何怡剛， 張超群， 李 兵， 佘培亮， 蘇蓓蕾， 許 越

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

無(wú)源超高頻(ultra high frequency,UHF)的射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)是一種基于無(wú)線射頻通信方式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、功耗低、操作快等特點(diǎn)，在智能物流領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2]。通過(guò)RFID技術(shù)，ETC系統(tǒng)中的車載單元(on-board unit,OBU)和路側(cè)單元(rood side unit,RSU)可實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)識(shí)別和相關(guān)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)電子不停車收費(fèi)(electronic toll collection,ETC)，大大提高收費(fèi)效率[3,4]?？紤]到復(fù)雜場(chǎng)景下的諸多因素都會(huì)影響電磁波在信道中的傳播效率，因此，有必要考慮信道傳播的路徑損耗和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的多徑傳播。

文獻(xiàn)[5]首次提出了移動(dòng)散射體下的V2V無(wú)線信道傳播模型，并且計(jì)算得到模型的自相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜密度等。文獻(xiàn)[6]分析了無(wú)線攜能通信在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，驗(yàn)證了方法能有效提高無(wú)線通信傳播的效率。文獻(xiàn)[7]主要針對(duì)不同頻率的電磁波穿透車輛時(shí)造成的路徑損耗進(jìn)行了研究，但未考慮反射路徑損耗和自由空間損耗等影響因素。文獻(xiàn)[8]給出了無(wú)源超高頻RFID系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的鏈路預(yù)算模型，但方法的精度不足以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。文獻(xiàn)[9]考慮不同車輛的外形差異對(duì)路徑傳播的影響，提出了一種基于兩徑模型的ETC系統(tǒng)信道傳播損耗評(píng)估方法，但只考慮了單車道并且沒(méi)有前車干擾的情況。文獻(xiàn)[10]對(duì)多標(biāo)簽環(huán)境下RFID的前后向鏈路進(jìn)行了研究，對(duì)于確定閱讀器的位置以及提高標(biāo)簽的讀取效率有著重要意義。文獻(xiàn)[11]提出一種基于光線跟蹤和射線均勻理論(uniform theory of diffraction,UTD)的ETC系統(tǒng)傳播損耗模型，但沒(méi)有考慮車道環(huán)境的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[12]提出一種基于場(chǎng)景幾何特征的標(biāo)簽識(shí)別范圍預(yù)測(cè)方法，對(duì)ETC多車道情形進(jìn)行了分析，但對(duì)于旁道車輛與閱讀器天線及被識(shí)別車輛的距離以及不同旁道車輛造成的損耗差異沒(méi)有做出詳細(xì)的分析。

考慮在多車道情形下，旁道大型車輛與閱讀器天線及被識(shí)別車輛的距離等都會(huì)對(duì)信道傳播造成不同程度的干擾，因此，通過(guò)分析多徑射線波的幾何特征，提出了一種ETC系統(tǒng)的信道傳播損耗模型。

1 ETC系統(tǒng)場(chǎng)景與多徑傳播分析

目前，ETC系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景并不復(fù)雜，其與手動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)共存于國(guó)內(nèi)外的收費(fèi)廣場(chǎng)中。為確保所有類型帶有OBU的車輛均能順利通過(guò)，RSU應(yīng)具有足夠大的通信范圍，而在多車道情形下，RSU與被識(shí)別車輛之間的通信會(huì)受到旁道車輛的干擾。將小轎車作為被識(shí)別車輛，分析旁道車輛以及前方地面或引擎蓋對(duì)系統(tǒng)信道傳播的影響。為便于分析，對(duì)ETC場(chǎng)景做出幾點(diǎn)說(shuō)明：1)假設(shè)小轎車所在車道前方無(wú)其他車輛，即不考慮前車的影響；2)由于車輛以較低速度(10 km/h)通過(guò)收費(fèi)廣場(chǎng)，因此不考慮車輛移動(dòng)引起的路徑損耗；3)不考慮由于特殊天氣造成的路徑損耗。

典型ETC系統(tǒng)示意圖如圖1所示。將閱讀器天線作為參考點(diǎn)，被識(shí)別車輛與閱讀器天線之間的直射分量毫無(wú)遮擋，為主要傳播分量。由于兩側(cè)車輛對(duì)被識(shí)別車輛造成的影響情況相同，因此只需對(duì)一側(cè)大型車輛進(jìn)行分析。旁道的大型車輛與閱讀器天線以及被識(shí)別車輛的距離分別為l和l1，被識(shí)別車輛進(jìn)入可識(shí)別區(qū)域時(shí)，會(huì)接收到閱讀器天線發(fā)出的直射信號(hào)、前方地面或引擎蓋的反射信號(hào)以及旁道大型車輛的反射信號(hào)與繞射信號(hào)。

