CN100580713C - 基于无线局域网的电子不停车收费系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WLAN的电子不停车收费系统实现方案。该电子不停车收费系统包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中车载设备和路边设备之间通过无线局域网协议确定的要求进行通信。本发明所提供的电子不停车收费系统采用多种技术手段，有效克服了WLAN技术不适合于电子不停车收费系统的技术偏见。与现有技术相比较，本电子不停车收费系统具有低成本、高效率、功能完备、性能指标优良的特点，因此对于电子不停车收费系统的推广应用以及行业技术进步具有重要的意义。

Description

基于无线局域网的电子不停车收费系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于公路或城市道路的电子不停车收费系统(ETC)，尤其涉及一种基于无线局域网(WLAN)技术实现的电子不停车收费系统，同时也涉及实现该系统的方法。本发明属于智能交通(简称ITS)技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，不断增长的汽车保有量与有限的道路面积的矛盾日益突出。为了解决这一矛盾，除了大力修建道路之外，提高现有道路的利用效率也是重要的一环。在这一背景下，智能交通系统日益成为当今世界研究发展的热点。

电子不停车收费系统及其技术是智能交通系统的重要组成部分。它是解决收费道路上交通拥挤、堵塞和其它弊端，提高现有道路运行安全和效率的重要技术手段。ETC系统特别适合在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。利用该系统，可以在不停车的情况下实施收费，并可以允许车辆高速通过，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；由于通行能力得到大幅度的提高，所以可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。据有关研究显示，若采用ETC系统可使现有收费道路通行能力提高4～5倍，这样就可节省大量的人力、物力和财力。据有关机构统计，我国仅广州地区每年由此可节省的停车等待交费时所损失的汽油费就超过亿元。

人们在ETC领域已经进行了很多的研究工作，例如中国发明专利ZL99118307.X公开了一种收费系统。该系统通过在一个装在车辆上且加装有一个IC卡的车载单元与安装在收费处的装置之间进行无线通信的方法来收取过路费。该收费处的装置通过无线通信向车载单元发送表示了安装在下一级的无线通信装置的有无或数量，在对收费处装置的所有无线通信装置执行了通信之后，在IC卡上进行写处理。另外，发明专利申请03145082.2公开了一种收费公路上的卡处理系统与卡处理方法。该收费系统包括：卡处理器，设置在收费亭内，用于进行收费处理，而且具有通过与IC卡无线通信进行卡处理的天线单元；天线单元，设置在收费亭的左侧路边和右侧路边，通过与IC卡无线通信进行卡处理；车辆类型鉴别器，用于识别进入行车道的车辆的类型；以及行车道控制器，用于根据识别的车辆类型选择天线单元进行卡处理并控制卡处理。类似的专利或专利申请还有一些。但是，这些现有的ETC系统所采用的无线通信技术普遍为微波非接触式ID卡识别技术，即是将射频识别技术(RFID)应用于ETC系统中。然而，这种微波非接触式ID卡识别系统的成本很高，特别是路边设备(RSE)，现在价格为几十万元人民币，整个系统的成本更是达到上百万元人民币。由此可见，成本问题将成为制约现有ETC系统发展及大规模推广应用的重要瓶颈。

另一方面，随着通信技术的发展，无线局域网(WLAN)技术逐渐成熟起来。WLAN是指采用无线介质传输的计算机局域网，采用的标准是IEEE802.11系列。WLAN可以在中、短程的范围内，为移动或半移动的用户提供高效、优质、低成本的宽带接入服务。与射频识别技术相比，WLAN技术具有安装简单、建设周期短，成本低的突出优点。但是，WLAN技术主要应用于50m～100m范围内的无线局域网互联，网络终端都处于静止或者低速移动(5km/h以下)的状态。而在ETC系统中，移动终端的运动速度一般都在30km/h以上。因此，WLAN技术被普遍认为不适合用在ETC系统中。现有的ETC系统中没有采用WLAN技术进行无线通信的先例。

发明内容

本发明的目的是努力克服上述的技术偏见，提供一种基于WLAN的ETC系统实现方案，即在ETC系统中，采用WLAN芯片及技术来代替相应的射频识别技术。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种电子不停车收费系统，包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中所述车载设备安装在车辆上，多个所述路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理路边设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心；其特征在于：

所述车载设备上安装有无线网卡，所述路边设备上安装有无线网卡和无线接入点，所述车载设备和路边设备通过所述无线网卡和无线接入点进行无线通信；

所述车载设备通过无线网卡利用无线局域网标准协议与路边设备的无线接入点通信。

较佳地，所述无线局域网协议包括但不限于IEEE802.11协议。

较佳地，所述车载设备包含车载单元和外部组件，其中车载单元包括无线网卡、电源单元、系统接口单元，系统接口单元用于存储车辆数据信息并与存储卡读写器连接，所述外部组件包括用于存储用户数据的存储卡介质、人机接口、存储卡读写器，所述车载单元和外部组件相互交换数据。

较佳地，所述车载单元的无线网卡包括基带处理单元、射频处理单元和天馈单元；其中所述电源单元与系统接口单元分别连接基带处理单元，系统接口单元从外部组件获取数据之后，传送至基带处理单元，基带处理单元再将处理后的数据传送至射频处理单元，并经由天馈单元对外输出。

