CN105631953A - 用于etc系统的车载电子标签识别定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置和方法。该装置包括：天线阵列，包括发射天线和多个接收天线；与多个接收天线一一对应的多个接收处理单元，用于将接收到的射频信号转换为对应的数字基带信号；多个数字波束形成单元，与多个接收覆盖范围一一对应，每个数字波束形成单元接收多路数字基带信号并进行数字波束形成处理，以形成对应于接收覆盖范围的数字波束；OBU识别单元，从数字波束中提取车载电子标签ID，以确定与该ID关联的车载电子标签位于哪个接收覆盖范围。本发明能准确识别和定位位于RSU覆盖区域的一个或多个OBU，有利于改善ETC系统的抗跟车干扰和抗邻道干扰能力，提高交易成功率。

Description

用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置及方法

技术领域

本发明涉及ETC领域，具体地，涉及一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置和一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位方法。

背景技术

高速公路电子不停车收费系统(ElectronicTollcollection，简称为ETC)是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。系统通过路侧天线(RSU)与车载电子标签(OBU)之间的专用短程通信，在不需要司机停车和其他收费人员操作的情况下，自动完成收费处理过程。近年来，随着国民经济和交通运输业务的快速增长，特别是公路交通拥堵问题日益严重，ETC电子不停车收费系统的应用已经受到越来越多的国家和地区的相关部门的关注。ETC电子不停车收费方式，具有全自动、快速便捷、非现金交易、大容量等特点，在当前高速公路收费站点车辆拥堵问题日益突出、扩建收费车道涉及大量征地拆迁及繁琐的上报审批工作和建设资金投入、收费运营管理成本不断增加等情况下，逐步发展和实施ETC是解决这些问题的有效的手段。

在现有技术中，射频信号收发由同一个天线来完成，该收发一体天线在开关控制下执行收发功能切换，并且发射覆盖范围和接收覆盖范围相同。如图1所示，当在该覆盖范围中存在多个OBU时，会出现OBU识别和定位模糊问题，很容易产生跟车干扰，导致出现未对前车扣费而是对后车扣费等误扣费情况。现有ETC系统还可能由于本车道RSU和OBU与邻车道RSU和OBU的相互影响产生邻道干扰。如果为了降低跟车干扰和邻道干扰一味减小RSU覆盖范围，则会出现待扣费OBU已通过该覆盖范围但付费过程还未完成的情况，使得交易成功率明显降低。

目前ETC系统兼顾通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰等因素，通常将RSU的覆盖范围设置为6.5m×3.0m左右，但其应对跟车干扰、邻道干扰等问题的效果并不理想，交易成功率也有待进一步提高。。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，该装置能够准确识别待检测区域中的一个或多个OBU。本发明还提供了一种识别待检测区域中的一个或多个OBU的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置，该识别定位装置包括：天线阵列，包括发射天线和多个接收天线，所述多个接收天线用于接收来自车载电子标签的射频信号；多个接收处理单元，与所述多个接收天线一一对应，用于将所述多个接收天线接收的所述射频信号转换为对应的多路数字基带信号；多个数字波束形成单元，与多个接收覆盖范围一一对应，每个所述数字波束形成单元接收所述多路数字基带信号并进行数字波束形成处理，以形成对应于所述接收覆盖范围的数字波束；以及OBU识别单元，从所述数字波束中提取车载电子标签ID，以确定与所述车载电子标签ID关联的所述车载电子标签位于哪个接收覆盖范围。

优选地，权衡接收精度和系统成本以及系统复杂度，所述天线阵列可包括3-6个接收天线。

优选地，该识别定位装置还包括波束控制器，所述波束控制器能够通过调整加权值来控制所述多个数字波束形成单元中任意一者形成的所述数字波束对应的所述接收覆盖范围，所述加权值被用于在所述数字波束形成处理中对所述多路所述数字基带信号进行加权合并。