圖1 ETC場(chǎng)景示意

2 ETC系統(tǒng)信道傳播損耗評(píng)估方法

2.1 ETC系統(tǒng)傳播機(jī)制

2.1.1 地面或引擎蓋的反射路徑

假設(shè)RSU的高度為H，OBU的高度為h,將RSU與被識(shí)別車輛的水平距離設(shè)為d,隨著距離d的變化，反射路徑會(huì)有所不同。RSU與OBU的直接距離為

如圖2所示,將地面或引擎蓋的一次反射路徑距離設(shè)為

當(dāng)0

當(dāng)d1

當(dāng)d2

根據(jù)三角形相似原理可以得出

圖2 小轎車反射路徑

參考實(shí)際情況確定ETC場(chǎng)景的幾何參數(shù)，閱讀器天線高度H為6 m，被識(shí)別車輛高度h為1.5 m，小轎車引擎蓋高度h1為0.75 m，車頭與標(biāo)簽距離L0為1 m，天線可識(shí)別距離d3為15 m。

2.1.2 旁道車輛的反射路徑

在多車道情形下，旁道車輛與被識(shí)別車輛的距離較近，所以旁道車輛引起的反射路徑會(huì)對(duì)系統(tǒng)的信道傳播產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[13]中提出ETC系統(tǒng)路徑損耗的影響因素主要是周圍的一次反射路徑，所以接下來(lái)討論旁道車輛的一次反射幾何關(guān)系。

如圖3所示，將閱讀器天線坐標(biāo)設(shè)置為R(0,0,H),被識(shí)別車輛O坐標(biāo)為(0,d+L0,h)，旁道車輛與被識(shí)別車輛的水平距離為l。

圖3 旁道車輛的一次反射幾何關(guān)系

因此x=-l為旁道車輛對(duì)被識(shí)別車輛的一次反射面，且R關(guān)于反射面的鏡像坐標(biāo)為R1(-2l,0,H)，旁道車輛的一次反射路徑距離為

由此可得

隨著距離l的增大，旁道車輛引起的一次反射路徑影響越來(lái)越小，當(dāng)距離到達(dá)臨界值l0=5 m時(shí)，旁道車輛的反射路徑可以忽略。

2.1.3 旁道車輛的繞射路徑

假設(shè)被識(shí)別車輛與閱讀器天線的距離d=4 m，分析旁道車輛引起的一次繞射路徑，繞射點(diǎn)與閱讀器天線的水平距離為l1，與被識(shí)別車輛的水平距離為l2，有以下關(guān)系

l1+l2=d+L0=5 m

(9)

假設(shè)旁道車輛是高度為4 m的貨車，一次繞射路徑可以看作單刃峰繞射，因此繞射常數(shù)[13]為

式中 ΔH為繞射點(diǎn)的等效高度，即RSU與OBU的連線與貨車最高點(diǎn)D的高度差。

如圖4所示，繞射點(diǎn)D的高度為4 m，由幾何分析可得

ΔH=2-0.9l1

(11)

當(dāng)ΔH=0時(shí)，l1=20/9 m，因此：當(dāng)繞射點(diǎn)00，繞射常數(shù)-1≤ν≤0；當(dāng)繞射點(diǎn)20/9

圖4 等效高度示意

2.2 電磁波傳播路徑損耗

ETC系統(tǒng)路徑損耗可表示為

L=PO/PR

(13)

式中L為路徑損耗，P0為OBU接收功率，PR為RSU發(fā)射功率。

在設(shè)定的場(chǎng)景中，ETC系統(tǒng)的路徑損耗包括自由空間損耗、一次反射路徑損耗、一次繞射路徑損耗以及汽車前擋風(fēng)玻璃的穿透損耗等，取玻璃的穿透損耗Lα=2.7 dB，一次繞射路徑損耗已由式(12)給出，其余路徑損耗的具體分析如下：

自由空間損耗

式中λ為波長(zhǎng)，k為波數(shù)，dd為直射路徑R-O的傳輸距離。

地面或引擎蓋的反射路徑損耗

式中dr為反射路徑R-A-O的傳輸距離,Γr1和Γr2分別為地面和引擎蓋的反射系數(shù)。

旁道車輛的反射路徑損耗

式中dl為反射路徑R-P-O的傳輸距離，Γr3和Γr4分別為旁道大型車輛即客車或貨車側(cè)身的反射系數(shù)。

反射系數(shù)由參考文獻(xiàn)[12]可得

式中εr為反射面相對(duì)介電常數(shù)，α為入射波與反射面之間的夾角。

2.3 ETC系統(tǒng)的電磁波傳播路徑損耗模型

2.3.1 OBU與RSU距離對(duì)路徑損耗的影響

首先分析被識(shí)別車輛前方的路徑損耗，即自由空間損耗和地面或引擎蓋引起的一次反射路徑損耗。取車輛的穿透損耗為23.8 dB，假定旁道車輛與閱讀器天線的水平距離l1=3 m，與被識(shí)別車輛的水平距離l=2 m，此時(shí)ETC系統(tǒng)路徑損耗只跟RSU和OBU的距離有關(guān)，因此可表示為

