應(yīng)用于智能運輸系統(tǒng)的專用短程通信

1、簡介

專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，簡稱DSRC）是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，它具有傳輸速率高、延遲短等特點，支持點對點、點對多點的通信。相對于傳統(tǒng)的廣域移動通信系統(tǒng)而言，它可以實現(xiàn)小范圍內(nèi)數(shù)據(jù)、音頻和視頻信號的實時、準(zhǔn)確和可靠的雙向傳輸，從而將車輛與車輛之間、車輛與道路之間有機(jī)地聯(lián)系在一起，因此成為智能運輸系統(tǒng)（Intelligent Transportation System， 簡稱ITS）中重要的無線通信平臺，為ITS提供高效的無線通信服務(wù)。DSRC目前的典型應(yīng)用包括電子不停車收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，簡稱ETC）和車輛的公共安全。

2、技術(shù)概述

2.1結(jié)構(gòu)體系

如圖1所示，DSRC通信系統(tǒng)主要由車載單元(OBU)和路側(cè)單元(RSU)兩部分組成。

車載單元（OBU）是安裝或放置于車輛上的嵌入式處理單元，在整體結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于移動終端。車載單元采用兩片式電子標(biāo)簽，由車載電子標(biāo)簽和雙界面CPU卡兩部分組成。電子標(biāo)簽和雙界面CPU卡同時存儲包括車主、車型、車輛物理參數(shù)等固定信息，雙界面CPU卡還存儲有支付賬戶、余額、交易記錄、出入口編號等信息。

路側(cè)單元（RSU）是安裝在道路的指定地點，如車道旁邊、車道上方等固定的通信設(shè)備。它保持著與不同OBU實時高效的通信，實現(xiàn)信息的交互，其有效的覆蓋區(qū)域為3～30m。RSU的主要參數(shù)包括頻率、發(fā)射功率以及通信接口等。

2.2通信協(xié)議

DSRC的通信協(xié)議是參照開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI通信協(xié)議的第一、二、七層架構(gòu)，分別包括物理層(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層(LLC)和應(yīng)用層(Application)。具體地：

物理層是底層協(xié)議，主要提供幀傳輸控制服務(wù)和信道的激活/失效服務(wù)，收發(fā)定時及同步功能，并指示物理層狀態(tài)。DSRC物理層采用的是OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，這是由于OFDM技術(shù)具有光譜效率高、抑制多徑衰落、以及接收機(jī)設(shè)計簡單等優(yōu)點。

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，使之對上層提供一條無差錯的鏈路。它規(guī)定了通信幀的結(jié)構(gòu)和封裝形式，提供實現(xiàn)相應(yīng)功能的程序和程序單元。數(shù)據(jù)鏈路層的主要模塊是媒介控制子層(MAC)。在信號流的處理上，MAC層負(fù)責(zé)傳輸?shù)目煽啃院蛯崿F(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

應(yīng)用層是在數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上提供特定的應(yīng)用服務(wù)，諸如實現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)支持、遠(yuǎn)程應(yīng)用相關(guān)操作等。

2.3技術(shù)優(yōu)勢

DSRC技術(shù)應(yīng)用于車車通信的環(huán)境，其優(yōu)勢可以從和其他無線通信技術(shù)的比較中得出，如表1所示。

由表1可以看出專用短程通信技術(shù)在性能上優(yōu)于WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等無線通信技術(shù)；與WiMax技術(shù)相比，在性能相當(dāng)接近，但是在實現(xiàn)的復(fù)雜度和成本上，DSRC遠(yuǎn)遠(yuǎn)比WiMax具有優(yōu)勢。

3、標(biāo)準(zhǔn)化

在DSRC的標(biāo)準(zhǔn)化方面，目前國際上已形成以CEN/TC278，ASTM/IEEE，和ISO/TC204為核心的DSRC標(biāo)準(zhǔn)化體系。其中，

ISO/TC 204國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，主要研究應(yīng)用層L7的協(xié)議和資源管理，制定中長距離通信標(biāo)準(zhǔn)。

歐洲CEN/TC 278 DSRC標(biāo)準(zhǔn)的主要特點是：5.8GHz被動式微波通信，中等通信速率(500Kb/s上行，250Kb/s下行)，調(diào)制方式為ASK和BPSK。

美國的ASTM和IEEE標(biāo)準(zhǔn)，頻率均為5.9GHz。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了IEEE802.11p協(xié)議組，包括1609~1609.4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)在車載環(huán)境下，達(dá)到3~27Mb/s的傳輸速率，大大改善了高速移動環(huán)境下的傳輸效果。

鑒于目前國際DSRC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢和應(yīng)用現(xiàn)狀，1998年5月，中國ISO/TC204技術(shù)委員會向交通部無線電管理委員會提出將5.8GHz頻段分配給智能交通運輸系統(tǒng)的短程通信(包括ETC收費系統(tǒng))。

4、關(guān)鍵應(yīng)用

4.1車路通信

車-路通信主要面向非安全性應(yīng)用，以ETC系統(tǒng)為代表。車輛經(jīng)過特定的ETC車道，通過車載OBU與路邊RSU的通信，不需停車和收費人員采取任何操作的情況下，能自動完成收費過程。除此之外，基于車-路通信的DSRC應(yīng)用還可以用在電子地圖的下載和交通調(diào)度等。路邊的RSU接入后備網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)?shù)氐慕煌ㄐ畔⒕W(wǎng)或因特網(wǎng)相連，通過OBU與RSU的通信來獲得電子地圖和路況信息等，從而可以選擇最優(yōu)路線，能夠緩解交通擁堵等。應(yīng)用場景如圖2所示。

4.2車車通信

車-車通信方式主要用于車輛的公共安全方面。將DSRC技術(shù)應(yīng)用于交通安全領(lǐng)域，能夠提高交通的安全系數(shù)，作用是減少交通事故，降低直接和非直接的經(jīng)濟(jì)損失，以及減少地面交通網(wǎng)絡(luò)的擁塞。如圖3中所示，當(dāng)前面車輛檢測到障礙物或車禍等情況時，它將向后發(fā)送碰撞警告信息，提醒后面的車輛潛在的危險。

5、展望

專用短程無線通信技術(shù)以其傳輸快速、實時、穩(wěn)定、可靠的傳輸特點在智能運輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。從技術(shù)演進(jìn)以及應(yīng)用推廣來看，將DSRC技術(shù)的車車通信和新型車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、緊急制動傳感系統(tǒng)結(jié)合在一起，是未來車輛駕駛安全的重要方面。通過DSRC技術(shù)，路邊的通信設(shè)備可以發(fā)送安全信息給車內(nèi)安全信息系統(tǒng)，也可以車輛之間相互傳遞路況信息，實現(xiàn)車輛的自動巡航等先進(jìn)技術(shù)。DSRC技術(shù)應(yīng)用在車隊管理上，通過無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)高速公路上的車隊管理和無人駕駛技術(shù)。

根據(jù)美國ABI市場咨詢公司日前預(yù)測，車載通信每年的市場規(guī)模高達(dá)10億美元。目前，世界各國關(guān)于DSRC標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品研發(fā)工作正在蓬勃發(fā)展，我國應(yīng)在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)、頻段分配、應(yīng)用需求等特點，大力地發(fā)展DSRC技術(shù)并制定出符合我國國情的DSRC標(biāo)準(zhǔn)，只有這樣才能更有利于我國在車載通信領(lǐng)域以及智能運輸領(lǐng)域取得長期、可持續(xù)的發(fā)展。 (作者單位：中國移動通信公司研究院)