优选地，相邻的所述接收覆盖区域互不重叠或者部分重叠。

优选地，所述数字波束形成单元对应地的接收覆盖范围能被自适应地调整，以跟踪所述车载电子标签中的至少一者。

优选地，所述多个数字波束形成单元中的部分或全部所述数字波束形成单元能被关闭。

优选地，考虑通车速度、交易时间、定位精度等因素，可将RSU的整个覆盖区域划分为3-6个接收覆盖区域，即所述数字波束形成单元的数目为3-6。

优选地，每个所述数字波束对应的所述接收覆盖范围沿道路方向的长度被设置为2.8米～3.2米。

优选地，该识别定位装置还包括OBU选择单元，所述OBU选择单元根据识别出的所述车载电子标签与该识别定位装置之间的距离，选择将要进行交易的车载电子标签。

本发明还提供了一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位方法，该识别定位方法包括：向发射覆盖范围发射射频信号；采用多个接收天线接收来自所述车载电子标签的射频信号；将所述多个接收天线接收的所述射频信号转换为多路数字基带信号；对所述多路数字基带信号进行数字波束形成处理，以形成与接收覆盖范围相对应的数字波束；以及从与所述接收覆盖范围相对应的所述数字波束中提取车载电子标签ID信息，以定位与所述车载电子标签ID信息关联的所述车载电子标签。

优选地，权衡接收精度和系统成本以及系统复杂度，使用的所述接收天线的数目为3-6个。

优选地，该识别定位方法还包括：调整用在所述数字波形形成处理中用于加权合并所述多路数字基带信号的加权值，来控制形成的所述数字波束对应的所述接收覆盖范围。

优选地，相邻的所述接收覆盖区域互不重叠或者部分重叠。

优选地，该识别定位方法还包括：自适应地调整所述数字波束对应的所述接收覆盖范围，来跟踪所述车载电子标签中的至少一者。

优选地，形成的所述数字波束的数目可为3-6个，以分别与3-6个接收覆盖区域相对应。

优选地，每个所述数字波束对应的所述接收覆盖范围沿道路方向的长度被设置为2.8米～3.2米。

优选地，该识别定位方法还包括：根据提取的所述车载电子标签ID对应的车载电子标签与所述接收天线之间的距离，选择将要进行交易的车载电子标签。

本发明结合多天线接收技术和数字波束形成技术，将RSU的整个覆盖区域划分为多个接收覆盖范围，从而能获得更准确的OBU位置信息，并能识别整个覆盖区域内的多个OBU，可以有效提升ETC系统的抗跟车干扰和抗邻道干扰性能，同时有利于增大每个车道的RSU的覆盖径深(即沿道路方向的长度)，提高交易成功率。

并且，本发明公开的方案可通过数字信号处理在基带数字端完成波束成形处理。相对于模拟波束形成技术，本申请具有可形成更多波束、成本低、灵活性高、可采用自适应算法、可采用数字域实时校正等显著优势，并且还易于通过软件等对算法进行升级。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了现有ETC系统中RSU和车载OBU间的发射/接收示意图；

图2示出了根据本发明实施例的用于ETC系统的车载OBU识别定位装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的在ETC系统中划分的接收覆盖范围示意图；

图4示出了根据本发明的另一实施例的在ETC系统中划分的接收覆盖范围示意图；

图5示出了根据本发明的实施例的用于ETC系统的车载OBU识别定位方法的流程图。

附图标记说明

11、天线阵列12、接收处理单元

13、数字波束形成单元14、OBU识别单元

16、OBU选择单元

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，如果结合上下文无相反理解，接收天线指用于执行接收功能的天线，该天线可以是接收天线或用于执行接收功能的收发一体天线；同样的，发射天线指用于执行发射功能的天线，该天线可以是发射天线或用于执行发射功能的收发一体天线。本发明中，车载电子标签(OBU)ID包括所有能用于唯一地识别车载电子标签的信息中的一者或多者。

本发明提供了一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置，该识别定位装置包括：天线阵列，包括发射天线和多个接收天线，多个接收天线用于接收来自车载电子标签的射频信号；多个接收处理单元，与多个接收天线一一对应，用于将多个接收天线接收的射频信号转换为对应的多路数字基带信号；多个数字波束形成单元，与多个接收覆盖范围一一对应，每个数字波束形成单元接收多路数字基带信号并进行数字波束形成处理，以形成对应于接收覆盖范围的数字波束；以及OBU识别单元，从数字波束中提取车载电子标签ID，以确定与车载电子标签ID关联的车载电子标签位于哪个接收覆盖范围。

