国标ETC应用中的主要问题浅析及应对解决措施

　　高速公路电子收费(ETC)国家标准自2007年颁布实施以来，经过国内多个省市的实践，已经证明能够为广大高速公路使用者提供方便、快速的通行方式，有效地减少了繁忙时段主要收费站的拥堵情况，充分体现了人文高速、科技高速和绿色高速的建设思想。　　

　　快通公司作为国标ETC应用的最大运营商，经过两年多的运营，积累了丰富的运营经验，在贯彻实施国标方面暂时走在了兄弟省市的前面，在实际运营中，我们也遇到了一系列技术问题，这是一个新的标准实施过程中不可避免的。下面我们将实际遇到的几个主要问题逐一列出，并根据我们的应用经验以及与OBU厂商的技术交流，提出了相应的解决措施。

　　1. 分离元件与芯片的选择

　　目前在用的电子标签(OBU)基本采用分离元件构成，特别是射频发射部分通常采用介质振荡器，因而OBU工作的发射中心频率由于容易受到器件的选择、温度、元器件老化等影响而偏移量过大，超出国标要求，也经常超出路测单元(RSU)的接收带宽范围，从而造成OBU与RSU无法正常通信，严重影响了ETC车辆的不停车通行。在这两年的运营中，根据对召回产品的分析，OBU频偏的影响是影响ETC车道天线交易成功率的主要原因之一。因而我们在OBU到货验收中也加强了频率偏移的检查，多次发生过OBU因为频偏严重而批次退货的情况，从而推动厂商加强元器件的选择和出厂检验的严格管理，但是在用户返修的OBU故障原因中也经常出现因器件老化等原因而造成的频偏现象。

　　因而，为解决这一问题，仅仅依靠元器件的选择是不够的，成本、供货源、长时间的验证测试都是很现实的问题。最根本或最终的解决方式就是产品的集成化，特别是ETC国标射频芯片的开发和应用。目前，适用于国标ETC应用的主流射频芯片主要有以下几种：

　　单发芯片，即发射部分为芯片，唤醒和接收部分为分离元件。这一类以美国RFMD公司的ML5830为代表。

　　收发一体芯片，即发射和接收部分集成为一个芯片，唤醒电路为分离元件。该类芯片以日本东芝公司的TB32160、OKI公司的ML9636、韩国PHYCHIPS公司的PD5000为代表。

　　全集成射频芯片，即发射、接收、唤醒完全集成为一个芯片。目前已经研制成功的为上海博通公司的BK5822。

　　全集成芯片，即将射频、MCU和ESAM完全集成为一个单一芯片，尚处于研发的初级阶段。

　　前三种芯片已经分别被国内大多数OBU厂商逐步采用，但均尚处于试验或试用阶段，测试结果表明能够有效地解决上述频偏问题，但芯片本身的成熟度和工作的稳定性尚未完全得到验证，仍有待时间的考验。预计今年(2010年)下半年上述三类芯片会逐步开始正式投入商用，但发展方向仍然是向集成化更高的后两类芯片过渡，最终的全集成芯片成熟期则至少需要2~3年的时间。

　　2. 射频指标的一致性

　　目前国标ETC应用中的最大问题之一是RSU和OBU射频指标的一致性。由于国标中暂时只对部分射频指标的上限做出了规定，比如国标中OBU的发射功率(e.i.r.p)≤+10dBm、唤醒灵敏度≤-40dBm和接收灵敏度≤-50dBm，RSU的发射功率(e.i.r.p)≤+33dBm和接收灵敏度≤-70dBm，并未对上述射频指标的下限做出明确要求，换句话而言，尚没有针对实际ETC车道的布局和有效通信范围给出一个合理的天线射频指标范围。因而，各ETC专用设备厂商只是根据自己的理解和产品设计、生产条件自行确定设备的射频指标，从而造成不仅不同厂商的产品射频指标的不一致，甚至同一厂商的不同批次产品射频指标也不一致。快通公司近两年的运营经验表明，由于没有统一的射频指标体系约束，不同ETC收费车道的交易成功率差别很大，并且经常发生ETC车辆在某些站点通行顺畅，某些站点却无法在车道RSU天线下正常交易不得不停车刷卡缴费的情况，而邻道干扰问题也时有发生。这种情况给包括快通公司在内的ETC运营商造成了很大的困扰，一定程度上影响了ETC系统的大规模扩展和应用。

