CN202870911U - 基于etc的多波束天线、rsu及etc系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于ETC的多波束天线、RSU及ETC系统，天线包括通信区域控制器和天线阵列，所述通信区域控制器用于根据检测到的车辆的位置信息，参照预设的车辆的位置信息与所述天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系，切换所述天线阵列在所述车道上的通信区域；其中，所述通信区域具有至少两个，不同的通信区域与所述天线阵列之间具有不同距离，预设所述对应关系的具体方式为，车辆距离所述路侧单元越近，对应的所述通信区域与所述天线阵列之间的距离越小。本申请能够有效避免RSU与OBU之间进行通讯时的跟车干扰现象，提高RSU与OBU之间进行通信的可靠性和准确性。

Description

基于ETC的多波束天线、RSU及ETC系统

技术领域

本申请涉及智能交通（ITS：Intelligent Transportation System）领域，尤其涉及一种基于电子不停车收费（ETC:Electronic Toll Collection）的多波束天线、路侧单元（RSU：Road Side Unit）和ETC系统。

背景技术

在ETC系统中，设置在车道上的RSU与安装在车辆上的车载单元（OBU：On-board Units）通过专用短程通信技术（DSRC：Dedicated Short RangeCommunication）进行信息交互的过程中，RSU应当仅与本RSU天线的车道区域内的特定OBU通信，以保持通信和收费的准确性和可靠性。

为了避免本车道上某一车辆中的OBU与RSU进行通信时，该车辆后面的其他车辆中的OBU也位于RSU中天线的通信区域内且同时与RSU进行通信而形成跟车干扰，RSU与OBU之间的通信区域在纵向（沿车道延伸方向）的长度应当控制在一定范围内。理想状况下，该范围应保证按规定速度行驶的车辆中的OBU与RSU之间有足够的时间来完成信息交换，且能够避免跟车干扰现象。然而实际应用中，如果该区域的长度较小，则RSU与OBU之间交换信息的时间较小，容易造成通信失败，对通信和车辆收费的可靠性造成影响；如果该区域的长度过长，则车辆较多时该通信区域内会同时存在两辆甚至以上的车辆与RSU进行交互，很容易出现跟车干扰，有时会导致通信错误或扣费错误。

发明内容

本申请提供一种基于ETC的多波束天线、RSU及ETC系统，提高RSU与OBU之间进行通信的可靠性和准确性。

根据本申请的第一方面，本申请保护了一种基于ETC的多波束天线，包括通信区域控制器和天线阵列，所述通信区域控制器用于根据检测到的车辆的位置信息，参照预设的车辆的位置信息与所述天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系，切换所述天线阵列在所述车道上的通信区域；

其中，所述通信区域具有至少两个，不同的通信区域与所述天线阵列之间具有不同距离，预设所述对应关系的具体方式为，车辆距离所述路侧单元越近，对应的所述通信区域与所述天线阵列之间的距离越小。

一种实施例中，所述天线阵列包括馈电网络、多个天线单元和将各天线单元连接在所述馈电网络中的多个控制开关，所述控制开关包括开关元件和至少两个不同的移相单元，所述通信区域控制器具体用于通过切换所述开关元件与所述移相单元之间的开闭状态，改变所述天线阵列中所述天线单元的馈电相位，从而调整所述天线阵列所对应的波束指向所述车道上的位置。

一种实施例中，所述天线单元为微带天线单元，所述移相单元为信号传输线，不同的移相单元具有不同的长度。

一种实施例中，所述开关元件为SP3T射频开关。

一种实施例中，所述移相单元具有三个；所述通信区域包括第一通信区域，第二通信区域和第三通信区域，与所述路侧单元在所述车道上的垂直投影位置之间的纵向距离分别为6m～10m、3m～7m、0m～4m。

一种实施例中，所述馈电网络包括微带线、带状线或共面波导线。

一种实施例中，所述天线单元包括矩形贴片、圆形贴片、单馈点微带天线或多馈点微带天线。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种RSU，包括：位置检测器，用于检测车辆的位置信息，还包括以上所述的多波束天线，通信区域控制器与所述位置检测器信号连接。