图2示出了根据本发明实施例的用于ETC系统的车载OBU识别定位装置的结构示意图。该装置可被集成ETC系统中的RSU中，以准确定位待检测区域内的OBU。该装置可包括天线阵列11、多个接收处理单元12、多个数字波束形成单元13和OBU识别单元14。该装置还可包括OBU选择单元16。

本实施例中，天线阵列11包括1个收发一体天线和2个接收天线，收发一体天线可在开关控制下执行发射/接收切换，即可视为天线阵列11包括1个发射天线和3个接收天线。天线阵列可由微带天线构成，上述三个天线(即1个收发一体天线和2个接收天线)中的每一者均可以是1x6或1x8的微带天线子阵。此处描述的微带天线仅用于示例，本发明还可采用八木天线等本领域技术人员已知的任意可用于此处的天线构成天线阵列。进一步地，可根据所需要的天线波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平确定天线阵列的尺寸，可根据波束要求确定天线阵列的相位分布。优选地，可通过设置发射天线和接收天线的主瓣和旁瓣来进一步提高OBU识别准确度，特别是减少邻道干扰。根据本发明另一实施例的用于识别车载OBU的装置的天线阵列可包括4个发射天线和4个接收天线。

每个接收处理单元12对应于一个接收天线，所以需设置3个接收处理单元12。每个接收处理单元12处理相应接收天线接收到的射频信号，并将其转换为数字基带信号。接收处理单元12执行下变频、滤波、放大、A/D转换等功能以完成从射频信号到数字基带信号的转换。可使用本领域已知的任意技术手段实现该转换。每个接收处理单元12输出一路数字基带信号。

本实施例中，可将整个覆盖区域划分为4个接收覆盖区域，所以可设置4个数字波束形成单元13。每个数字波束形成单元13接收来自3个接收处理单元12的3路数字基带信号并对其进行数字波束形成(BeamForming)处理，以得到与预设接收覆盖范围对应的数字波束。在每个数字波束形成单元13中，可对来自各个接收天线的数字基带信号进行加权来调整每路数字基带信号的幅度和相位，然后合并加权后的信号。针对每个数字波束形成单元13，通过对其用于加权合并的复数加权值Win进行调整，可设置该数字波束形成单元13所形成的数字波束对应于来自哪个接收覆盖范围内的车载OBU所发射的射频信号，其中下标i表示该数字波束形成单元13的序号，1≤i≤M，M为划分后的接收覆盖范围的数目，即当前使用的数字波束形成单元13的数目(本实施例中M＝4)，下标n表示数字波束形成单元13接收到的某路数字基带信号来自哪个天线，1≤n≤N，N为当前使用的接收天线的数目(本实施例中N＝3)。可采用均方误差量度算法、LMS算法、直接矩阵求逆算法、Systolic阵列处理器等方法来确定用于数字波束形成处理的复数加权值。可使用波束控制器(未示出)采用上述或其他算法自适应地确定用于数字波束形成的加权值。

根据需要，多个数字波束形成单元13中的任意一者或几者可被关闭，以适用于不同的部署场景。例如，如果需要重新限定或者划分接收覆盖范围，例如，将接收覆盖范围从4个变为3个，则可仅开启该识别定位装置中的3个数字波束形成单元13。

OBU识别单元14可对数字波束进行解码、检测等操作，从中提取车载OBUID信息。可将本领域已知的任意技术手段应用于此处的数据解码、检测等常规基带处理。因为每个数字波束对应的接收覆盖范围已知，因此，可根据从该数字波束中提取的OBUID来确定哪个车载OBU位于该接收覆盖范围，换言之，可准确识别定位位于整个覆盖区域内的所有OBU。可将从不同数字波束中提取OBUID的OBU识别单元14分离设置(如图2所示)，也可用同一个OBU识别单元14来提取不同数字波束中的OBUID。

优选地，本实施例中，可自适应地调整一个或多个数字波束形成单元13对应的接收覆盖范围。举例来说，根据本发明，当某一车载OBU进入最远的接收覆盖区域时即可被识别，当该车载OBU进入第二远的接收覆盖区域时可再次被识别，由此可计算出车辆的行驶速度，并预测车辆的行驶路径。然后可通过例如波束控制器等，实时计算出与车辆将要达到的位置相对应的复数加权值，来自适应地调整某个数字波束形成单元对应的接收覆盖范围。通过该功能，可以进一步提高ETC系统交易的准确性和成功率。

