【導(dǎo)讀】當(dāng)前，智慧交通已成為數(shù)字基建的重要組成部分，交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的主要發(fā)力點(diǎn)，邁入了新的發(fā)展階段。其中，我國ETC系統(tǒng)自2007年國家標(biāo)準(zhǔn)正式推出以來，歷經(jīng)京津冀、長三角和全國大聯(lián)網(wǎng)，以及去年國務(wù)院和交通部撤銷省界收費(fèi)站的大規(guī)模建設(shè)行動，已經(jīng)成為全球最大的公路收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，中國高速公路管理也迎來了新的變革。據(jù)交通部統(tǒng)計，截至2019年12月31日，全國ETC用戶累計達(dá)到2.04億，僅2019年下半年便新增ETC用戶1.23億，完成ETC發(fā)行目標(biāo)任務(wù)的106.81%。
種種數(shù)據(jù)也都表明，ETC網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為支撐數(shù)字化時代交通運(yùn)營管理的一個重要數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。“展望未來，ETC車載單元的普及和信息交換便利性迎來了一個全新的起點(diǎn)與更廣闊的商業(yè)想象空間，ETC在智能停車場收費(fèi)、加油站收費(fèi)等支付場景的應(yīng)用正在迅速增長。” ADI工業(yè)市場經(jīng)理李佳最近在一場活動中指出，“安裝率近100%、2億+的汽車ETC基礎(chǔ)資源，正在撐起智慧交通與智慧城市的部分未來想象。”作為在射頻信號鏈領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先優(yōu)勢的企業(yè)，ADI的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、PLL、混頻器等在傳統(tǒng)分立ETC解決方案中獲得廣泛應(yīng)用，而去年集成式收發(fā)器因高集成度、精度和大動態(tài)范圍等特性優(yōu)勢在ETC路測單元中獲得更大的關(guān)注，ADI面向軟件定義無線電(SDR)應(yīng)用的捷變頻收發(fā)器AD9364開始“走紅”新一代ETC設(shè)計圈。
“ETC+”將撐起怎樣的智慧城市與智慧交通設(shè)想？
全國目前已有的2億+ETC車輛龐大用戶群，以及將車載單元OBU設(shè)置為車輛出廠前裝設(shè)備的大趨勢，為ETC向高速公路以外的場景拓展應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。“在未來幾年ETC也有望從高速公路不停車收費(fèi)走向城市更廣泛的應(yīng)用場景，包括在有效提升加油站通行效率、智慧停車系統(tǒng)與汽車后裝消費(fèi)市場，以及實(shí)時收集城市車流量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更高效率的智慧城市交通管理等方向的延伸。” 李佳指出，“ETC+”正在形成產(chǎn)業(yè)外延趨勢。
例如，國內(nèi)某領(lǐng)先的智慧交通核心設(shè)備及解決方案提供商，近期提出基于5.8GHz自由流的MTC&ETC多義路徑識別系統(tǒng)設(shè)想，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)車輛行駛通過時，將路徑標(biāo)識編碼寫入OBU或CPC卡中，出口時讀取入口信息和路徑信息，從而準(zhǔn)確識別車輛的行駛路徑，區(qū)分不同投資主體，實(shí)現(xiàn)通行費(fèi)的精確拆分和發(fā)票打印，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、全面、完整的高速公路交通信息采集，為智慧高速建設(shè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。同時，ETC作為車輛的“電子身份證”，與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合，可以對駕駛軌跡、易發(fā)事故路段、易堵車的時間段和路段等有效信息進(jìn)行統(tǒng)計，方便城市交通管理單位做出智慧化管理。此外，ETC在加油站等與車主服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，也提供了另外一種高效快速的付費(fèi)方式供消費(fèi)者選擇。