较佳地，所述射频处理单元中还具有一个变频器。

较佳地，所述无线接入点采用定向天线。

较佳地，所述定向天线的波束宽度中的水平方向角度限于一条车道的宽度。

一种实现电子不停车收费系统的方法，该电子不停车收费系统包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中路边设备有多个；所述车载设备安装在车辆上，多个路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理车载设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心，其特征在于：

所述车载设备和所述路边设备之间通过无线局域网协议进行通信。

较佳地，所述无线局域网协议包括但不限于IEEE802.11协议。

较佳地，在所述路边设备和车载设备进行通信的过程中，对基带信号采用正交频分复用与二进制移相键控相结合的调制方式。

较佳地，所述基带信号处理过程中，首先利用多个子载波对经过二进制移相键控调制处理的基带信号进行正交频分复用扩频处理，然后进入射频部分；在射频部分，对处理后的基带信号进行变频处理，然后发射出去。

较佳地，所述变频处理过程中，将所述基带信号的频率调制为5.8GHz。

较佳地，在所述路边设备和车载设备进行通信的过程中，MAC层基于载波监听多路访问/冲突避免协议进行通信。

较佳地，所述载波监听多路访问/冲突避免协议中，给每个结点都指定一个特定的竞争时间片，每个结点在其对应的时间片内如有信息发送则可以启动传输，其他结点检测到信息传输后，停止时间片的推进，直到传输结束所有结点才恢复推进时间片。

较佳地，所述载波监听多路访问/冲突避免协议协议中，接入该无线局域网的在时间顺序上靠前的第一个结点的竞争时间片自动变换成一个优先时间片，让其优先于其他时间片，优先传输时间顺序上靠前的第一个结点的信息。

一种用于电子不停车收费系统中的无线接入点天线，该电子不停车收费系统包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中路边设备有多个；所述车载设备安装在车辆上，多个路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理车载设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心，其特征在于：

所述无线接入点天线为收发共用定向天线。

较佳地，所述天线的波束宽度在水平方向不大于5度。

较佳地，所述天线的波束宽度在垂直方向为10度至30度之间。

本发明所提供的基于WLAN的ETC系统采用多种技术手段，有效克服了WLAN技术不适合于ETC系统的技术偏见。与现有采用射频设别技术的ETC系统相比较，本ETC系统具有低成本、高效率(高信息传输速率及高工作效率)、功能完备、性能指标优良的特点，因此对于ETC系统的推广应用以及行业技术进步具有重要的意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本发明所述的基于WLAN的ETC系统的逻辑架构图。

图2为车载设备OBE的原理结构框图。

图3为车载单元OBU的具体结构示意图。

图4为车载单元OBU的信号接收的工作原理图。

图5为路边设备RSE的原理结构框图。

图6为路边单元RSU的结构框图。

图7为路边单元RSU的信号发送的工作原理图。

图8为多址接入车道控制系统(MACCS)的组成示意图。

图9显示了收费结算中心(TBC)和收费清算中心(TRC)进行账务处理的一般过程。

图10为本发明所述的ETC系统的工作过程示意图。

具体实施方式

与现有ETC系统的基本架构一样，本发明所述的基于WLAN的ETC系统也包括如下的基本功能模块：车载设备(OBE)、路边设备(RSE)、多址接入车道控制系统(MACCS)、收费结算中心(TBC)以及收费清算中心(TRC)，其逻辑框架图如图1所示。其中路边设备有多个，路边单元分布在车道的两侧，无线接入点AP安装在道路的上空。车载设备安装在车辆上，以无线方式与路边设备交换数据。多个路边设备分别接入多址接入车道控制系统。该多址接入车道控制系统是整个ETC系统的控制核心。它通过读取并处理车载设备上传的有关数据，判断是何种车辆经过本收费站，并将该处理信息传送给收费结算中心。收费结算中心与收费清算中心进行连接，由收费清算中心对有关费用进行最终的清算处理。

下面，分别对上述的各功能模块的结构和功能予以说明。

车载设备(OBE)的作用在于发送或者接收信息，包括接收当前付费信息或交易状态信息、获取广播信息、向路边单元发送信息。在本发明中，与现有ETC系统中使用的车载设备不同，该车载设备不是将所有的单元集成于一体，而是采用了分布式的结构，包含车载单元(OBU)和外部组件两个部分：其中OBU用于存储车辆数据信息，包括车辆存在、定位、车牌、车型以及车辆唯一识别码等；外部组件则包括用于存储用户信息(含资金)的外部存储卡介质、人机接口(如显示器、键盘、声音、LED等)、存储卡读写器。这两部分相互交换数据，其具体的原理结构框图可以参见图2。