本实施例还包括OBU选择单元16。OBU选择单元16可根据待交易车载OBU与该识别定位装置的距离来选择将要进行交易的车载OBU。如果在整个覆盖区域内识别到多个待交易的车载OBU，则可按照距离从近到远的顺序依次处理与识别出的多个待交易车载OBU的交易。

图3示出了根据本发明的一个实施例的在ETC系统中划分的接收覆盖范围示意图。如图所示，RSU的整个覆盖区域可被划分为3个接收覆盖范围，并且这3个接收覆盖范围互不重叠。优选地，为兼顾通车速度、定位精度和交易成功率，每个接收覆盖范围沿道路方向的长度可被设置为3米左右，例如，可被设置为2.8米～3.2米。如图所示，此时位于整个覆盖区域内的3个车载OBU均可被识别，并且可根据其与RSU的距离，按照OBU1、OBU2、OBU3的顺序依次进行交易。

图4示出了根据本发明的另一实施例的在ETC系统中划分的接收覆盖范围示意图。如图所示，RSU的整个覆盖区域可被划分为6个，并且相邻两个接收覆盖范围可部分地重叠。优选地，为兼顾通车速度、定位精度和交易成功率，每个接收覆盖范围沿道路方向的长度可被设置为3米左右，例如，可被设置为2.8米～3.2米。如图所示，此时位于整个接收范围内的3个车载OBU均可被识别，并且可根据其与RSU的距离，按照OBU1、OBU2、OBU3的顺序依次进行交易。

图3和图4不用于表示对具体接收覆盖范围的形状和大小等的限定。

图5示出了根据本发明的实施例用于ETC系统的车载电子标签识别定位方法的流程图。

如图所示，在步骤S51中，可使用发射天线发射射频信号以唤醒进入发射覆盖范围的车载OBU。优选地，可通过设置发射天线的主瓣和旁瓣来增强发射信号的方向性，以减少例如邻道干扰。

在步骤S52中，响应于来自发射天线的射频信号，位于发射覆盖范围内的车载OBU发射包含车载OBUID信息的射频信号。车载电子标签ID能用于唯一地识别车载电子标签。

在步骤S53中，使用多个接收天线接收车载OBU发射的射频信号。可通过设置接收天线的主瓣和旁瓣来进一步提高识别定位车载OBU的准确度。优选地，综合考虑接收性能、设备复杂度和设备成本等因素，可选择3-6个接收天线。

在步骤S54中，将接收到的多路射频信号转换为多路数字基带信号。可使用本领域已知的任意技术手段完成从射频信号到数字基带信号的转换。

在步骤S55中，对多路数字基带信号进行数字波束形成处理，以形成与确定的接收覆盖范围相对应的数字波束。在数字波束形成处理中，可通过对每路数字基带信号的幅度和相位进行加权，并合并加权后的多路信号，以形成对应于确定的接收覆盖范围内的车载OBU发射的射频信号的数字波束。可采用均方误差量度算法、LMS算法、直接矩阵求逆算法、Systolic阵列处理器等方法来确定用于数字波束形成的复数加权值。优选地，为了兼顾通车速度、定位精度和交易成功率等，可设置每个波束对应的接收覆盖范围沿着道路方向的长度范围为2.8米～3.2米。优选地，为了兼顾通车速度、覆盖范围广度、交易处理时间、定位精度等因素，可设置3-6的不同接收覆盖范围，相邻接收覆盖范围可以互不重叠或者部分重叠。例如，可设置6个接收覆盖范围，每个接收覆盖范围沿道路方向的长度为3米，接收覆盖区域沿道路方向的总长度为18米左右。

在步骤S56中，可从数字波束中提取车载OBU的ID，以定位车载OBU。可对每个数字波束进行解码、检测等操作，以从该数字波束中提取该数字波束对应的接收覆盖范围中的车载OBU的ID，得知哪个车载OBU位于该接收覆盖范围中，换言之，可准确识别和定位全部覆盖区域内的车载OBU。

在步骤S57中，可根据待交易车载OBU与RSU间的距离(例如，车载OBU与接收天线间的距离)，选择将要进行交易的车载OBU。例如，可与距离RSU最近的待交易车载OBU建立交易链接，如果识别出多个待交易车载OBU位于整个接收范围内，则可按照从近及远的顺序依次与该多个待交易车载OBU进行交易。