任何技術(shù)的應(yīng)用推廣是需要多個方面配合的，ETC技術(shù)在多領(lǐng)域應(yīng)用涉及到車載終端OBU、路側(cè)基站RSU、軟件協(xié)議這3個方面的普及，ETC拓展應(yīng)用的研發(fā)推廣則有待ETC前裝、ETC支付場景拓展、ETC生態(tài)圈建設(shè)等多個領(lǐng)域的完善。巨大的商業(yè)想象空間之下，OBU與RSU的可靠實(shí)時通信是實(shí)現(xiàn)ETC更多場景應(yīng)用的關(guān)鍵，對ETC通訊技術(shù)也提出了更高的要求，不僅需要其能夠支撐在多個場景的應(yīng)用，不論是低速場景的公路收費(fèi)、停車收費(fèi)，還是高速以及惡劣天氣場景下的流量采集，也需要開始考慮ETC系統(tǒng)設(shè)計方案的尺寸、軟件兼容性與高可靠性。
從分立到集成，RSU以高性能做擔(dān)當(dāng)
ETC目前主要由車輛自動識別系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施組成。其中，車輛自動識別系統(tǒng)負(fù)責(zé)對過往車輛進(jìn)行信息采集和處理，是整個ETC系統(tǒng)的核心組成，又包括了車載單元OBU、路邊單元RSU與地感線圈等傳感器；中心管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛信息的識別和與電子支付中心的聯(lián)接，其他輔助設(shè)施輔助該系統(tǒng)運(yùn)行主要是指欄桿機(jī)、交通顯示屏等輔助設(shè)備。
據(jù)李佳介紹，雖然高速公路ETC專用道及ETC混合車道在現(xiàn)階段已大量部署，收費(fèi)站ETC車道也都全部覆蓋，但其大多仍都采用的是分立式方案構(gòu)建的RSU系統(tǒng)，在運(yùn)營過程中ETC臨道干擾與前后干擾現(xiàn)象也偶有發(fā)生，典型的情況包括相鄰兩個ETC車道之間的OBU與RSU天線相互影響、RSU與非本車道上的OBU進(jìn)行通訊并完成交易引起鄰道干擾、由于工程實(shí)施、天線設(shè)備覆蓋范圍大等原因引起跟車干擾，車道前車沒有扣費(fèi)而后車扣費(fèi)等，會引發(fā)ETC錯誤扣費(fèi)情況而產(chǎn)生糾紛，在一定程度上對高速公路不停車收費(fèi)發(fā)展產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。
一直以來行業(yè)解決臨道干擾的主要技術(shù)措施為增加同步器，但同步器只能解決同時安裝2套同型號ETC天線車道的臨道干擾問題，對三條及以上車道采用同步器不能有效解決臨道干擾問題。因此，采用最新相控陣新一代天線，通過對車輛的定位技術(shù)，結(jié)合車道軟件的同步機(jī)制來解決臨道干擾問題開始走進(jìn)了ETC設(shè)備廠商的視野。“新一代相控陣天線采用相控陣與軟件無線電技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)無線射頻波束掃描，波束可以根據(jù)車道范圍內(nèi)的OBU位置進(jìn)行靈活指向，并且無線射頻交易區(qū)域邊界可精確設(shè)定，覆蓋位置精度高，可以使交易區(qū)域范圍內(nèi)的多個車輛按照順序交易，有效防止跟車情況下后車先交易，同時通過對交易區(qū)域的設(shè)定，可以區(qū)分鄰道和本車道車輛的OBU，以防止鄰道干擾。”ADI應(yīng)用專家何海龍表示。
相控陣元件基礎(chǔ)理論圖
“過去大多數(shù)RSU系統(tǒng)由設(shè)備廠商分立式解決方案進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，相控陣天線技術(shù)使用模擬波束賦形技術(shù)，整個天線都采用一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號的非連續(xù)接收調(diào)解，對于解決極端情況下車輛實(shí)時數(shù)據(jù)采集與不停車收費(fèi)仍然存在一定的不可靠性。”何海龍指出，“在面向未來巨大的ETC增量市場時，尺寸越小的RSU將越具有安裝優(yōu)勢，客戶也將開始越來越多的關(guān)注高度集成度解決方案，同時采用數(shù)字波束形成技術(shù)，每個天線元件都有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對應(yīng)，相位調(diào)整也是以數(shù)字方式完成的，具有多波束賦形的能力，可以隨時改變波束的數(shù)量。”靈活的數(shù)字相控陣天線調(diào)節(jié)與波束賦形技術(shù)使其成為新一代ETC車載單元與路測單元通信的核心，它提供了高效、小型化并具有高成本效益的解決方案也具有極強(qiáng)的吸引力，對ETC的進(jìn)一步普及起了一定的推動作用。