车载单元(OBU)的具体结构如图3所示，包括基带处理单元、射频处理单元、天馈单元、电源单元、系统接口单元。其中电源单元与系统接口单元分别连接基带处理单元。系统接口单元获取数据之后，传送至基带处理单元，基带处理单元再将处理后的数据传送至射频处理单元，并经由天馈单元对外输出。该车载单元的作用在于获取外部组件中存储的用户信息，与路边单元(RSU)之间相互通信，以交换相关协议数据、车辆分类数据、电子钱包或者记账数据等数据信息。与现有的ETC系统不同，它们之间的通信遵循无线局域网(WLAN)所采用的国际标准协议CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)协议的规定。关于这一点，下面还有进一步的说明。基带处理单元、射频处理单元以及天馈单元组成无线网卡，分别安装于OBU和RSU内，即在OBU和RSU上各安装一块无线网卡。无线接入点(AP)是保证OBU和RSU之间实现相互通信的连接装置，但被包含在RSE内，即RSU发出射频信号，必须经过AP才能被在AP工作范围内的OBU接收；OBU的反馈信号也必须通过AP，才能被RSU接收。

图4为上述车载单元OBU的信号接收的工作原理图。如图所示，在射频信号处理部分，天线接收到无线接入点(AP)的信号之后，经过带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA)之后，接入一个混频器。另一方面，晶振产生的振荡信号经合成器之后接入该混频器，混合后的信号经过另一个BPF之后接入一个四元组中频调节器。而晶振产生的另外一路振荡信号也经过合成器之后接入该四元组中频调节器。以上就是射频信号处理部分的信号处理过程。在基带信号处理部分，上述的射频信号采用正交频分复用(OFDM)与二进制移相键控(BPSK)相结合的处理方式，即由正交频分复用基带信号处理器，采用BPSK方式对信号进行调制，进行相关处理之后，输出的数据经系统接口单元解码后输出给外部组件。外部组件根据接收到的数据将存储的相关用户数据反馈给系统接口单元，之后，连同系统接口单元中存储的车辆数据信息经上述相反的信号处理过程，由天线发射出去。

图5为路边设备RSE的原理结构框图。在本发明中，与现有ETC系统中使用的路边设备不同，该路边设备无需铺设地下传感器以确定是否有移动终端通过，而是采用了分布式的结构，包含无线接入点(AP)和路边单元(RSU)两个部分。无线接入点(AP)是保证OBU和RSU之间实现相互通信的连接装置，即RSU发出射频信号，必须经过AP才能被在AP工作范围内的OBU接收，然后OBU发射的信号也必须通过AP，才能被RSU接收。图6为路边单元RSU的结构框图。如图6所示，天馈单元、射频处理单元以及基带处理单元实现的功能与图3中OBU的天馈单元、射频处理单元以及基带处理单元的功能相同，但是实现的过程却刚好相反；电源单元则为整个RSU供电；系统接口单元包括编码器及硬件接口，从硬件接口输入的数据流经系统接口单元编码器处理之后，再传输给RSU中的基带处理单元。该路边单元RSU为收费站点设备的一个组成部分，用于与车载单元(OBU)之间相互通信。每一个车道均安放一个路边单元(RSU)，以读取各自相应车道上的车载设备中的车辆存在、定位、车牌、车型以及车辆唯一识别码等信息以及外部存储卡介质中的用户信息(如资金)，并把所获取的信息提交给多址接入车道控制系统(MACCS)进行处理。图7是该路边单元RSU的信号发送的工作原理图。从电路组成上看，路边单元RSU和车载单元OBU的内部结构是完全一样的，所不同的地方仅仅在于信号的流向正相反，故在此就不赘述了。

下面介绍收费站点设备的主体部分-多址接入车道控制系统(MACCS)。该系统用于对各个车道上的RSU提交的各种数据信息进行处理，然后再把收费信息提交给收费结算中心(TBC)进行结算。如图8所示，其包含如下子功能模块：信息处理控制单元(IPCU)、自动车型分类单元(AVCU)、车辆轨迹跟踪单元(VTTU)、车牌识别单元(VDU)以及违章抓拍单元(PSU)。其中，来自各个路边单元(RSU)的数据信息(车辆存在、定位、车牌、车型和车辆唯一识别码以及外部存储卡介质中的用户信息(如资金)等)直接被传送进入多址接入车道控制系统(MACCS)中的信息处理控制单元(IPCU)进行分类、存储；同时，自动车型分类单元(AVCU)中的每个车道上的车型分类传感器组对通行车辆的车型进行自动识别确认，并把得到的数据信息传送到对应的数据信息处理模块，然后由该数据信息处理模块将搜集到的车辆车型信息传送给信息处理控制单元(IPCU)；车辆轨迹跟踪单元(VTTU)中的每个车道上的轨迹跟踪检测器组对通行车辆的行驶轨迹进行自动跟踪识别，并把得到的数据信息传送到对应的数据信息处理模块，然后由该数据信息处理模块将搜集到的车辆行驶轨迹信息传送给信息处理控制单元(IPCU)；车牌识别单元(VDU)中的每个车道上的抓拍摄像机组对通行车辆的车牌进行自动抓拍确认，并把得到的数据信息传送到对应的数据信息处理模块，然后由该数据信息处理模块将搜集到的车牌信息传送给信息处理控制单元(IPCU)；如果通行车辆违章，则违章抓拍单元(PSU)中的每个车道上的抓拍摄像机组将对通行车辆进行实时自动抓拍确认，并把得到的数据信息传送到对应的数据信息处理模块，然后由该数据信息处理模块将搜集到的车辆行驶轨迹信息传送给信息处理控制单元(IPCU)；之后，IPCU将分别从AVCU、VTTU、VDU及PSU中获取的数据信息进行分类、整理、存储，然后，把这些数据信息与来自相应RSU的对应数据信息进行比较识别，即对通行车辆的车型、车牌、行驶轨迹进行一一核实。从而，能够可靠地判断、识别、验证该通行车辆的固有身份是否真实有效，同时有效地防止通行车辆的违章行为。在该项核实工作完成之后，IPCU将通行车辆的唯一识别码、外部存储卡介质中的用户信息(如资金)以及违章处罚的数据信息(罚金)(若存在违章行为)一起传送给收费结算中心(TBC)，由收费结算中心(TBC)进行相应的数据信息处理。