一种实施例中，所述位置检测器包括;

定位天线，包括至少三个在同一直线上排布的接收天线，所述接收天线用于接收同一车载单元发送的微波信号；

信号接收机，与所述接收天线连接，用于接收所述微波信号后输入数字化处理器；

数字化处理器，与所述信号接收机连接，用于对所述微波信号进行数字化处理；

数字波束成形器，与所述数字化处理器连接，对所述数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角。

根据本申请的第三方面，本申请提供了一种基于ETC的通信控制系统，包括以上所述的RSU。

本申请的有益效果是：本申请使RSU中天线阵列在车道上的通信区域能够根据车辆的位置动态进行切换，当车辆行驶至距RSU较远的一定距离时，天线阵列在车道上的通信区域距离RSU较远，当车辆行驶至距RSU较近的一定距离时，天线阵列在车道上的通信区域转换至距离RSU较近的另一通信区域，使得天线阵列在车道上的通信区域内始终只存在一辆车，有效地防止了通信区域内具有多辆车而发生跟车干扰的现象，提高了通信和扣费的准确性。同时，RSU中天线阵列在车道上的通信区域随着车辆与RSU之间由远至近的移动趋势进行切换，始终覆盖了车辆内OBU所在的位置，且多个连续的通信区域具有足够的总长度，为RSU与OBU之间交换信息提供了充足的时间，确保了车辆中的OBU能够始终与RSU进行通信。

附图说明

图1为本申请一种实施例的ETC系统中RSU的安装示意图；

图2为本申请一种实施例的基于ETC的通信控制方法流程图；

图3为本申请一种实施例的ETC系统中RSU的通信区域为A的示意图；

图4为本申请一种实施例的ETC系统中RSU的通信区域为B的示意图；

图5为本申请一种实施例的ETC系统中RSU的通信区域为C的示意图；

图6为本申请一种实施例的RSU结构图；

图7为本申请一种实施例的RSU中多波束微带天线阵列的结构图；

图8为图7中开关元件未闭合的示意图；

图9为图7中开关元件的第一种状态示意图；

图10为图7中开关元件的第二种状态示意图；

图11为图7中开关元件的第三种状态示意图；

图12为RSU中多波束微带天线阵列的横向方向图；

图13为RSU中多波束微带天线阵列的纵向方向图;

图14为OBU与RSU在车道上的第一通信区域的通信测试结果；

图15为OBU与RSU在车道上的第二通信区域的通信测试结果；

图16为OBU与RSU在车道上的第三通信区域的通信测试结果；

图17为一种实施例的RSU中位置检测器的结构示意图；

图18为本申请一种实施例的RSU中定位天线的布局示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本申请实施例中，ETC系统中的DSRC设备主要由RSU和OBU组成。例如附图1所示的实施例中，RSU 100安装在车道收费站的出入口的龙门架200上，且位于车道300中央的上方，具体高度和悬挂角度根据需要进行设置，例如RSU 100的高度为5.5米，悬挂角度与车道300地面之间的夹角为45°，车道300的宽度是3.3米。OBU粘贴在车辆内的前挡风玻璃上，当车辆从车道上通过且位于RSU 100中的天线覆盖在车道300上的通信区域内时，OBU被RSU 100唤醒，被唤醒的OBU与RSU 100进行通信并完成规定的信息交互，例如OBU上报身份信息，RSU下发收费指令等等。

通常情况下，由于OBU中的天线都是弱方向性天线，RSU 100中的天线普遍采用方向性相对较强的天线阵列，因此，RSU 100与OBU之间的通信区域主要由RSU 100中天线阵列的方向性决定。因此，即当OBU位于RSU 100中天线阵列的通信区域时能够与RSU进行信息交互。