　　射频指标的确定，不是简单的定一个值，既要考虑到新RSU和OBU的需求，也要兼顾到已投入应用的大多数RSU和OBU。因而，首先需要结合ETC专用车道的布局进行理论分析和仿真计算，确定一个合理的取值范围;然后需要进行大量的室内和室外测试，特别是获取在用RSU和OBU的典型指标值。

　　上述测试中的难点在于测试方法，RSU的射频指标相对容易，因为天线增益和线缆损耗都是可测可控的，但OBU却因为体积小、电池供电或受环境影响比较大等原因，其测试方法很值得商榷。对于传导测量，由于OBU引线比较困难，且OBU开盖测量引入的误差会很大，因而我们推荐采用辐射等效的测量方法。

　　3. OBU供电方案

　　目前，出于安全性、可靠性、持续供电、大电流放电需求和使用寿命等方面的考虑，现有的厂商大多采用一次性锂电池(锂亚硫酰氯电池)+ 超级电容供电的方式。不同的OBU厂商因为产品设计、芯片、元器件选择的不同，功耗(包括待机功耗和工作功耗)也大相径庭。虽然从理论上计算，交易次数或电池寿命都能够满足5年以上的使用要求，但由于误唤醒问题，实际使用中发现，两到三年的OBU电池使用期限已经是非常好的了。误唤醒的解决方案有：

　　双重滤波器的使用，即只有载波在国标OBU工作频率范围内且调制信号为14kHz方波时才能够将OBU唤醒并进入工作状态。由于OBU体积限制、国内技术工艺水平以及成本控制的原因，尚无厂商采用本方案。而在未来的芯片设计中，如果将唤醒电路集成进射频或全集成芯片中，也根本没有可能不给芯片供电而单单启动芯片中的唤醒电路。

　　软件滤波，即在唤醒电路启动后，通过软件进行14kHz方波的判别，根据判别结果决定打开射频接收电路或回复休眠状态。这种方式力图将唤醒时间控制在最小范围内。本方案的成功与否取决于软硬件的合理设计。

　　电池+超级电容+太阳能供电方式。太阳能作为主供电方式、电池作为后备供电方式。本方案对于误唤醒控制的要求大大降低，但如何防止太阳能对电池的反充造成的安全设计是至关重要的。目前已有多个厂商已经采用本方案，实际的效果尚需时间考验。

　　此外，目前国内的电池市场基本由某国外厂商垄断，电池成本居高不下，占据整个OBU成本的15%以上。但由于目前国内尚无针对电池安全、供电的权威测试机构，而OBU作为消费类电子产品，引进新的电池厂商尚需时日，也需要相关部门和OBU厂商共同努力。

　　4. IC卡读写方式

　　早期的OBU和IC卡通信均采用接触式方式，但实际应用中发现由于IC卡插拔不到位或客户插反的原因，经常造成OBU读取不到IC卡的现象从而造成交易失败。因而同时支持非接触式和接触式或只支持非接触式的OBU产品已经进入实用阶段，并取得了很好的使用效果。但问题也是客观存在的，OBU工作在非接触式时功耗明显要大于接触式的功耗。这也是部分厂商采用太阳能供电的一个原因。

　　5. PC-RSU接口

　　在用的车道工控机和RSU接口多为串口方式，实测表明，如果改为网络接口，至少可以节省60~70ms的时间，而目前一次完整的交易时间为200~300ms，此外网口通信在工作的可靠性方面也毫不逊色。

　　限于篇幅限制，上面我们只针对在实际应用中遇到的几个主要问题进行了探讨，以供相关研究单位、ETC专用设备厂商以及其他国标ETC运营商参考。