CN102904630B - 自由流电子收费系统的通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由流电子收费系统的通信方法，包括：设置由连续多个下行时隙、第一上下行间时间保护、连续多个上行时隙、第二上下行间时间保护组成的无线链路帧；利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程。本发明可以提高自由流电子收费系统的空中资源使用效率，有效解决同一车道跟车问题和车辆变道通信切换问题，确保通信交易正常进行。

Description

自由流电子收费系统的通信方法
技术领域
本发明涉及自由流电子收费技术，具体的说，涉及一种自由流电子收费系统的通信方法。
背景技术
随着我国ETC(不停车收费)标准的颁布实施，ETC系统的应用越来越广泛，但目前ETC系统应用仍处在以高速公路专用车道为使用基础的电子收费初级阶段，专用车道电子收费技术，一般还需有收费站存在，还要设置自动栏杆，车辆通过收费站时必须沿某个车道行驶通过，车辆的通行能力依然不高。
多车道自由流电子收费技术(或称“自由流不停车收费技术”)是一种更为先进的高速公路不停车电子收费技术。这种收费技术没有车道隔离设施，能让车辆随意通过收费点，车辆通过收费点时感觉不到收费过程的发生。多车道自由流电子收费技术作为ETC系统应用的高级阶段，以更智能、效果更好、成本更低等优势指示着ETC电子收费技术发展的方向。
自由流电子收费系统与专用车道不停车收费系统尽管都是DSRC短程通信的应用，但二者对系统性能要求存在较大差异。由于自由流状态下，车辆行驶状态呈现多样化，如并驰、跨线和并道行驶等，这就要求自由流电子收费系统需做到多车道通信区域全覆盖。自由流状态下，车辆行驶速度较高，这需要有安全简洁的通信协议支持和优异的系统处理能力。自由流状态下，为了识别并记录车辆信息，往往有车辆定位的需求。这些问题是自由流电子收费技术应用中的重要问题。
下面首先对现有的自由流电子收费系统(简称：自由流收费系统)做一阐述。参见图1、图2，现有的自由流收费系统，采用两种空中无线链路帧模式：公共链路帧、专用链路帧。其中，图1示出了其公共链路帧，图2示出了其专用链路帧。帧中的主要参数参见表1。
表1
  参数   参数定义   参数取值
  T1   RSU由发送状态转换为接收状态的切换时间   160us
  T4a   一个专用上行链路窗口发送开始前的最大时间   320us
  T4b   一个公共上行链路窗口发送开始前的最大时间   32us
  T5   公共上行链路窗口的持续时间   320us
  N5   同时分配的连续公共上行链路的窗口数   5
现有的自由流收费系统的复用方式参见表2，其在时域采用上、下行时分复用半双工，空中链路帧为非同步时分多址；频域为频分复用。由于路侧单元(RSU)与车载单元(OBU)以非同步时分多频多址方式通信，因而现有的自由流收费系统中的RSU和OBU彼此不须事先建立通信视窗的同步关系。
表2
现有的自由流收费系统的正常交易工作流程可以参见表3。
表3
参见图3，图3示出了现有的自由流收费系统的单个OBU的交易时间，其总时间约为56ms。
参见表4，其中示出了现有的自由流收费系统的主要系统性能。
表4
从表4可知，现有的自由流收费系统，其系统性能仍有许多需要改进之处。
发明内容
有鉴于上述背景，本发明提供了一种自由流电子收费系统的通信方法，能够提高系统的空中资源使用效率。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种自由流电子收费系统的通信方法，包括：
设置由连续多个下行时隙、第一上下行间时间保护、连续多个上行时隙、第二上下行间时间保护组成的无线链路帧；
利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程。
优选地，所述的通信方法，利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程包括：
在所述帧结构中的第一帧进行所述交互过程的第一步骤：路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息；车载单元进行相应初始化；
在所述帧结构中的第二帧进行所述交互过程的第二步骤：路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息；初始化成功的车载单元解析公共系统消息以获得系统消息、相应通信参数和应用参数，发送专用链路请求指令给路侧单元；
在所述帧结构中的第四帧进行所述交互过程的第三步骤：路侧单元给车载单元发送分配专用链路指令；车载单元与路侧单元协商通信参数及应用参数，完成专用链路的建立；
在所述帧结构中的第六帧进行所述交互过程的第四步骤：路侧单元将交易记录发送给车载单元，及在生成交易记录时报告至车道控制器；车载单元在收到交易记录后应答路侧单元以告知路侧单元进行结果取回等待；
在所述帧结构中的第七帧进行所述交互过程的第五步骤：路侧单元向车载单元取结果，根据车载单元返回的确认信息确定交易正常或者异常；