(18)

2.3.2 旁道車輛的位置對(duì)路徑損耗的影響

分析旁道車輛對(duì)被識(shí)別車輛造成的一次反射路徑損耗和一次繞射路徑損耗，假定被識(shí)別車輛與閱讀器天線的水平距離d=4 m，此時(shí)可以確定自由空間損耗和由地面引起的一次反射路徑損耗，ETC系統(tǒng)路徑損耗隨旁道車輛的位置變化而變化，因此可表示為

(19)

3 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述分析得出在ETC系統(tǒng)信道傳播中，引起路徑損耗變化的因素主要是RSU與OBU的距離d、旁道車輛與RSU的距離l1、旁道車輛與OBU的距離l。通過(guò)給出的ETC系統(tǒng)路徑損耗模型進(jìn)行仿真模擬，分析3個(gè)變量對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖5(a)是當(dāng)旁道車輛的坐標(biāo)位置發(fā)生變化時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗變化的三維圖。圖中可以看出旁道車輛與OBU的距離l的變化沒(méi)有引起ETC系統(tǒng)路徑損耗的變化。圖5(b)是當(dāng)RSU與OBU的水平距離d以及臨道車輛與RSU的水平距離l1同時(shí)變化時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗變化的三維圖。圖中可以看出:隨著距離d的增大，地面的反射損耗呈線性增大；而隨著距離l1的變化，繞射系數(shù)發(fā)生變化，從而引起系統(tǒng)繞射損耗的大幅度變化。

圖5 ETC系統(tǒng)路徑損耗變化的三維圖

確定RSU與OBU的水平距離d=4 m，旁道車輛與OBU的水平距離l取不同值時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗隨旁道車輛與RSU的水平距離變化的評(píng)估預(yù)測(cè)如圖6(a)所示。觀察可知，距離l取不同值時(shí)，三條曲線幾乎重疊，所以圖形的波動(dòng)主要受系統(tǒng)的繞射損耗影響。當(dāng)0

L0=20lg(0.5e0.45v)和L0=20lg(0.5+0.62v)

對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，前者導(dǎo)數(shù)小于后者導(dǎo)數(shù)，所以在點(diǎn)l1=20/9m處圖形不平滑。

旁道車輛與RSU的水平距離l1取不同值時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗隨旁道車輛與OBU的水平距離變化的評(píng)估預(yù)測(cè)如圖6(b)所示。圖中可以看出當(dāng)l變化時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗變化非常平緩，基本控制在1 dB內(nèi)，結(jié)合圖6(a)可以說(shuō)明旁道車輛引起的反射路徑對(duì)系統(tǒng)路徑損耗的影響可以忽略。這是因?yàn)榕缘儡囕v與OBU的水平距離l不會(huì)使反射路徑R-P-O引起明顯變化。實(shí)驗(yàn)中距離l1的取值每增加0.5 m，系統(tǒng)的路徑損耗分別增加了4 dB和9 dB，結(jié)合圖6(a)分析，當(dāng)距離22 m時(shí)，繞射路徑會(huì)成為影響信道傳播的最大因素。

圖6 距離l和l1變化對(duì)系統(tǒng)的影響

旁道車輛位于不同位置時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗隨RSU與OBU之間距離變化的評(píng)估預(yù)測(cè)如圖7所示。結(jié)合以上分析可知，l=2 m,l1=3 m和l=3 m,l1=3 m相對(duì)應(yīng)的兩條曲線重疊，說(shuō)明當(dāng)l1不變，l取不同值時(shí)，路徑損耗沒(méi)有明顯變化；而當(dāng)l一定，l1取不同值時(shí)，路徑損耗變化幅度明顯。根據(jù)圖7的變化趨勢(shì)可以得出，RSU與OBU的水平距離d每增加1 m，ETC系統(tǒng)路徑損耗增加約1 dB；旁道車輛與RSU的水平距離l1增加1 m時(shí)，ETC系統(tǒng)路徑損耗增加了9 dB，所以被識(shí)別車輛前方的路徑損耗和旁道車輛引起的繞射路徑損耗是影響ETC系統(tǒng)路徑損耗的主要因素。

圖7 距離l和l1同時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)的影響

4 結(jié) 論

對(duì)于本文特定場(chǎng)景的仿真結(jié)果可以得出：旁道車輛與RSU的距離為0.6 m且被識(shí)別車輛與RSU的距離越小時(shí)，系統(tǒng)的路徑損耗越小。由于該評(píng)估方法忽略了前方車輛的影響，下一步將研究前方車輛和旁道車輛對(duì)系統(tǒng)的綜合影響。