图9显示了收费结算中心(TBC)和收费清算中心(TRC)进行账务处理的一般过程。

收费结算中心(TBC)也是收费站点设备的一个组成部分，它本质上是一个后台计算机处理系统，负责对通行车辆使用ETC系统后产生的数据进行认证、统计、结算，并产生划账指令的实体。来自IPCU的数据信息(通行车辆的唯一识别码、外部存储卡介质中的用户信息如资金以及违章处罚的数据信息如罚金)被传送到后台计算机处理系统之后，收费结算中心(TBC)对通行车辆的唯一识别码进行识别确认以读取该通行车辆的身份信息，然后产生该通行车辆本次应缴纳的收费数据信息(包含因发生违章行为而产生的处罚收费数据信息)，然后连同外部存储卡介质中的用户信息如资金等一同提交给远程的收费清算中心(TRC)，进行相应的收费。

收费清算中心是一个远程数据信息处理终端，负责进行资金、账务清算的实体，例如银行等金融机构。来自收费结算中心(TBC)的数据信息以及外部存储卡介质中的用户信息如资金等连同结算后直接形成的划账指令被传送到收费清算中心(TRC)之后，收费清算中心(TRC)便进行账务的划拨，完成账务的划拨过程之后，收费清算中心(TRC)便向收费结算中心(TBC)发送账务已经清算的反馈信息。

上面对本发明所述的基于WLAN的ETC系统的具体组成和工作原理进行了简要的说明。下面再详细介绍在将适合于低速移动环境下的WLAN技术应用到ETC系统中时主要的技术难题及相应的解决方案。

目前，WLAN技术已经非常成熟，相关的技术标准已被广泛认可。其主要是针对户内无线局域网及户外低速(小于10km/h)移动终端的无线接入场合，可以提供数据传输速率达到11Mbps以上的高速通信，但其不支持高速移动性。因此，针对户外高速(高于10km/h)移动的终端，由WLAN技术来提供无线接入被认为是不适合的。针对这一问题，本发明的基本解决思路在于鉴于ETC系统对数据传输速率的要求不是很高(低于1Mbps)，因此，可以以牺牲通信有效性为代价来换取可靠性、工作距离、成本方面的利益。

具体而言，有关的改进工作体现在以下几个方面。

1.在路边单元RSU和车载单元OBU的通信过程中，采用正交频分复用(OFDM)和二进制移相键控(BPSK)相结合的调制方式

在ETC系统中，为保证信号的正常通信，对于基带芯片的处理和射频模块的处理都至关重要。由于原有WLAN芯片的基本模块已经集成，因此将其应用于ETC系统时需要对其进行局部改进，采用新的编码方式、调整数据调制方式。

具体而言，本发明在OBU和RSU中的进行基带信号处理的芯片上，不使用通常采用的DSSS(直接序列扩频)扩频方式，而是采用正交频分复用(OFDM)和二进制移相键控(BPSK)相结合的方式。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，它的基本思想在于在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由于采用正交频率的概念来区分不同的载波支路，因此允许各个载波频段相互重叠，从而显著提高了频谱利用率。BPSK也是一种常用的数字信号调制方式，广泛用于卫星、微波通信、广播电视等诸多领域。例如在现有ETC系统中，上行数据即采用BPSK方式加以处理。

在本发明中，RSU和OBU进行通信时，首先利用52个子载波对经过BPSK调制处理的基带信号进行OFDM扩频处理，此时OFDM符号的每个子载波上均是采用BPSK调制方式，其中4个用于传送导频信号以用于实现信道跟踪和同步。每个OFDM符号的总长度为4μs，其中包括保护间隔的长度0.8μs。然后进入射频部分；在射频信号处理部分，增加了一个变频器，并通过一次变频将基带信号调制到5.8GHz频段，而后经过混频及功率放大器处理，然后由天馈单元发射出去。该射频信号经RSE中无线接入点AP的桥接被接收。这里之所以要调制到5.8GHz是因为现行ETC系统国家标准所规定的通信频段为5.795-5.815GHz。