在所述帧结构中的第八帧进行所述交互过程的第六步骤：路侧单元将交易记录上传至车道控制器，及通知车载单元结束交易，释放通信连接；车载单元进行交易结束响应。
优选地，所述的通信方法，所述无线链路帧包括连续七个下行时隙，以及连续九个上行时隙。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第一帧的第一或第二下行时隙，路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第二帧的第一或第二下行时隙，路侧单元发送唤醒信号和广播公用系统消息；在所述帧结构中的第二帧的第一、第二、第三、第四或第五上行时隙，车载单元发送专用链路请求给路侧单元。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第四帧的第三下行时隙，路侧单元给车载单元发送分配专用链路指令；在所述帧结构中的第四帧的第六、第七和第八上行时隙中的任一时隙以及第九上行时隙的两个时隙，车载单元与路侧单元协商通信参数及应用参数，完成专用链路的建立。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第六帧的第四、第五和第六下行时隙中的任一时隙以及第七下行时隙的两个时隙，路侧单元将交易记录发送给车载单元；在所述帧结构中的第六帧的第六、第七或第八上行时隙，车载单元应答路侧单元以告知路侧单元进行结果取回等待。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第七帧的第四、第五或第六下行时隙，路侧单元向车载单元取结果；在所述帧结构中的第七帧的第九上行时隙，车载单元向路侧单元返回确认信息。
优选地，所述的通信方法，在所述帧结构中的第八帧的第四、第五或第六下行时隙，路侧单元通知车载单元结束交易，释放通信连接；在所述帧结构中的第八帧的第六、第七或第八上行时隙，车载单元向路侧单元发送交易结束响应。
优选地，所述的通信方法，所述路侧单元以预设的固定频率广播公用系统消息，被唤醒的车载单元以该预设的固定频率接收路侧单元的信号。
本发明通过提供一种新型的无线链路帧以及帧结构，路侧单元和车载单元基于该无线链路帧的帧结构进行通信，可以提高收费系统的空中资源使用效率。
附图说明
图1是现有的自由流收费系统的公共链路帧结构。
图2是现有的自由流收费系统的专用链路帧结构。
图3是现有的自由流收费系统的单个OBU交易时间安排。
图4是本发明实施例的自由流收费系统的用于RSU与OBU通信的帧结构。
图5是本发明实施例的自由流收费系统的单个OBU交易时间安排。
具体实施方式
下面对照附图并结合具体实施方式对本发明做详细说明。
本发明实施例的自由流电子收费系统的通信方法，包括：
设置由连续多个下行时隙、第一上下行间时间保护、连续多个上行时隙、第二上下行间时间保护组成的无线链路帧；
利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程。
本发明实施例的自由流电子收费系统的通信方法，在RSU和OBU之间采用准同步时分多址方式，利用新的帧结构完成通信。如图4所示，新的帧结构，是由连续多个无线链路帧形成，例如图4所示的F0、F1、F2、F3、……。一个无线链路帧，例如F0帧，包括下行的7个时隙(T0～T6)、上下行之间的时间保护(第一上下行间时间保护)、上行的9个时隙(T0’～T8’)、上下行之间的时间保护(第二上下行间时间保护)。需要注意的是，图中，字母F后的数字表示相应帧的帧号，字母T后的数字表示相应时隙的时隙号，字符“’”表示该时隙为上行时隙。根据各帧在整个帧结构中的顺序，以及各时隙在帧中的顺序，F0称为第一帧，F1称为第二帧，……，依次类推。T0称为第一下行时隙，T1称为第二下行时隙，……，依次类推。T0’称为第一上行时隙，T1’称为第二上行时隙，……，依次类推。也就是说，由于帧号和时隙号均从零开始编号，因此，表示其顺序的第一、第二等顺序号为帧号或时隙号加一。一个无线链路帧的各个时隙的功能分配、持续时间、传输字节等相关参数参见表5。
表5
本发明实施例的自由流收费系统，其复用方式参见表6，在时域，上、下行时分复用，无线链路帧为同步时分多址；在频域，采用频分复用。由于RSU与OBU是以准同步时分多频多址方式通信，因而须事先建立通信视窗的同步关系。
表6
本发明实施例的自由流收费系统的正常交易工作流程可参见表7。
表7
本发明实施例的自由流收费系统的单个OBU交易处理时间参见图5所示。从图5可以看到，由于单个OBU与RSU整个交易的完整交易流程需要持续70ms左右，而几个OBU一般在时间上是有一定先后顺序进入车道RSU通信区域，在同一时刻每台OBU交易步骤(涉及到交换字节数量大小)不同，或者可能有些OBU正处于空闲状态(不用进行无线通信)；而单台OBU交易过程，每步骤之间是有无线通信空闲时间的，所以从70ms时间段里看，可同时满足3台OBU和RSU进行交易处理。
本发明实施例的自由流收费系统的系统性能参见表8。
表8
表9