实施例一：

如图2所示，本申请一种实施例的基于ETC的天线的通信控制方法包括以下步骤：

步骤S101：位置检测步骤，即RSU检测车辆的位置信息。本步骤的实现方法具有多种，例如可采用位置传感器进行检测，即预先在车道的不同位置设置地感线圈或其他形式的位置传感器，当车辆驶入设有相应的位置传感器的位置时，触发该位置传感器从而得到车辆的位置信息。车辆的位置信息可以为车辆在车道上的具体位置坐标，例如位置坐标以RSU在车道上的垂直投影位置为坐标原点，包括横向（垂直于车道延伸方向）坐标值和纵向（与车道延伸方向一致）坐标值，或者车辆的位置信息可为车辆与RSU在车道上的垂直投影位置之间的距离，该距离还可进一步包括纵向距离值和横向距离值，或者仅包括纵向距离值。

步骤S102：通信区域控制步骤，RSU根据检测到的车辆的位置信息，参照预设的车辆的位置信息与RSU中天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系，切换天线阵列在车道上的通信区域。

本步骤中，通过设计RSU中天线阵列的结构，其可在车道上形成多个不同的通信区域，不同的通信区域与天线阵列之间具有不同距离，天线阵列还可根据具体需要在不同的通信区域之间进行切换。预设对应关系的具体方式为，根据车辆的位置信息得出的车辆与RSU之间的距离越小，即车辆距离RSU越近，则RSU中天线阵列在车道上对应的通信区域与天线阵列之间的距离越小。

通常情况下，以RSU在车道上的垂直投影位置为基点，天线阵列在车道上的各通信区域沿车道横向和纵向都具有一定长度。这些通信区域的大小可相等，例如沿车道横向的长度都为3.0m-3.3m，既能保证通信区域的宽度，避免其不能完全覆盖本车道上通行车辆内的OBU而导致通信失败，又能避免覆盖其他车道，是其他车道上的OBU与本车道的RSU进行通信而产生邻道干扰现象；通信区域沿车道纵向的长度都为4m，正好略大于普通车身的长度，能够覆盖一辆车并使该车辆内的OBU与RSU进行通信。

如图3-5所示的实施例中，RSU中天线阵列在车道生的通信区域具有三个，即包括第一通信区域A，第二通信区域B和第三通信区域C，第一通信区域A与RSU在车道上的垂直投影位置之间的纵向距离为6m～10m,第二通信区域B与RSU在车道上的垂直投影位置之间的纵向距离为3m～7m，第三通信区域C与RSU在车道上的垂直投影位置之间的纵向距离为0m～4m。预设的车辆的位置信息与RSU中天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系中，可设置当车辆的纵向坐标值在距离RSU较远的第一范围内时，或当车辆的纵向距离值与RSU之间的距离在较远的第一范围内时，RSU中天线阵列在车道上的通信区域设置为第一通信区域A；当车辆逐步靠近RSU，车辆的纵向坐标值在距离RSU较近的第二范围内时，或当车辆的纵向距离值与RSU之间的距离在较近的第二范围内时，RSU中天线阵列在车道上的通信区域切换为第二通信区域B；当车辆更加接近RSU时，车辆的纵向坐标值在距离RSU更近的第三范围内时，或当车辆的纵向距离值与RSU之间的距离在更近的第三范围内时，RSU中天线阵列在车道上的通信区域切换为第三通信区域C。当然有些实施例中，RSU中天线阵列在车道生的通信区域也可具有两个、四个或者以上，预设车辆的位置信息与RSU中天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系的方式、设置以及切换通信区域的方式与本实施例类似。

如图6所示，本实施例RSU包括位置检测器30和可覆盖多个不同通讯区域的多波束天线，位置检测器30可为以上所述的地感线圈等位置传感器，用于检测车辆的位置信息；多波束天线除了包括天线阵列20以外，还包括与其控制连接的通信区域控制器10，该通信区域控制器10与位置检测器30信号连接，用于根据检测到的车辆的位置信息，参照预设的车辆的位置信息与天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系，切换天线阵列20在车道上的通信区域。

如图7至11所述，本实施例的天线阵列可为微带天线阵列，微带天线阵列可以是n行n列的阵列，n代表自然数，例如可采用成本较低的0.8mm厚度的FR4板材，在该板材上加工6×8的微带天线阵列（横向8列，纵向6行）。