优选地，根据本发明，可自适应地调整一个或多个数字波束对应的接收覆盖范围。举例来说，根据本发明，当某一车载OBU进入最远的接收覆盖区域时即可被识别，当该车载OBU进入第二远的接收覆盖区域时可再次被识别，由此可计算出车辆的行驶速度，并预测车辆的行驶路径。然后可通过例如波束控制器等，实时计算出与车辆将要达到的位置相对应的复数加权值，来自适应地调整针对某个波束的数字波束形成过程中使用的复数加权值。通过该方法，可以进一步提高ETC系统交易的准确性和成功率

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (17)

1.一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位装置，该识别定位装置包括：

天线阵列，包括发射天线和多个接收天线，所述多个接收天线用于接收来自车载电子标签的射频信号；

多个接收处理单元，与所述多个接收天线一一对应，用于将所述多个接收天线接收的所述射频信号转换为对应的多路数字基带信号；

多个数字波束形成单元，与多个接收覆盖范围一一对应，每个所述数字波束形成单元接收所述多路数字基带信号并进行数字波束形成处理，以形成对应于所述接收覆盖范围的数字波束；

OBU识别单元，从所述数字波束中提取车载电子标签ID，以确定与所述车载电子标签ID关联的所述车载电子标签位于哪个接收覆盖范围。

2.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，所述天线阵列包括3至6个所述接收天线。

3.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，该识别定位装置还包括波束控制器，所述波束控制器能够通过调整加权值来控制所述多个数字波束形成单元中任意一者形成的所述数字波束对应的所述接收覆盖范围，所述加权值被用于在所述数字波束形成处理中对所述多路所述数字基带信号进行加权合并。

4.根据权利要求1或3所述的识别定位装置，其中，相邻的所述接收覆盖区域互不重叠或者部分重叠。

5.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，所述数字波束形成单元对应地的所述接收覆盖范围能被自适应地调整，以跟踪所述车载电子标签中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，所述多个数字波束形成单元中的部分或全部所述数字波束形成单元能被关闭。

7.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，所述数字波束形成单元的数目为3至6。

8.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，每个所述数字波束对应的所述接收覆盖范围沿道路方向的长度被设置为2.8米～3.2米。

9.根据权利要求1所述的识别定位装置，其中，该识别定位装置还包括OBU选择单元，所述OBU选择单元根据识别出的所述车载电子标签与该识别定位装置之间的距离，选择将要进行交易的车载电子标签。

10.一种用于ETC系统的车载电子标签识别定位方法，该识别定位方法包括：

向发射覆盖范围发射射频信号；

采用多个接收天线接收来自所述车载电子标签的射频信号；

将所述多个接收天线接收的所述射频信号转换为多路数字基带信号；

对所述多路数字基带信号进行数字波束形成处理，以形成与接收覆盖范围相对应的数字波束；

从与所述接收覆盖范围相对应的所述数字波束中提取车载电子标签ID信息，以定位与所述车载电子标签ID信息关联的所述车载电子标签。

11.根据权利要求10所述的识别定位方法，其中，使用的所述接收天线的数目为3至6。

12.根据权利要求10所述的识别定位方法，该识别定位方法还包括：

调整用在所述数字波形形成处理中用于加权合并所述多路数字基带信号的加权值，来控制形成的所述数字波束对应的所述接收覆盖范围。

13.根据权利要求10或12所述的识别定位方法，其中，相邻的所述接收覆盖区域互不重叠或者部分重叠。

14.根据权利要求10所述的识别定位方法，该识别定位方法还包括：

自适应地调整所述数字波束对应的所述接收覆盖范围，来跟踪所述车载电子标签中的至少一者。

15.根据权利要求10所述的识别定位方法，其中，形成的所述数字波束的数目为3至6。

16.根据权利要求10所述的识别定位方法，其中，每个所述数字波束对应的所述接收覆盖范围沿道路方向的长度被设置为2.8米～3.2米。

17.根据权利要求10所述的识别定位方法，该识别定位方法还包括：

根据提取的所述车载电子标签ID对应的车载电子标签与所述接收天线之间的距离，选择将要进行交易的车载电子标签。