参见表9，本发明实施例的系统的无线通信处理的实时性分析如下：假设汽车行驶速度＝180Km/h，也即5cm/ms，RSU在车道上覆盖可通信长度等于8m，车道横向宽带等于3m。从表9可知，在一个帧周期内车辆横向移动距离只有0.36m，而RSU发射覆盖区域在车道横向宽带一般为5.5m，相邻RSU覆盖交叉区域宽带约为1.2m，所以车辆需在3个帧周期内横向移动，才会超出RSU覆盖边缘；只要系统能在每帧周期内都能接收到每个OBU发射的无线信号，系统就能指挥就近RSU与OBU进行正常通信，满足无线定位的实时性要求。
从表9可知，在可通信区域内，车辆可持续通信帧数量为15.6，而一个OBU正常交易所需要的空中帧帧数量为6，当无线通信出现接收误码而需要发射机重新发射的情况，系统还有足够无线资源满足。
本发明与现有技术的系统性能对比可参见表10。
表10
从表10可知，本发明相对于现有技术，在空中资源使用效率上得到大幅提高，并且能够有效处理同一车道跟车问题，有效解决车辆变道行驶无线通信切换问题，避免车辆漏交易问题出现。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自由流电子收费系统的通信方法，其特征在于：包括，
设置由连续多个下行时隙、第一上下行间时间保护、连续多个上行时隙、第二上下行间时间保护组成的无线链路帧；
利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程；
其中，利用由连续多个所述无线链路帧形成的帧结构，路侧单元与车载单元之间按照预设原则，依序在所述帧结构中的各个无线链路帧的规定时隙内完成相应交互过程包括：
在所述帧结构中的第一帧进行所述交互过程的第一步骤：路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息；车载单元进行相应初始化；
在所述帧结构中的第二帧进行所述交互过程的第二步骤：路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息；初始化成功的车载单元解析公共系统消息以获得系统消息、相应通信参数和应用参数，发送专用链路请求指令给路侧单元；
在所述帧结构中的第四帧进行所述交互过程的第三步骤：路侧单元给车载单元发送分配专用链路指令；车载单元与路侧单元协商通信参数及应用参数，完成专用链路的建立；
在所述帧结构中的第六帧进行所述交互过程的第四步骤：路侧单元将交易记录发送给车载单元，及在生成交易记录时报告至车道控制器；车载单元在收到交易记录后应答路侧单元以告知路侧单元进行结果取回等待；
在所述帧结构中的第七帧进行所述交互过程的第五步骤：路侧单元向车载单元取结果，根据车载单元返回的确认信息确定交易正常或者异常；
在所述帧结构中的第八帧进行所述交互过程的第六步骤：路侧单元将交易记录上传至车道控制器，及通知车载单元结束交易，释放通信连接；车载单元进行交易结束响应。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于：所述无线链路帧包括连续七个下行时隙，以及连续九个上行时隙。
3.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第一帧的第一或第二下行时隙，路侧单元发送唤醒信号和广播公共系统消息。
4.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第二帧的第一或第二下行时隙，路侧单元发送唤醒信号和广播公用系统消息；在所述帧结构中的第二帧的第一、第二、第三、第四或第五上行时隙，车载单元发送专用链路请求给路侧单元。
5.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第四帧的第三下行时隙，路侧单元给车载单元发送分配专用链路指令；在所述帧结构中的第四帧的第六、第七和第八上行时隙中的任一时隙以及第九上行时隙的两个时隙，车载单元与路侧单元协商通信参数及应用参数，完成专用链路的建立。
6.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第六帧的第四、第五和第六下行时隙中的任一时隙以及第七下行时隙的两个时隙，路侧单元将交易记录发送给车载单元；在所述帧结构中的第六帧的第六、第七或第八上行时隙，车载单元应答路侧单元以告知路侧单元进行结果取回等待。
7.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第七帧的第四、第五或第六下行时隙，路侧单元向车载单元取结果；在所述帧结构中的第七帧的第九上行时隙，车载单元向路侧单元返回确认信息。
8.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于：在所述帧结构中的第八帧的第四、第五或第六下行时隙，路侧单元通知车载单元结束交易，释放通信连接；在所述帧结构中的第八帧的第六、第七或第八上行时隙，车载单元向路侧单元发送交易结束响应。
9.如权利要求2-8任一所述的通信方法，其特征在于：所述路侧单元以预设的固定频率广播公用系统消息，被唤醒的车载单元以该预设的固定频率接收路侧单元的信号。
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