天线阵列包括馈电网络23、多个天线单元22和将各天线单元22连接在馈电网络23中的多个开关组21。根据具体需要，馈电网络23可由微带线、带状线、共面波导线等传输线135构成，天线单元22可以是任何形式的微带天线，例如矩形贴片、圆形贴片、单馈点微带天线、多馈点微带天线等，优选采用圆极化的单馈点微带贴片天线，开关组21包括开关元件134和至少两个不同的移相单元，开关元件134可采用SP3T射频开关，与通信区域控制器相连，移相单元的具体数量与天线阵列在车道上的通信区域相等，例如本实施例中，当天线阵列在车道上的通信区域具有三个时，移相单元具有三个，分别为第一移相单元132、第二移相单元133和第三移相单元131，不同的移相单元由不同长度的传输线构成，微带线、带状线、共面波导线等，不同的传输线长度能够使天线阵列接收或发送的波束信号发生不同的相位延迟，例如第一移相单元132、第二移相单元133和第三移相单元131，分别产生的相位延迟是-63°、-8.5°和+71°。本实施例的微带天线阵列中，可通过同时控制所有开关组21的状态，形成不同的馈电网络结构，而每种馈电网络结构对应与一种波束的形状和指向，由于本实施例能够形成多种不同的馈电网络结构，就是微带天线阵列拥有了可以多波束扫描的能力。具体地，各开关组21中的开关元件134可位于移相单元的一端或者两端，能够在通信区域控制器的控制下，切换开关元件134与各移相单元之间的开闭状态，将切换后的移相单元连接在相应的天线单元22和馈电网络23之间，使天线阵列中的信号经过开关组合后产生一定的相位延迟，改变天线阵列中各天线单元22的馈电相位，从而调整天线阵列所对应的波束指向车道上的位置，即天线阵列在车道上的通讯区域。例如当开关元件134未与任何移相单元之间闭合时，天线阵列停止工作，当开关元件134与第一移相单元132之间闭合，且与其他移相单元之间断开时，将天线阵列在车道的通讯区域切换为图3所示的第一通信区域A，当开关元件134与第二移相单元133之间闭合，且与其他移相单元之间断开时，将天线阵列在车道的通讯区域为图4所示的第二通信区域B,当开关元件134与第三移相单元131之间闭合，且与其他移相单元之间断开时，将天线阵列在车道的通讯区域切换为图5所示的第三通信区域C。

如图12所示，为本实施例天线阵列的横向方向图，该横向方向图显示出波束信号最强的方向始终指向车道中央，且副瓣电平小于-25dB，使天线阵列在本车道以外的方向的辐射很小。如图10所示，为天线阵列对应三种不同的通信区域时的纵向方向图，纵向方向图显示出波束信号最强的方向随着开关组中开关状态的不同而不同，例如天线阵列在车道的通讯区域切换为图3所示的第一通信区域A时天线阵列的纵向方向图如曲线E所示，天线阵列在车道的通讯区域切换为图4所示的第二通信区域B时天线阵列的纵向方向图如曲线F所示，天线阵列在车道的通讯区域切换为图5所示的第三通信区域C时天线阵列的纵向方向图如曲线G所示。三种方向图的副瓣电平都低于-23dB，使天线阵列在通信区域以外的方向的辐射很小。本实施例中，天线阵列的增益为15.8~17.6dBi。

如图14-16所示，分别为天线阵列在三种波束状态下OBU与RSU在车道上的通信区域测试结果，图中H点即为RSU在车道上的垂直投影位置，L线为车道中间线，测试结果和预期的通信区域范围基本吻合。而且根据OBU在车内静态通信测试结果，表明与仅具有一个固定通讯区域的RSU相比，本实施例的RSU与OBU的车内通信距离增加1.0~1.8m了，跑车测试结果表明OBU与RSU在更远的距离开始通信，且通信稳定，并未因波束的切换终端通信，车道测试结果表明使用本实施例的天线阵列实现的动态通信区域方案能很好地抑制邻道干扰和跟车干扰的发生。