2.设计基于WLAN技术的收发一体的天线

在移动通信技术中，天线的设计占据重要的位置。特别是在将主要适用于低速环境下的WLAN技术应用于高速环境下的ETC系统时，现有的天线技术并不能直接采用。为了保证ETC系统中OBU和RSU之间的可靠稳定通信，本发明人对实际物理信道进行详细正确的估计，建立正确的信道模型；并考虑信道中各种衰落、效应以及移动终端的速度等多种因素的影响；对上下行链路功率损耗进行计算分析，确定整个ETC系统的信道容量和系统容量，从而提出明确的天线的设计和性能参数指标，再进行天线的制作加工工作。

下面，以设计一个符合802.11a标准的AP(Acess Point，接入点)定向天线为例，对天线的具体设计方案及相关论证过程予以详细的说明。

首先，需要确定设计相关的信道模型。因为ETC系统通信的物理信道环境多为平坦宽阔的公路，两边的遮挡物很少，因此，进行准确的信道估计不是特别复杂，可以参考一些经典的户外信道模型并结合对ETC系统实际物理信道的信道估计的成果来建立符合ETC系统的信道模型，然后，据此计算分析ETC系统上下行链路的功率损耗。在本实施例中，我们选定经典的双径模型作为应用于此项目的信道模型，并且由此计算出路径损耗。

为了使802.11a芯片组(工作频段为5.725～5.825GHz)在ETC系统中应用(工作频段为5.795～5.815GHz)，需要把原来利用802.11a标准的AP的全向天线改变成为收发共用定向天线，以适应ETC系统实际应用的要求。

在此提出的主要技术指标为：

a)中心频率：5.775GHz，带宽100MHz

b)极化方式：水平极化

c)VSWR：≤1.5

d)输入阻抗：50Ω，N型插座

e)波束宽度(从天线设计角度考虑，波束宽度(半功率)＝(35～65)×波长/天线口径尺寸)：

水平方向：不大于5度

垂直方向：10度～30度

f)收发增益：12dBi左右

上述参数中，仅仅需要对定向天线的波束宽度进行一下详细的讨论。在我们所考虑应用的实际ETC系统中，路况是这样的：AP有效作用距离50m，AP安置高度为距地面4m，道路宽度4m，信息交易距离一般在10m～25m(就是指完成一个完整的通信业务时，移动终端行进的距离)，因此，经过计算，可知，定向天线的波束宽度，水平方向为30度角，有些大(因为如果波束很宽，那么一条车道一根天线的目标就无法达到，因为此时，不同车道的AP上的定向天线会和不属于自己车道上的无线网卡通信，从而发生额外的不希望出现的交易，同时，由于不同AP发射的信号彼此相互干扰非常恶劣，这也会大大影响各个车道的通信质量)，实际中应该控制在5度左右为宜，而垂直方向10度角左右是合理的，因此，在我们所提出的802.11a天线参数的要求中，需要把定向天线的波束宽度中的水平方向30度角改成5度角，而垂直方向10度角保持不变，从而使波束宽度限于一条车道宽度。

上述波束宽度的具体计算、分析过程，如下所述：

垂直方向：如果是10度，则进行交易的路程长度为：50-(4/(tan100))＝27.315m，符合信息交易距离一般在10m～25m范围的应用系统要求；如果是50，则进行交易的路程长度为：50-(4/(tan50))＝4.2798m，不符合信息交易距离一般在10m～25m范围的应用系统要求；如果是15度，则进行交易的路程长度为：50-(4/(tan150))＝35.0718m，符合信息交易距离一般在10m～25m范围的应用系统要求；如果是30度，则进行交易的路程长度为：50-(4/(tan300))＝43.0718m，符合信息交易距离一般在10m～25m范围的应用系统要求；因此可知，垂直方向至少10度角符合应用系统要求，但同时也应小于30度，以防止波束过宽而产生不必要的AP发射信号功率的消耗；

水平方向：分别取3度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、40度，则进行交易的路程长度分别为：

50-(2/(tan30))＝11.84m；

50-(2/(tan50))＝27.14m；

50-(2/(tan100))＝38.66m；

50-(2/(tan150))＝42.54m；

50-(2/(tan200))＝44.51m；

50-(2/(tan250))＝45.71m；

50-(2/(tan300))＝46.54m；

50-(2/(tan350))＝47.14m；

50-(2/(tan400))＝47.62m；

由于ETC系统一般要求一条车道一根天线，因此，水平方向的波束宽度不能太大(即辐射信号能量的扩展角度不能太大)，又根据信息交易距离一般在10m～25m范围的应用系统要求，因此，我们考虑确定，定向天线的波束宽度在水平方向的角度应取为3度～10度的范围，而5度的时候应该是最合适的。

下一步的工作是进行传输信道上下行链路的估算。这里需要查询所使用的AP芯片的相关参数和无线网卡的终端参数，在此从略。

根据AP芯片和无线网卡的有关参数，就可以估算在自由空间传播时，上行链路和下行链路的功率电平情况。

自由空间损耗：

L_fs＝92.4478+20lgf+20lgd(距离d为0.05km，频率f为5.8GHz)

    ＝92.4478+15.27-26.02

    ＝81.6978dB

解调门限估计和扩频增益计算(E_b/N_c+[PG]+[PD])：

由式PRmin＝[Eb/Nc]+[K]+[PG]+[PD]+[T]+[NF]

