通过。ENN12834(5.8GHz DSRC应用层)标准也于1997年9月获投票通过。CEN/TC278 DSRC标准的主要特点是：5.8 GHz被动式微波通信，中等通信速率（500Kbps上行，250Kbps下行），调制方式为ASK和BPSK。另外，欧洲的Bosch、CGE和Combitech还联合制定了Global Specification for DSRC和Global Tolling System
14、厂商统一标准，为不同ETC系统的通用性做好了硬件技术准备。2、美国DSRC标准化进展1992年，ASTM对北美地区的不同ETC技术进行评价，休斯公司提出的DSRC标准被ASTM以ASTM V6草案提交各部门讨论，其主要内容是：915MHz，TDMA通信协议和主动应答器。然而不幸的是该方案遭到了Amtech，TI，MFS等公司的反对，他们建议采用CEN标准作为允许使用915 MHz系统的补充。因为CEN/TC 278是欧洲国家多年努力的结果，已进行相当广泛的试验。关于频率资源问题，1997年5月19日，ITS America向联邦通信委员会（FCC）提出将5.8505.925GHz频带分配给智能
15、运输服务领域并保留915MHz用于近期ETC系统的申请。1998年6月11日，在美国联邦通信委员会的公开会上，5位委员一致投票建议将5.8505.925GHz（75MHz）频段分配给运输服务领域的短程通信。3、日本DSRC标准化进展日本制定DSRC标准，是从本国实际情况出发。建设省和道路公团于1994年11月邀请国内10家公司和集团联合进行了ETC系统的野外试验，历时5个月，并同时进行了全国范围内的电磁场测试，为DSRC频率的选定提供了依据，于1996年8月出版了“共同研究报告”。1997年1月，日本TC204委员会完成了DSRC标准制定工作，已提交给邮政省和建设省待批。到目前为止虽没有审批结
16、果，但日本ISO/TC204第15工作组负责人Sam Oyama称该标准不可能有大的修改，并且该标准已提交ISO，希能成为国际标准。4、ISO/TC204 DSRC标准化进展ISO/TC204关于DSRC标准之争集中在是采用欧洲、美国、日本中的哪一种标准还是允许多种标准存在。根据ISO与CEN签订的维也纳协议，CEN和ISO工作组进行相同项目研究时，其研究成果互相交换。在1997年10月ITS柏林世界大会上，欧盟代表Carl Herbert Rokitansk博士提议CEN/TC278标准作为ISO标准时，遭到美日代表的反对。有关人士预测，若欧美仍争执不下，ISO标准将在物理层（L1）允许多种
17、频率的存在甚至不规定频率，而采用世界统一的应用层（L7）协议。1.2.2 国内ETC和DSRC状况及发展国内ETC标准化工作进展相对缓慢，导致各省市交通部门和道路运营部门在此问题上持观望态度，担心标准不统一产生重复建设问题，因此ETC收费在我国还未成规模展开，目前除广东外，只有少数省市在高速公路或大桥上进行了有限的实践。1996年8月在国家技术监督局和交通部主管部门的指导支持下，国家计划委员会决定立项开展“公路交通工程设施综合标准化研究”，于1997年12月正式签定研究合同。内容是完成公路交通工程设施综合标准化研究报告和标准化体系表，并在相应的试验基础上编制国家首批急需的2025项标准，其中E
18、TC系统DSRC是其中一项，整个项目研究和首批标准编制工作计划于1999年10月之前完成。针对目前公路管理部门对ETC系统的需求，交通部科技司从大局出发，于1998年1月下达了“网络环境下ETC系统研究与推广应用”的联合攻关项目，旨在全面系统地研究ETC系统的技术构成、接口规范、电磁兼容性、网络结算等技术细节，以保障全国各大区域内的系统兼容性，从而确保公路管理公司以及最终用户等的利益，促使ETC系统市场健康、快速地发展。此课题的承担单位为交通部公路所和西安公路所，北京市公路局、江苏省交通厅、广东省交通厅、四川省交通厅为参与单位，并在以上四省市开展ETC系统示范工程建设。此课题的开展无疑对ETC
