CN103268639A - 基于多波束天线的电子不停车收费etc车道防干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多波束天线的电子不停车收费ETC车道防干扰的方法，包括：多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测；多波束天线检测到多个车载电子标签在所述通信区域内时，向每个车载电子标签发射定向下行波束，各下行波束分别形成一个相互独立相对较小的通信子区域，以空分复用的方式实现与所述多个车载电子标签的并发通信。本发明提出的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，利用波束成形技术，可以调整ETC交易的有效通信区域，实时检测ETC车道的OBU精确位置，并依据电子标签的位置调整和发射定向下行波束，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信，从而提高车道通行速度，同时避免ETC车道车辆跟车干扰和邻道干扰。

Description

基于多波束天线的电子不停车收费ETC车道防干扰的方法

技术领域

本发明涉及ITS（Intelligent Transport System，智能交通***）技术领域，尤其涉及基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法。

背景技术

随着高速公路通车里程不断增长，收费技术的不断进步，我国很多省市都建设了高速公路ETC（Electronic Toll Collection，电子不停车收费）***。现有的高速公路ETC***采用单车道模式，安装车载电子标签的车辆需要进入指定的车道，以低速（目前高速公路ETC车道限速为20km/h）通过ETC车道；对于进入ETC车道的非法车辆，车道栏杆自动拦截，由人工干预处理。

ETC车道***主要由车道计算机、车道天线和相关附属设施如车道栏杆、抓拍摄像头、地感线圈等。其中核心设备为车道天线和车道计算机，车道计算机控制车道栏杆的操作。

ETC交易是由ETC天线和车载电子标签通过无线通信的方式实现的，通信协议采用DSRC（Dedicated Short Range Communication，专用短程通信）协议，其处理过程为：ETC天线RSU（Road side Unit，也称路侧单元）周期性发射下行BST（Beacon Service Table，信标服务表）信号，安装有车载电子标签OBU（On Board Unit，也称车载单元）的车辆驶入ETC收费区域时，收到BST信号，返回VST（Vehicle Service Table，车辆服务表）信号。VST信号中包含有车载电子标签的MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址、序列号和其他信息，其中车载电子标签的MAC地址是其与天线通信的主要识别码。天线收到上行DSRC数据帧后，以其MAC地址区分不同的车载电子标签；天线发给不同车载电子标签的下行数据帧，均以目标车载电子标签的MAC地址为下行帧的专有链路标识。车载电子标签只接收专有链路标识与自己的MAC地址相同的下行数据帧。天线收到VST信号之后，首先与车载电子标签进行加密认证，认证的目的是辨别车辆是否安装了合法注册的车载电子标签，认证通过后进行ETC收费交易。ETC交易通信结束后，天线发射结束指令，然后继续发射周期性的下行BST信号，等待后续车辆的驶入。虽然单车道模式的电子收费***相对传统的人工收费有很大的技术进步，提高了车道通行能力，减少了交费服务时间，起到了节能减排的效果，但是在实际***运行中，由于设备技术的原因，会导致邻道干扰和跟车干扰现象。

请参照图1所示的同向三条车道俯视图，包括图上部的2个ETC车道和下部的1个MTC（Manual Toll Collection，人工收费）车道，ETC车道的天线105和106的有效通信区域分别为107和108，即车辆驶入有效通信区域时进行ETC交易。在两条ETC车道内分别有车辆101、102和103驶入，MTC车道内有车辆104驶入。如果MTC车道的车辆104上安装有车载电子标签，且车载电子标签收到相邻的ETC车道天线106的无线唤醒信号，就有可能被唤醒与天线106交易，该交易为错误交易，容易造成错误扣费。如果此时ETC车道的车辆103进入天线106的有效通信区域108中，天线与车辆104的电子标签交易，无法与车辆103的电子标签通信，造成车辆103无法正常通过ETC车道，这是典型的邻道干扰问题。

图1中，如果车辆101的车载电子标签先响应ETC车道天线105发射的下行唤醒信号时，天线105先与车辆101的电子标签通信，而处于有效通信区域的车辆102的电子标签无法与车道天线105通信，该现象为跟车干扰问题。

上述两个问题受ETC天线的通信区域控制、电子标签唤醒灵敏度参数一致性、车道电磁场环境等因素的影响，现有技术难以彻底解决。

中国专利公布号CN102831657A的发明专利，发明名称为“ETC通信控制方法、多波束天线、RSU及ETC***”，其中的多波束天线仅仅用于区分前后通信区域，可以解决跟车干扰，但是存在如下缺陷：

不能进行并发交易，有可能因为后车的OBU信号较强而先进行交易，导致前车没有交易而无法通行。

发明内容

本发明实施例提供一种基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，用以实现与多个车载电子标签的并发通信，该方法包括：