实施例二：

请参考图17，本实施例与实施例一不同的是，RSU中的位置检测器主要包括以下组成部分：

定位天线，该定位天线设置在RSU中，由至少三个在同一直线上排布的接收天线11形成天线阵列，各接收天线11用于接收同一OBU发送的微波信号，一个接收天线11作为一个阵元，例如本实施方式中，接收天线11具有N个（N为大于3的自然数），为了提高定位的准确性，可设置相邻两个接收天线11的等效相位中心之间的间距d相等，该间距d优选取OBU发送的微波信号的波长λ的一半。本领域技术人员能够理解，接收天线11排布在同一直线上是指这些接收天线11的等效相位中心位于同一直线上，为了避免各接收天线11对应的信号接收通路的幅相不一致而对测量精度产生影响，尽量选择相同的接收天线，例如都选用圆极化喇叭天线，由于采用了增益（一般增益大于12dBi）较高的喇叭天线作为接收天线11，所以其方向性较强，对干扰信号有很好的抑制，可以达到比普通天线更高的定位精度。本实施例中，OBU发送的用于定位的微波信号可以是其与OBU通信过程中任何一个微波信号。

信号接收机12，具有多个，与定位天线中的各个接收天线11一对一地连接，用于接收来自各接收天线11的微波信号，并通变频转换将高频的微波信号转换成低频信号，并对其进行放大和滤波，使信号符合A/D转换的要求，最后将微波信号输入数字化处理器。处理后各信号的增益、相位等指标参数应当保持一致，保证各个信号接收通路相互之间的幅相测量误差最小，以提高定位精度。

数字化处理器，包括A/D单元13，与信号接收机12连接，用于对信号接收机12输出的微波信号进行A/D转换后的得到数字化信号，再进行数字化信号的变频处理和数字滤波后，得到正交的I、O两路信号，最后将其输入数字波束成形器14。

数字波束成形器(DBF)14，与数字化处理器信号连接，用于对数字化处理后的信号进行信号叠加和波束成形，并通过空域滤波确定成形的波束所对应的方位角，该方位角即OBU发送的微波信号的方位角，或者说微波信号与天线阵列法线之间的夹角。数字波束成型器14采用现场可编程门阵列(FPGA：Field-Programmable Gate Array)和数字信号处理(DSP：Digital Signal Processing)技术，对来各路阵元信号进行快速的并行数学运算处理，并根据自适应滤波算法优化的最大信噪比算法原则，对各阵元信号进行加权求和处理，最后形成波束信号，最后确定具有最大信噪比的波束信号所对应的方位角，即来自OBU的微波信号与天线阵列法线之间的夹角，得到该夹角后，数字波束成形器(DBF)14将该夹角的数值输入核心处理器，以便其结合接收天线11的安装高度和角度，计算出OBU相对于RSU在车道上的垂直投影位置前方的具体坐标，作为车辆的位置信息。

具体地，如图l 8所示，当定位天线中，假设各接收天线11之间的间距为d，微波信号的入射方向(即与天线线阵法线之间的夹角)为θ，如果设图18中标号为1的接收天线11为时间参考天线，则来自OBU的微波信号到达相邻接收天线11的波程差为dsinθ，到达相邻接收天线11的时间差为：

$\mathrm{\Δ\τ}=\frac{d\sin \mathrm{\θ}}{C}$ 其中，C为光速。

相邻接收天线11接收的微波信号的相位差为：

λ是微波信号所对应频率的中心波长。

各个编号的天线接收11的微波信号分别为：

x₁(t)＝s(t)e^jωt

$x_2\left(t\right)=s\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}}$

$x_N\left(t\right)=s\left(t\right)e^{\mathrm{j\ωt}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}$