集成化收發(fā)器解決方案，AD9364給出新一代RSU設(shè)計范本
“ADI最新的ETC RSU信號鏈系統(tǒng)級解決方案具有完整的高性能射頻和數(shù)字基帶設(shè)計，允許相控陣天線架構(gòu)中含有多個收發(fā)器，與只用模擬波束賦形器的上一代相控陣天線相比，可以大大降低相控陣的成本、減小其尺寸和重量，并優(yōu)化系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)性能。”李佳表示。李佳提到的解決方案基于ADI射頻收發(fā)器AD9364實(shí)現(xiàn)了集成化的射頻前端，一顆芯片替代了傳統(tǒng)分立解決方案需要的ADC/DAC、PLL、混頻器等近十多顆關(guān)鍵芯片。“傳統(tǒng)分立解決方案在設(shè)計和調(diào)試難度都很大，這種集成解決方案幾乎將所有射頻問題都在一個芯片內(nèi)解決了，設(shè)計大大簡化并確保性能穩(wěn)定性。”李佳強(qiáng)調(diào)道。
ADI新一代ETC RSU信號鏈系統(tǒng)級解決方案設(shè)計框圖
按照何海龍的介紹，通過ADI獨(dú)特的數(shù)字解調(diào)設(shè)計與降噪處理算法，RSU可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于-95dBm的極高Rx接收機(jī)靈敏度，大于80dB的動態(tài)范圍，領(lǐng)先全行業(yè)的性能。同時，帶內(nèi)小于有用信號10dB的干擾條件下，靈敏度的惡化小于6dB，鄰道大于有用信號20dB的干擾條件下，靈敏度的惡化小于6dB，進(jìn)一步提高了ETC單元的車輛信息識別準(zhǔn)確度。“實(shí)現(xiàn)這樣的性能對于客戶來說并不復(fù)雜，我們提供完整的解決方案和軟件算法。”李佳進(jìn)一步指出。事實(shí)上，這對于很多缺乏實(shí)現(xiàn)高性價比無線前端的設(shè)計能力的OEM制造商來說非常重要。
同時，該模塊可配置為簡易儀表，直接應(yīng)用于RSU產(chǎn)線測試，設(shè)備廠商則無需再單獨(dú)購買昂貴的RF測試設(shè)備，可編程特性也使該系統(tǒng)設(shè)計具有良好的兼容性。值得一提的是，由于該高度集成的RSU信號鏈系統(tǒng)級解決方案在尺寸控制上的優(yōu)異表現(xiàn)，同時提供了可集成于攝像頭內(nèi)部的天線參考設(shè)計，可作為額外的功能模塊迅速導(dǎo)入攝像頭，為新一代的車輛識別攝像頭新增了另一種準(zhǔn)確判別安裝有OBU車輛信息的途徑，同時也為道路安防機(jī)攝像頭提升了獲取信息的豐富度與準(zhǔn)確性。
AD9364/61集成式射頻收發(fā)器主要性能特性
據(jù)李佳補(bǔ)充道，作為革命性的軟件無線電解決方案，AD9364為典型的ADI高性能集成式射頻捷變收發(fā)器系列更廣泛的應(yīng)用，其實(shí)是蜂窩電話基站的軟件定義無線電架構(gòu)，如多業(yè)務(wù)分布式接入系統(tǒng) (MDAS) 和小基站單元等，此外在工業(yè)、商業(yè)應(yīng)用中的無線高清視頻傳輸（如無人飛行器 (UAV）應(yīng)用等，而在ETC RSU的應(yīng)用則是AD9364作為軟件無線電捷變頻收發(fā)器的獨(dú)特性能優(yōu)勢應(yīng)用的有一個有意思拓展。
總結(jié)
近日交通運(yùn)輸部重磅公布的《推動交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》再度提及了ETC系統(tǒng)在眾多具體場景的應(yīng)用方向，以推進(jìn)車路協(xié)同，對于ETC系統(tǒng)的的進(jìn)一步普及推廣注入了政策強(qiáng)針。“重點(diǎn)路段要實(shí)現(xiàn)全天候、多要素的狀態(tài)感知，應(yīng)用智能視頻分析等技術(shù)，建設(shè)智慧路網(wǎng)云控平臺，ETC的合理運(yùn)用都可以大大加速其進(jìn)程，但這也需要產(chǎn)業(yè)上下游廠商共同研發(fā)，更需要企業(yè)與政府部門通力合作。”李佳表示，“ADI可提供的軟硬件解決方案，包括RF架構(gòu)中的集成化收發(fā)器解決方案以及基帶對信號有效調(diào)節(jié)的降噪算法等，都將助力合作伙伴大大縮短產(chǎn)品研發(fā)時間并加速其推廣上市。也歡迎大家與ADI一起合作，在以識別和支付為核心的ETC服務(wù)應(yīng)用后半場，進(jìn)一步拓展其場景實(shí)踐落地。”
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