19、系统的应用具有重要指导意义。1998年5月，交通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5.8GHz频段分配给智能运输系统技术领域的短程通信（包括ETC系统）。具体技术指标为：表1.1 国内5.8GHz频段技术指标表频率用户智能运输系统技术领域的短程通信频段5.795 - 5.815GHz调制方式ASK, BPSK输出功率300mW传播距离不少于10m确定ETC系统的工作频段，是所有ETC系统制造商和用户所密切关心的问题。我国ETC系统兼容性正处于“十字路口”，合理选择系统工作频段，需从技术性能和产品可供应面来考虑，以维护国家利益。在确定工作频段基础上，还需制定相关技术规范并形成国家标准。在
20、此课题研究的基础上，中国交通工程设施（公路）标委会和中国ISO/TC204技术委员会将完成ETC系统DSRC标准化1。1.3 本文主要工作本文作者在论文期间所做的主要工作是研究ETC车道系统的结构和功能、我国DSRC标准、实现DSRC通信协议等。主要工作内容如下：(1) 分析了ETC系统的结构，对其重要组成部分ETC车道系统进行了详尽的研究，介绍了ETC车道系统的功能和结构、相关技术和DSRC通信协议等，并明确了ETC系统的重要意义。(2) 熟悉并研究交通部颁发的ETC系统接口规范、相关技术指标以及具体DSRC通信协议规程等。(3) 对ETC系统中我国标准所规定的DSRC协议物理层、数据链路层
21、以及应用层进行了深入研究与分析。(4) 完成DSRC协议数据链路层的设计、实现和封装。1.4 论文组织结构本文共分为六章，包括绪论、ETC车道系统、DSRC协议理论的研究、我国现行DSRC设备串行通信协议、DSRC协议在数据链路层上的实现、总结与展望。各章的内容安排如下：第一章 绪论，阐述了本课题的研究背景，国内外研究状况，研究目的和意义，介绍了本文的主要工作及组织结构。第二章 ETC车道系统，分析了ETC系统的结构，在此基础上详细研究了ETC车道系统功能、总体结构、相关技术和DSRC通信协议等。第三章 DSRC协议理论的研究，对DSRC协议标准的发展与现状进行介绍，DSRC协议层次的划分及各
22、层参数与要求、服务模型的介绍以及DSRC协议数据单元格式说明。第四章 我国现行DSRC设备串行通信协议，着重对现行的DSRC串口通信协议的通信方式、PC机指令数据结构、RSU信息帧数据结构进行分析和研究。第五章 DSRC协议在数据链路层上的实现，基于以上几章的研究，特别是上一章对DSRC协议具体格式的介绍，给出DSRC协议在数据链路层上的封装与实现部分的关键代码以及相应解释。第六章 总结与展望，对全文的研究工作进行总结，并对未来研究工作做出展望。17第二章 ETC系统和DSRC协议第二章 ETC系统和DSRC协议ETC(Electronic Toll Collection)，即电子不停车收费。
23、ETC系统是采用专用短程无线通信(Dedicated Short Range Communication，简称DSRC)技术来完成整个收费过程，保证车辆在整个收费过程中保持行驶状态而不用停车。为此它需要在收费站附近安装路侧单元(Road-Side Units，简称RSU)，在行驶车辆上安装存储有该车辆信息的车载单元(On board Unit，简称OBU)，通过DSRC通信协议完成RSU与OBU之间的通信，传递的基本数据单元为协议数据单元(Protocol Data Unit，简称PDU)。ETC系统的关键部分是在收费站附近部署的车道系统，它是整个ETC系统的终端系统和数据来源。本章将介绍ET
24、C系统概况，并在此基础上讨论ETC车道系统的功能和结构、相关技术和DSRC通信协议等。2.1 ETC系统的整体构成和特点ETC系统能全自动地完成车辆与收费站之间所有信息传递、车辆收费、登记及建档的过程。ETC系统是利用收费车道上车辆自动识别系统中的无线电收发器(即路侧单元RSU)与车载电子标签(即车载单元OBU)，通过无线微波通信技术(即DSRC)实现车辆身份快速自动识别，进而在RSU和OBU之间进行数据交换，获取通过车辆的类型和车主等相关信息，并传送给计算机系统，由计算机系统指挥车辆通行，其通行费可以通过联网收费中心网络计算并直接从车载IC卡中扣除，从而实现不停车全自动收费，迅速高效地控制车