多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测；

所述多波束天线检测到多个车载电子标签在所述通信区域内时，向所述多个车载电子标签中每一车载电子标签发射定向下行波束，向各车载电子标签发射的定向下行波束分别形成一个相互独立且小于所述通信区域的通信子区域，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信。

一个实施例中，多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测，包括：

所述多波束天线向所述通信区域内发射周期性的下行唤醒信号和交易数据信号；

所述多波束天线接收车载电子标签返回的响应信号，根据交易过程中车载电子标签的响应信号实时获得车载电子标签的位置；

所述多波束天线根据车载电子标签的位置确定车载电子标签位于所述通信区域内时，确定检测到车载电子标签在所述通信区域内。

一个实施例中，所述多波束天线采用沿车道纵向和横向具有多波束的相控阵或数字波束成形DBF天线，所述多波束天线根据上行响应信号确定车载电子标签的位置，包括：

所述多波束天线根据上行响应信号确定车载电子标签相对于所述多波束天线的角度偏移，结合所述多波束天线的位置，确定车载电子标签的位置。

一个实施例中，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；同时，下行波束的通信区域依据电子标签的位置自适应地动态调整。

一个实施例中，所述多波束天线全时、全区域覆盖所述通信区域，在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的多个通信子区域，无扰接收对应位置的车载电子标签发射的信号。

一个实施例中，所述定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。

本发明实施例提出的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，以多波束天线为核心设备，利用波束成形技术，可以调整ETC交易的有效通信区域，实时检测ETC车道的OBU精确位置并发射定向下行波束，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信，从而提高车道通行速度，同时避免ETC车道车辆跟车干扰和邻道干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为现有技术中ETC车道布局示例图；

图2为本发明实施例中多波束天线的通信区域俯视图；

图3为本发明实施例中基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法的处理流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人考虑到，现有DSRC协议不支持并发通信是指：在同一无线信道内，RSU无法同时与多个OBU进行DSRC通信，完成ETC交易。因为GB/T20851-2007系列ETC国家标准是时分***（TDMA：Time Division Multiple Access，时分多址），通信协议层面不支持RSU与多个OBU同时通信；也无法进行码分复用技术；而有限的两个信道资源也无法实现频分复用（FDMA，Frequency Division Multiple Access）；所以只能从空间角度来解决并发交易问题。

因此，在本发明实施例提出的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其主要原理为：利用波束成形技术，实时检测ETC车道的OBU精确位置并发射定向下行波束，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信，以避免ETC车道车辆跟车干扰和邻道干扰。

本发明实施例中的多波束天线可以采用DBF（Digital Beam Forming，数字波束成形）技术，数字波束成型采用DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）技术，对天线各阵元信号进行高速数据处理，并根据自适应滤波算法优化的最大信噪比算法原则，通过控制天线辐射器面板的天线阵列的发射信号幅度和相位，进行信号加权和波束成形，针对特定区域的信号收发信噪比最大，而邻近区域的信号强度很弱，从而实现定向通信。多波束天线和相控阵天线的定位原理为公知技术，在此不作详述。

图1所示的现有技术中，典型的ETC车道宽度为3.2或者3.5米，车道天线的纵向通信区域一般为6米左右，宽度为3米左右。按照典型小汽车的车辆外形尺寸，长为5米左右，宽为1.8米左右，天线在有效通信区域内一般只能与一辆车进行ETC交易。

图2为本发明实施例中多波束天线的通信区域俯视图。本发明实施例的多波束天线的通信区域沿车道纵向长度为10至12米，横向宽度为4米，大于现有技术的通信区域。图2中实线圆圈表示多波束天线的一个波束所覆盖的通信区域，椭圆虚线区域表示由多个波束构成的天线发射定向下行波束的发射区域。由于多波束天线的下行定向通信子区域是可控的，因此整个车道的通信区域沿车道纵向长度数值可根据实际应用需求进行调整，例如12-18米甚至更长，以保证车辆高速通过时能够顺利完成ETC交易。同时，多波束天线跟踪检测并动态调整与车载电子标签的定向下行波束，实现与多个车载电子标签的并发通信。

具体实施时，所述定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。如图2所示，如果车道天线203的有效通信区域内有车辆201和202的两个车载电子标签返回响应信号，则天线203根据这两个车载电子标签的位置，分别发射下行定向波束，如图2中椭圆虚线所示的区域。由此以空分复用的方式实现多个车载电子标签的并发交易。

图2中两个车载电子标签的位置是由多波束天线检测上行DSRC信号并进行计算获得的。多波束天线可以全时、全区域覆盖整个通信区域，多波束天线所在车道通信区域内多个车载电子标签同时发射的信号可在不同的通信子区域（波束群）内无干扰地同时接收。通过精确定位功能和定向下行波束追踪技术，本发明可避免邻道干扰和跟车干扰。