其中：Eb/Nc  归一化信噪比

K波尔兹曼常数为-228.6dB

T系统噪声温度，取为328°K(25.16dB)

NF接收机噪声系数，取为5dB

PG为扩频增益

PD为OFDM增益

接收灵敏度在1Mbps下为-94dBm，即为-124dBW(BPSK 8％PRE)，把上述参数代入，可得，

解调门限估计和扩频增益(E_b/N_c+[PG]+[PD])为74.44dB

对于发射链路，由公式：

PT＝[PR]-[GT]-[GR]+[Lfs]+[SM]

式中：PR接收灵敏度，取为-124dBW(BPSK 8％PRE)

GT发射天线的增益0dB

GR接收天线的增益0dB

Lfs自由空间传播损耗81.6978dB

SM系统余量

已知发射功率为15dBm±2dBm将各数值代入上式后，计算出：

15±2＝-124-0-0+81.6978+SM

因此：原有系统的余量估算为：SM＝57.3022±2

对于接收链路，由公式：

PR＝[PT]+[GT]+[GR]-[Lfs]-[SM]

式中：发射功率PT为15dBm±2dBm

GT发射天线的增益0dB

GR接收天线的增益0dB

Lfs自由空间传播损耗81.6978dB

SM系统余量

已知PR接收灵敏度，取为-124dBW(BPSK 8％PRE)，将各数值代入上式后，计算出：

-124＝15±2+0+0-81.6978-SM

因此：原有系统的余量估算为：SM＝57.3022±2

需要说明的是，上述计算是针对原有单个AP加上无线网卡的估计，对应的工作情况是1Mbps BPSK 8％PRE -94dBm。

为了降低误码率，在1Mbps BPSK传输条件下，系统所需余量将大大增加，但肯定满足系统要求。

如果把AP全向天线换成上面所提出的定向天线，那么在实际工作环境下，增加了发射天线增益和接收天线增益，在其他指标不变的前提下，即使增加一倍的距离，即无线AP实际工作距离为100m，则自由空间损耗也仅仅只增加6dB，接收灵敏度仍然不会下降，系统的链路预算完全能够满足收发信号的功率要求。

在把全向天线换成定向天线后，如果工作条件仍然为1Mbps BPSK 8％PRE -94dBm，则当无线AP的作用距离有所增加时，无线局域网仍能正常工作，不会影响上述实验得出的初步结论。

由上述计算可知，对于定向天线而言，对其增益的量要求不大，因此不必要求天线有非常高的增益(大于15dBi)。

下面进一步讨论采用定向天线时的AP和无线网卡组成的无线局域网的容量问题：

因为将802.11a芯片组应用于ETC系统，所以，数据传输速率不需要很高，只要1Mbps即可，因此，我们选定工作情况为1Mbps BPSK 8％PRE-94dBm。

由上述收发链路功率计算可知，系统余量为SM＝57.3022±2dB。对一般路况而言，多径效应的损耗大约30dB，因此，去掉这部分，可得系统所剩余量为：

SM＝57.3022±2-30＝27.3022±2dB，

再加上解调门限估计和扩频增益(E_b/N_c+[PG]+[PD])的量74.44dB，可得总的系统功率余量为：

SM＝27.3022±2+74.44＝101.7422dB

于是，因为采用BPSK调制方式，所以可得系统实现的BRE与SNR的关系式如下：

$P_e=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\mathrm{SNR}}\right),$

通信系统针对可靠性的标准的性能指标要求为BER＜10^-3、BER＜10^-6。于是，我们分别取P_e＝10^-3、10^-6，可得到SNR的相应值，分别如下：

P_e＝10^-3：SNR＝4.7961＝6.81dB；

P_e＝10^-6：SNR＝10.89＝10.37dB；

因此可知，如果想保证系统中每个用户的通信BER低于10^-3或者10^-6性能指标要求，则每个用户需要达到的输出信噪比SNR应分别取6.81dB或者10.37dB，即，当系统每个用户的BER性能指标定为10^-3或者10^-6时，每个用户需要消耗6.81dB或者10.37dB。又由于总的系统功率余量为101.7422dB，因此可得系统容量的结果如下：

P_e＝10^-3：101.7422/6.81＝14.94    可得：系统容量为14

P_e＝10^-6：101.7422/10.37＝9.81    可得：系统容量为9

通过上述的计算和分析可知，只要对天线进行必要的改装，将WLAN技术应用于以ETC为代表的高速移动场合是完全可行的。

3.在MAC层中采用CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)协议进行通信

本发明中，不是简单地将WLAN的有关技术直接应用到ETC系统中，而是针对ETC系统高速移动的特点，对WLAN中的相关技术作必要的改造。以求一方面可以降低成本，另一方面可以更好地满足ETC系统特点及各项性能指标要求的需要。在本发明中所述的由OBU和RSU中的无线网卡以及RSE中的AP构成的无线局域网中，结点(指路边设备和车载设备)必须检测到网络空闲之后才能发送信息，如果有两个或者更多的结点发生冲突，便在网络上启动一个阻塞信号通知所有冲突结点，同步结点时钟，启动竞争时间片(竞争时间片跟随在阻塞信号之后，其长度比沿网络环路传输时延稍长)，利用竞争时间片来避免结点冲突。