25、辆在车道上的通行。2.1.1 ETC系统的整体构成一个完整的ETC系统，必须由联网收费中心、ETC收费站系统、ETC收费车道系统和电子标签销售充值点(POS)组成2，ETC总体结构如图2.1所示。图2.1 ETC系统总体架构各个组成部分的具体功能如下：联网收费中心负责费率表制定、通行费计算、IC卡(包括记账卡、储值卡等)和电子标签的发行、管理以及非现金支付系统的账务清算工作。ETC收费站系统负责对ETC车道整体情况进行实时监控和稽查，对ETC数据进行检索、统计汇总和报表打印；将ETC数据上传到联网收费中心、路段中心；提供各种ETC技术参数的查询等。ETC车道系统分为MTC(人工收费车道)和ET
26、C车道系统，ETC车道系统是ETC系统的基本工作单元，ETC收费车道系统具有独立工作能力，是其重要的组成部分。ETC车道系统负责完成与车载电子标签OBU的数据交换，费用扣除，统一控制车道外围设备，使合法用户不停车通过。电子标签销售充值点(POS)负责完成电子标签的发行、用户信息初始化、充值、挂失等业务，并提供完备的客户服务。2.1.2 ETC系统的基本特点ETC系统省去了车辆在收费站的停车、现金收费环节，从而彻底消除了车辆停车等待交费的时间，杜绝了由于收费本身造成的交通堵塞现象。整个收费过程无人工直接介入，只需对设备进行管理、监督以及故障排除等。与传统的人工收费方式相比，ETC收费具有以下优点
27、：1、减少交通拥堵，提高道路通行能力采用电子收费技术将大大提高收费路口的通行能力，减缓收费站的瓶颈效应。调查数据表明，使用专用车道的高速ETC系统，其通行能力为采用人工收费车道通行能力的5-6倍。2、提高收费工作效率，促进道路收费规范化发展ETC系统采用电子货币支付方式，避免了收费工作人员与驾驶员的直接接触过程，极大地提高了道路收费的工作效率，并且有利于道路收费的规范化。3、交通数据采集功能当车辆通过收费口时，电子收费系统在电子支付的过程中自动进行车辆信息及车辆出行信息的数据采集，这些数据将一方面为公安部门提供车辆监控信息，另一方面也可以方便交通系统的管理与稽查。4、车辆管理及防盗 根据设置在
28、城市或地区各出入通道的检查站、收费站和出入口的ETC系统，可以对车辆进行有效监控，加强了对车辆的管理。公安部门通过ETC系统还能够及时获取被盗车辆信息，加速盗车案件的侦破过程。5、减少交通污染，保护环境车辆对环境造成的污染主要是车辆在加速和减速的过程中所排放的尾气，而在传统的收费方式下，车辆必须在收费口处经过减速、停车和加速来完成通行费支付的过程。应用电子收费系统，车辆无需速度的变化，以固定车速通过收费口就可以实现通行费的支付，从而减少交通污染，有效地保护大气环境4。2.2 ETC车道系统和DSRC协议的地位在国内现存的组合式车道收费系统中，ETC车道系统分为MTC(人工收费车道)和ETC车道
29、系统，ETC车道系统是ETC系统的基本工作单元。ETC收费车道系统具有独立工作能力，是整个ETC系统的重要组成部分。ETC车道系统负责完成与车载电子标签OBU的数据交换，费用扣除，统一控制车道外围设备，使合法用户不停车通过。在这个数据交换和收费的过程中DSRC协议发挥着不可替代的重要作用，可以说没有DSRC协议就没有ETC收费系统。2.2.1 ETC车道系统和DSRC协议的功能ETC车道系统通过DSRC协议来完成收费车道数据采集、交通控制以及与上级系统通信的前端系统，是整个ETC系统能否正常有效运行的关键。ETC车道系统具有很多功能，下面做一下简要的归纳 13：1、数据采集功能：在DSRC协议
30、的协助下，ETC车道系统完成数据的采集、交换、处理、保存ETC原始收费信息、车道设备状况和报警信息并上传到收费站管理系统，并且根据车辆识别系统采集的资料和费率表计算收费金额，接受站级下达指令、费率表、黑名单、灰名单和无效名单。2、控制车道外围设备：ETC车道系统还要进行实时交通控制，通过控制外围设备保证车辆顺利通行。外围设备主要包括车辆检测器、电动栏杆机、通行灯、黄闪报警器、费额显示器、雨棚灯、RSU控制器、车道摄像机等外围设备。在整个收费过程中，车道系统和DSRC协议发挥了至关重要的作用。首先收费数据的采集处理和传输都离不开车道系统，其次收费过程中对外场设备的控制都由车道系统来完成。所以ET