图3为本发明实施例中基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法的处理流程图。如图3所示，本发明实施例中基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法包括：

步骤301、多波束天线向所在车道天线通信区域内发射唤醒信号，等待车辆驶入；

步骤302、多波束天线接收驶入所在车道天线通信区域内的车载电子标签的上行DSRC响应信号；如果没有响应信号，则转到步骤301，天线继续发射下行唤醒信号；如果有响应信号，则进入步骤303；

步骤303、所述多波束天线根据响应DSRC信号计算车载电子标签（OBU）的位置；

所述多波束天线根据响应信号确定车载电子标签相对于所述多波束天线的角度偏移，结合所述多波束天线的位置，确定车载电子标签的位置。

如果检测到的OBU位置处于本车道有效通信区域内，则进入步骤304；否则转到步骤302，继续检测车载电子标签的上行DSRC响应信号；

步骤304、所述多波束天线与检测到的本车道有效通信区域内的车载电子标签进行ETC交易通信；交易时天线发射定向下行波束，该定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内，如图2中虚线椭圆所示。

如果天线同时检测到有两辆车在本车道，则同时与这两辆车进行通信，由于多波束天线能够进行高速数据处理和波束成形，所以两个车辆安装的车载电子标签与车道天线通信时互不影响。如图2中，车辆201和202同时进入多波束天线的通信区域时，多波束天线实时检测车载电子标签的位置，并发射相应的定向波束信号。

车道天线与车载电子标签进行ETC交易时，有多次DSRC通信数据帧，多波束天线每次收到上行数据帧时都检测车载电子标签的位置，并根据检测到的车载电子标签位置动态自适应调整相应的下行数据的通信子区域，可实现实时位置跟踪和精确定向通信，从而有效地解决邻道干扰和跟车干扰问题。

本发明实施例中，多波束天线将道路收费断面划分多个相互独立的通信子区域，以空分复用的方式解决多个OBU的并发交易的问题，通信区域内多个车载电子标签同时发射的信号可在天线不同的通信子区域（波束群）内无干扰地被同时接收。总之，本发明实施例提出的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，以多波束天线为核心设备，利用波束成形技术，可以调整ETC交易的有效通信区域，实时检测ETC车道的OBU精确位置并发射定向下行波束，以空分复用的方式实现与多个车载电子标签的并发通信，从而提高车道通行速度，同时避免ETC车道车辆跟车干扰和邻道干扰。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多波束天线的电子不停车收费ETC车道防干扰的方法，其特征在于，包括：

多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测；

所述多波束天线检测到多个车载电子标签在所述通信区域内时，向所述多个车载电子标签中每一车载电子标签发射定向下行波束，向各车载电子标签发射的定向下行波束分别形成一个相互独立且小于所述通信区域的通信子区域，以空分复用的方式实现与所述多个车载电子标签的并发通信。

2.如权利要求1所述的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其特征在于，多波束天线对所在车道天线通信区域内的车载电子标签进行信号和位置检测，包括：

所述多波束天线向所述通信区域内发射周期性的下行唤醒信号和交易数据信号；

所述多波束天线接收车载电子标签返回的响应信号，根据交易过程中车载电子标签的响应信号实时获得车载电子标签的位置；

所述多波束天线根据车载电子标签的位置确定车载电子标签位于所述通信区域内时，确定检测到车载电子标签在所述通信区域内。

3.如权利要求2所述的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其特征在于，所述多波束天线采用沿车道纵向和横向具有多波束的相控阵或数字波束成形DBF天线，所述多波束天线根据上行响应信号确定车载电子标签的位置，包括：

所述多波束天线根据上行响应信号确定车载电子标签相对于所述多波束天线的角度偏移，结合所述多波束天线的位置，确定车载电子标签的位置。

4.如权利要求3所述的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其特征在于，所述多波束天线利用空分方式在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的通信子区域，根据交易时序要求分别独立地向对应位置的车载电子标签发射携带专用数据帧的定向下行波束；同时，下行波束的通信区域依据电子标签的位置自适应地动态调整。

5.如权利要求3所述的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其特征在于，所述多波束天线全时、全区域覆盖所述通信区域，在互不重叠的、与车载电子标签位置对应的多个通信子区域，无扰接收对应位置的车载电子标签发射的信号。

6.如权利要求3所述的基于多波束天线的ETC车道防干扰的方法，其特征在于，所述定向下行波束的发射区域为：以目标车载电子标签的当前位置为中心，沿车道纵向正负2米至3米、横向正负1米的长方形内。

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