天线阵列接收的微波信号写成矩阵形式为：

其中，αN(θ)为微波信号的方向矢量，数值只依赖于天线阵列的几何结构（已知）和微波信号的传播方向（未知）。

对N个接收的微波信号进行加权求和后，输出的成形后的信号为：

y(t)＝W ^H X(t)＝s(t)W ^H α(θ)

设P _W (θ)＝W ^H α(θ)为信号加权的方向图，当W ^H对某个方向θ ₀ 的信号同相相加时得到的P _W (θ₀)的模值最大，能够在微波信号来波方向形成最大信噪比，对于x(t)实际上实现了空域采样信号，因此对计算最大信噪比波束信号对应的方位角度、即通过空域滤波确定了θ ₀ ，而该方位角即为来自OBU的微波信号与天线阵列法线之间的夹角。

进一步地，定位装置还包括与定位天线中的各个信号接收机12连接的幅相校准器15，用于根据系统要求，在接收天线11空闲的情况下、按照一定的定时周期对各信号接收通路进行幅相校准，避免其在设备老化、工作环境温度变化等情况下出现的信号幅相不一致性的情况。

定位装置还包括波束控制器16，与数字波束成形器15连接，用于根据预设的约束条件控制数字波束成形器15，向其提供最佳的加权矢量控制信号。

以上实施例的天线、RSU可广泛用在多种DSRC应用系统中，尤其是使用在ETC系统中时，不仅能够确保通讯和收费的正常进行，而且能够有效避免跟车干扰现象，降低通讯和收费的错误率，提高收费效率。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

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。

Claims (10)

1.一种基于ETC的多波束天线，其特征在于，包括通信区域控制器和天线阵列，所述通信区域控制器用于根据检测到的车辆的位置信息，参照预设的车辆的位置信息与所述天线阵列在车道上的通信区域之间的对应关系，切换所述天线阵列在所述车道上的通信区域；

其中，所述通信区域具有至少两个，不同的通信区域与所述天线阵列之间具有不同距离，预设所述对应关系的具体方式为，车辆距离所述路侧单元越近，对应的所述通信区域与所述天线阵列之间的距离越小。

2.如权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述天线阵列包括馈电网络、多个天线单元和将各天线单元连接在所述馈电网络中的多个控制开关，所述控制开关包括开关元件和至少两个不同的移相单元，所述通信区域控制器具体用于通过切换所述开关元件与所述移相单元之间的开闭状态，改变所述天线阵列中所述天线单元的馈电相位，从而调整所述天线阵列所对应的波束指向所述车道上的位置。

3.如权利要求2所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元为微带天线单元，所述移相单元为信号传输线，不同的移相单元具有不同的长度。

4.如权利要求3所述的多波束天线，其特征在于，所述移相单元具有三个；所述通信区域包括第一通信区域，第二通信区域和第三通信区域，与所述路侧单元在所述车道上的垂直投影位置之间的纵向距离分别为6m～10m、3m～7m、0m～4m。

5.如权利要求2所述的多波束天线，其特征在于，所述开关元件为SP3T射频开关。

6.如权利要求2-5中任一项所述的多波束天线，其特征在于，所述馈电网络包括微带线、带状线或共面波导线。

7.如权利要求2-5中任一项所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元包括矩形贴片、圆形贴片、单馈点微带天线或多馈点微带天线。

8.一种RSU，其特征在于，包括：位置检测器，用于检测车辆的位置信息，还包括权利要求1-7中任一项所述的多波束天线，通信区域控制器与所述位置检测器信号连接。

9.如权利要求8所述的RSU，其特征在于，所述位置检测器包括;

定位天线，包括至少三个在同一直线上排布的接收天线，所述接收天线用于接收同一车载单元发送的微波信号；

信号接收机，与所述接收天线连接，用于接收所述微波信号后输入数字化 处理器；

数字化处理器，与所述信号接收机连接，用于对所述微波信号进行数字化处理；

数字波束成形器，与所述数字化处理器连接，对所述数字化处理后的信号进行加权求和处理后形成波束信号，并确定最大信噪比的波束信号所对应的方位角。

10.一种ETC系统，其特征在于，包括权利要求8或9所述的RSU。 

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