31、C车道系统不仅仅是一个收费作业处理系统，同时也是一个实时控制系统。收费作业快捷、顺利的完成要依靠这些外围设备准确、可靠的工作。2.2.2 ETC车道系统结构和DSRC协议的地位根据ETC车道系统的功能，ETC车道系统分为两部分：ETC入口车道收费和ETC出口车道收费。入口车道收费和出口车道收费在结构上一样，这里将一起介绍。ETC车道系统主要由车道控制机、路侧单元(Road Side Unit 简称RSU)，RSU控制器、雨棚信号灯、车辆检测器、黄闪报警器、费额显示器、车道通行信号灯、车道摄像机、自动栏杆机、VDM字符叠加器、车牌识别器等设备组成。DSRC协议就工作在车道天线RSU和车载单元OU
32、B之间，为整个ETC系统的运行提供着基本的技术支持。ETC车道系统结构如图2.2所示15。图2.2 ETC车道系统结构ETC车道系统利用安装在收费岛头龙门架上的微波读写天线(Road Side Unit，简称RSU)与车载电子标签(On Board Unit，简称OBU)，通过专用短距离微波通信(Dedicated Short-Range Communication，简称DSRC)协议进行信息交换，而天线RSU与车道控制机之间则通过RSU控制器实现信息交换。RSU控制器、费额显示器、字符叠加器通过RS232串行电缆线直接连接到车道控制机上，由车道计算机直接控制；其它亭外设备如自动栏杆机、车道通
33、行信号灯、雨棚信号灯、摄像机、车辆检测器等都通过PCL-725卡与车道控制机连接，这些设备的变化有两种状态，采用开关量进行状态变化控制。下面将介绍各硬件设备。1、车道控制机车道控制机是一台具有特殊要求的计算机。因为车道系统每天采集的原始数据所需存储空间较大，在与收费站网络通信出现故障时，车道控制机还应该能存储这一段时间的原始数据，并保证此期间车道系统仍能独立工作。所以车道控制机应当具有较大容量的存储设备，在工作环境不佳的情况下具有稳定、持久工作的能力。为控制多个外围设备或与之进行通信联系，车道控制机内还必须具备一定数量的标准工业插槽。此外，为了提高软件运行速度和对外围设备控制的实时性，对车道控
34、制机的CPU处理能力和内存容量都有较高的要求。车道控制机配置有图像采集卡、以太网卡、I/O控制PCL-725卡、多串口卡等，是收费车道设备的核心，主要完成车道入/出口的收费操作、入/出口收费信息的叠加、通行车辆的图像抓拍、控制栏杆机以及完成这些信息的存储和传送。2、PCL-725 I/O控制卡PCL-725是一款带隔离的数字量输入/输出卡。该卡提供了8个机电式SPDT继电器输入和8路带光电隔离的数字量输出。每个继电器都带有一个红色的LED指示灯，用来显示继电器的开/关状态以便检测。PCL-725的8路数字量输入通道带有光电隔离，具有抗噪声能力和在有漂移电压的情况下正常工作。3、车辆检测线圈车辆
35、检测线圈共有三个，分别是触发线圈、抓拍线圈、过车线圈。车辆检测线圈连接到车辆检测器上，当有车辆通过时，线圈周围产生电感变化，车辆检测器发送电平信号，使车道控制机内的PCL-725卡中的某一输入通道电路信号产生变化，表明有车经过。当车辆通过以后，PCL-725卡的这一通道的电路信号恢复，表示无车。通过这一特性可帮助车道控制机打开微波天线RSU、统计车辆交易数量、车辆图像抓拍触发以及电动栏杆机的联动。触发线圈：当车辆经过触发线圈时，线圈产生信号给车道控制机，车道控制机对RSU进行初始化，进行数据通信。抓拍线圈：当车辆经过触发线圈时，车道控制机启动车道摄像机，进行图像抓拍，若成功交易，则升起栏杆机。
36、若交易失败，黄闪报警器发出报警。过车线圈：当车辆经过触发线圈时，车道控制机会控制栏杆机降落。4、费额显示器主要显示车辆交易过程中的过车信息、错误报警信息和提示信息，以及整个车道信息。5、电动栏杆机电动栏杆机安装在每个收费车道的收费亭的通行入口处和通行出口处，通行入口栏杆的作用是使车辆有秩序地进入收费区，当收费作业完成后，由车道计算机发出信号，抬起通行出口栏杆机，放行车辆。6、字符叠加器VDM字符叠加器这一设备的主要目的是把有关的收费信息同步叠加到车道视频的一定位置。便于以后车道过车记录图片的核查。采用视频采集卡的主要目的是对采集到的视频图像进行压缩处理。同时可以以文件的形式将图片保存在车道控制