与现有的绝大多数ETC系统采用专用短程无线通信协议(DSRC协议)不同；我们设计的ETC系统将采用以CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)协议为基础。该协议结合ETC系统对移动终端的移动速度要求较高(大于40km/h)这一特点，对原有的CSMA/CA协议进行相应的改进，以通过缩短通信时间的方式来降低对移动速度的要求。具体而言，由于ETC系统每条接入车道中容纳的车辆数量有限，即由每条接入车道上的OBU和RSU中的无线网卡以及RSE中的AP构成的无线局域网的结点数量有限，因此，我们没有采用根据冲突最少的原则随机调整时间片的分配方式，而是给每个结点都指定一个特定的竞争时间片，每个结点在其对应的时间片内如有信息发送则可以启动传输，其他结点检测到信息传输后，停止时间片的推进，直到传输结束所有结点才恢复推进时间片，从而实现结点冲突的避免。而且，为了进一步缩短通信时间，我们将接入该无线局域网的在时间顺序上靠前的第一个结点的竞争时间片自动变换成一个优先时间片(priority slots)，以至于让其优先于其他普通时间片的推进，从而支持在时间顺序上靠前的第一个结点的优先传输信息进行通信。当所有时间片都失去作用时，网络进入空闲状态。并且为了确保公平性和可确定性，在每次传输之后，时间片要循环。

表1为本基于WLAN技术的ETC系统与现有ETC系统在PHY层和MAC层上的对比表。通过该表可以详细了解在本ETC系统中采用的MAC层协议的基本情况。

上面介绍了本发明所述的基于WLAN的ETC系统的基本组成和具体技术实现方案。下面进一步介绍本ETC系统的工作过程。

本发明所提供的ETC系统可以提供稳定可靠的无线通信链路(≥500kbps)；并实现一定移动速度下的不停车收费(≥40km/h)；同时进行计费和结算服务；并在交易失败后可以提供补救措施。其具体的工作过程如图10所示，包括如下步骤：

1.带有车载设备(OBE)的通行车辆驶入ETC系统多车道中的一个，并进入该车道RSE的AP上定向天线的识别范围(沿车道方向距AP上定向天线50m的前后100m长度及沿车道垂直方向距AP上定向天线2m的左右4m宽度范围)；当通行车辆距前方AP定向天线50m时，路边单元(RSU)、信息处理控制单元(IPCU)、自动车型分类单元(AVCU)、车辆轨迹跟踪单元(VTTU)、车牌识别单元(VDU)以及违章抓拍单元(PSU)均同时启动；

2.当通行车辆距RSE的AP定向天线50m范围内时，RSU启动进入工作状态，通过定向天线发射射频识别读取信号，与通行车辆上的OBE建立通信，获取车辆存在、定位、车牌、车型以及车辆唯一识别码等信息以及外部存储卡介质中的用户信息(如资金)；然后并把所得到的数据信息提交给多址接入车道控制系统(MACCS)中的数据信息处理控制单元(IPCU)；

同步地，当通行车辆距RSE的AP定向天线50m左右时，AVCU中的车型分类传感器组启动进入工作状态，采集通行车辆的车型信息并传送给数据信息处理模块，然后再由数据信息处理模块发送给IPCU；

同步地，当通行车辆距RSE的AP定向天线50m时，VTTU中的轨迹跟踪检测器组启动进入工作状态，采集通行车辆的行驶轨迹信息并传送给数据信息处理模块，然后再由数据信息处理模块发送给IPCU；

同步地，当通行车辆距RSE的AP定向天线50m时，VDU中的抓拍摄像机组启动进入工作状态，采集通行车辆的车牌信息并传送给数据信息处理模块，然后再由数据信息处理模块发送给IPCU；

同步地，当通行车辆距RSE的AP定向天线50m时，PSU中的抓拍摄像机组也将启动进入待命状态，当通行车辆在使用ETC系统过程中出现违章行为(如行车轨迹由一个车道行驶到另一条车道、强行闯关而拒绝付费或者存储卡中的资金不足等)时，MACCS中的IPCU便向PSU发出启动指令，PSU接到启动指令之后便从待命状态转为工作状态，实时对通行车辆进行抓拍，然后把包含车牌在内的整个通行车辆的完整图片信息传送给数据信息处理模块，然后再由数据信息处理模块发送给IPCU；

3.MACCS中的IPCU对从RSU得到的数据信息与从AVCU、VTTU、VDU以及PSU中得到的数据信息分类整理，并且进行比较识别，即核实通行车辆的车牌、车型及行驶轨迹，确认该通行车辆的真实身份以及行驶情况(防止通行车辆的违章驾驶)；之后，将通行车辆的唯一识别码、外部存储卡介质中的用户信息(如资金)以及违章处罚的数据信息(罚金)(若存在违章行为)一起传送给后台计算机处理系统，即收费结算中心(TBC)；