37、机内。7、抓拍摄像机和车牌识别器VPR抓拍摄像机和车牌识别器的主要作用是抓拍停车缴费的车辆的图像并识别、提取出该车的车牌。抓拍摄像机同时具有实时监控作用。抓拍摄像机和车牌识别器的工作由车辆检测线圈来触发。车牌识别单元通过串口传递识别结果。8、通行灯和雨棚灯通行灯位于车道通行出口旁边，有红、绿两色，用以指示车辆驾驶员是否可以驶离收费作业区。雨棚灯安装在每一车道上方的雨棚上，在迎车流行驶方向的雨棚上有红色、绿色的信号灯一组，用来表示当前车道是否可以通行、收费。9、黄闪报警器处于费额显示器上端，由车道控制机通过外设控制器控制，用于提醒收费站注意有违章情况发生。外围设备的控制应用都是由车道控制机来完成
38、，具体ETC车道控制机连接如图2.3所示。图2.3 ETC车道控制机连接示意图2.3 DSRC协议简介对于实际的不停车收费系统，为了能够高效、可靠地完成收费过程，尽可能地提高收费口的通行能力，DSRC协议应用在车道系统中时是AVI技术出现的，下面简要介绍一下AVI技术11。2.3.1 AVI技术简介AVI(Automatic Vehicle Identification)自动车辆识别技术，是不停车收费的核心技术。所谓的自动车辆识别就是借助收费系统的各种硬件和软件控制程序来辨别通过车辆的识别信息以实现正确收费的系统。AVI系统主要包括电子标签(OBU)、路侧单元(RSU)、专用短程通信协议(即D
39、SRC协议)、感应线圈设备。车辆在高速行驶状态下电子标签(OBU)与路侧单元(RSU)进行双向通信，并根据站级系统下发的各种运营参数完成与车载电子标签间的交易，车道控制机可以读取OBU中存放的有关车辆的固有信息(如车辆类别、车主、车牌号等)、道路运行信息、征费状态信息按照既定的收费标准，通过计算，从车载IC卡中扣除本次道路使用通行费。其中：1、电子标签(OBU)电子标签既是车辆的身份标签，又是车辆的电子钱包。车载单元采用两片式电子标签，由车载电子标签和双界面CPU卡两部分组成。双片式ETC电子标签和双界面CPU卡同时存储包括车辆类型、颜色、车牌号码、车主、车辆物理参数等固定信息，双界面CPU卡
40、存储帐号、余额、交易记录、出入口编号等信息，双界面CPU卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进行读写访问。2、路侧单元(RSU)路侧单元主要指车道通信设备，即路侧天线，其参数主要有工作频率、发射功率、通信接口等。路侧天线能够覆盖的通信区域大约为330米。3、专用短程通信协议专用短程通信协议(Dedicated Short-Range Communication，简称DSRC协议)是ETC系统的核心，目前，世界上存在着欧美日三大DSRC协议标准，而国际上还没形成统一的标准。电于标签使用的频率带宽有三种：900-928MHz、2.45GHz和5.8GHZ。美国采用的频率范围为900-928M
41、HZ，日本采用2.45GHz，欧洲采用5.8GHZ。DSRC协议分为物理层、数据链路层和应用层三层。4、感应线圈设备感应线圈设备通常置于电子收费口的前方，检测是否有车辆将要通过。当感应线圈设备检测到来车时，会自动触发相应的设备如RSU、自动抓拍摄像机、电动栏杆机等，使其处于工作状态。常用的探测方法有电磁感应、压感探测、红外或微波探测等。目前用于高速公路不停车收费的车辆识别技术主要以微波射频技术和红外线技术为主。由于技术发展的原因，红外线信号弊端限制了它在收费环境，尤其是开放公路系统中的使用。而射频技术克服了红外线技术的不足，因此，微波射频技术成为各国AVI系统的主流。红外线技术与微波射频技术的
42、比较1如表2.1所示。表2.1 红外线系统和微波射频系统的比较技术名称构造价格信号红外线简单便宜信号不稳定微波射频复杂昂贵信号稳定2.3.2 DSRC协议简介DSRC协议是用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费ETC的技术，是ETC系统中最关键做基础的部分。采用DSRC技术完成RSU与OBU之间的数据通信，从而完成整个收费过程。国际上DSRC专用短程通信技术曾出现3个主要的工作频段：900-928MHz，2.45GHz和5.8GHz频段，目前我们国家采用的是源于ISO/TC024国际标准化组织智能运输系统技术委员会(国内编号为SAC/TC268)的5.795-5.815GHZ ISM
43、频段，下行链路500Kbps，2-AM；上行链路250Kbps，2-PSK的技术标准。不过根据最新出台的DSRC协议，上下行链路速率均为1042Kbps，调制方式都采用ASK，但是载波频率仍然保持5.8GHz不变11。国内外具体的载波频率选择如下：1、国外DSRC频段选择目前国际上已形成CEN/TC278，美国ASTM/IEEE，日本ISO/TC204为核心的DSRC标准化体系。其中CEN/TC278和日本ISO/TC204已公开发表其DSRC标准。美国则仍对ASTM/IEEE提出的DSRC标准草案持异议11。欧美日三个国家的DSRC频段选择及应用如表2.2所示。表2.2 欧美日三个标准参数比
44、较欧洲(CEN)北美(ASTM)日本(ARIB)通信媒介微波5.8GHZ微波5.8GHZ微波915MHZ5.8GHZ载波频率/GHZ下行默认值：5.797/5.80257个信道1个信道下行5.775/5.780/5.785上行5.805上行5.815/5.820/5.825可选其他值5.835/5.8405.845调制方式下行：ASKQPSKASKASK或者QPSK上行：M-PSK(M=2/4/8)传输速度下行/上行Kbps默认值：500/2506000-27000500ASK：1024/1024QPSK：4096/4096可选值：500/5001000/750通信系统被动式主动式主/被主动式
45、无线访问方式异步TDMATDMATDMATDMA-FDD多路访问控制分隙ALOHA分隙ALOHACSMA自适应分隙ALOHA数据帧(时隙)长度/bits可变(最大512)可变可变800由上述可知，全球不同地区采用不同DSRC协议标准，这样一方面在短期内促进了DSRC设备和电子收费系统市场的扩大，另一方面又造成不同地区之间DSRC系统兼容非常困难，存在隐患。因此，需要提供一个统一的DSRC协议国际标准来保证DSRC和ETC设备可以全球采购并可实现大范围的联网收费。2、我国DSRC协议结构DSRC协议可以说是DSRC的基础。美国，欧洲，日本均建立了自己的DSRC标准，但是国际标准化组织目前尚未制定
46、出完整的DSRC国际标准，但资料表明，基于5.8GHz的DSRC国际统一标准将成为必然11。DSRC协议是在小范围与区域内实现RSU与OBU之间双向通信的一种协议。具有专用性强、服务领域窄和实时性强等特点，它采用简化的三层协议结构：物理层、数据链路层和应用层。RSU和OBU之间的物理传输媒介可以是无线微波信道，也可以是无线红外信道。2.3.3 DSRC基本分层结构我国采用欧洲的被动式DSRC标准-CEN/TC278来制定我国的专用短程通信标准(DSRC物理层工作在5.8G频段)。CEN/TC278具有3层结构：物理层(EN12253)27、数据链路层(EN 12795)28和应用层(EN 12
47、834/ISO 15628 )29。DSRC分层示意图如图2.4所示。图2.4 DSRC分层结构示意图DSRC协议在ETC车道系统中的应用如图2.5所示。图2.5 DSRC协议在ETC车道系统中的应用其中DSRC各层协议功能如下：物理层(Physical Layer)：规定了DSRC通信系统的机械、电气、功能和过程的参数，以激活、保持和释放通信系统之间的物理连接。其中载波频率是一个很关键的参数，它是造成世界上DSRC系统差别的主要原因。本标准规定DSRC物理层工作在5.8GHz频段，在此频段上为DSRC通信建立了一个物理层通用框架，为互换性奠定基础。为了实现路边设备单元与车载设备单元之间的信息交换，还对通信介质提出了相应要求。数据链路层(Data Link Layer)：规定了媒介访问和逻辑链路控制方法，定义了共享物理媒介、寻址和差错控制的操作。数据链路层是专用短程通信的中间层次，与ISO/OSI开放系统互连模型中数据链路层功能上并无本质不同。通常来讲，数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒介及其连接。媒介是长期的，而连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两个