4.获得来自IPCU提交的数据信息(通行车辆的唯一识别码、外部存储卡介质中的用户信息(如资金)以及违章处罚的数据信息(罚金)(若存在违章行为))之后，收费结算中心(TBC)便进行相应的数据信息处理：收费结算中心(TBC)首先识别确认通行车辆的唯一识别码，之后读取该通行车辆的身份信息，然后产生该通行车辆本次应缴纳的收费数据信息(包含若发生违章行为而产生的处罚收费数据信息)，然后连同外部存储卡介质中的用户信息(如资金)一同提交给远程的收费清算中心(TRC)，进行相应的收费；

5.得到来自收费结算中心(TBC)的数据信息(即通行车辆本次应缴纳的收费数据信息(包含若发生违章行为而产生的处罚收费数据信息)以及外部存储卡介质中的用户信息(如资金))之后，根据TBC发出的结算后直接形成的划账指令，收费清算中心(TRC)便进行账务的划拨，完成账务的划拨过程之后，收费清算中心(TRC)便向收费结算中心(TBC)发送账务已经清算的反馈信息。

至此，通行车辆便完成了在本发明所提供的基于WLAN的ETC系统中进行不停车付费的一个完整过程。

以上通过本发明的特定实施例已经对本发明的内容做了详尽的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (15)

1.一种电子不停车收费系统，包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中所述车载设备安装在车辆上，多个所述路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理路边设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心；其特征在于：

所述车载设备包含车载单元和外部组件，其中车载单元包括第一无线网卡、电源单元、系统接口单元，系统接口单元用于存储车辆数据信息并与存储卡读写器连接，所述外部组件包括用于存储用户数据的存储卡介质、人机接口、存储卡读写器，所述车载单元和外部组件相互交换数据；

所述路边设备上安装有第二无线网卡和无线接入点；

所述车载设备和所述路边设备通过所述第一无线网卡、所述第二无线网卡和所述无线接入点进行无线通信。

2.如权利要求1所述的电子不停车收费系统，其特征在于：

所述无线通信使用的无线局域网协议包括但不限于IEEE802.11协议。

3.如权利要求1所述的电子不停车收费系统，其特征在于：

所述第一无线网卡包括基带处理单元、射频处理单元和天馈单元；其中所述电源单元与系统接口单元分别连接基带处理单元，系统接口单元从外部组件获取数据之后，传送至基带处理单元，基带处理单元再将处理后的数据传送至射频处理单元，并经由天馈单元对外输出。

4.如权利要求3所述的电子不停车收费系统，其特征在于：

所述射频处理单元中还具有一个变频器。

5.如权利要求1所述的电子不停车收费系统，其特征在于：

所述无线接入点采用定向天线。

6.如权利要求5所述的电子不停车收费系统，其特征在于：

所述定向天线的波束宽度中的水平方向角度限于一条车道的宽度。

7.一种实现如权利要求1所述的电子不停车收费系统的方法，该电子不停车收费系统包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中路边设备有多个；所述车载设备安装在车辆上，多个路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理车载设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心，其特征在于：

所述车载设备和所述路边设备之间通过无线局域网协议进行通信；

在所述路边设备和车载设备进行通信的过程中，对基带信号采用正交频分复用与二进制移相键控相结合的调制方式。

8.如权利要求7所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

所述无线局域网协议包括但不限于IEEE802.11协议。

9.如权利要求7所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

在基带信号处理过程中，首先利用多个子载波对经过二进制移相键控调制处理的基带信号进行正交频分复用扩频处理，然后进入射频部分；在射频部分，对处理后的基带信号进行变频处理，然后发射出去。

10.如权利要求9所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

所述变频处理过程中，将所述基带信号的频率调制为5.8GHz。

11.如权利要求7所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

在所述路边设备和车载设备进行通信的过程中，MAC层基于载波监听多路访问/冲突避免协议进行通信。

12.如权利要求11所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

所述载波监听多路访问/冲突避免协议中，给每个结点都指定一个特定的竞争时间片，每个结点在其对应的时间片内如有信息发送则可以启动传输，其他结点检测到信息传输后，停止时间片的推进，直到传输结束所有结点才恢复推进时间片。

13.如权利要求12所述的实现电子不停车收费系统的方法，其特征在于：

所述载波监听多路访问/冲突避免协议协议中，接入该无线局域网的在时间顺序上靠前的第一个结点的竞争时间片自动变换成一个优先时间片，让其优先于其他时间片，优先传输时间顺序上靠前的第一个结点的信息。

14.一种用于电子不停车收费系统中的无线接入点天线，该电子不停车收费系统包括车载设备、路边设备、多址接入车道控制系统和收费结算中心，其中路边设备有多个，所述无线接入点天线安装在路边设备的无线接入点上；所述车载设备安装在车辆上，多个路边设备分别接入多址接入车道控制系统；所述多址接入车道控制系统读取并处理车载设备上传的有关数据，并将处理信息传送给收费结算中心，其特征在于：

所述无线接入点天线为波束宽度在水平方向不大于5度的收发共用定向天线。

15.如权利要求14所述的电子不停车收费系统的无线接入点天线，其特征在于：

所述无线接入点天线的波束宽度在垂直方向为10度至30度之间。

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