一种降低邻道干扰的不停车收费系统

2019-03-29马涛郑鑫

物联网技术 2019年2期

马涛郑鑫

摘要：随着城市车辆逐年增多，电子不停车收费系统（ETC）的应用日益广泛，大规模建设ETC同向多车道的需求越来越迫切，而多车道应用带来的邻道干扰问题则成为亟待解决的问题。文中提出一种新颖的防邻道干扰方案，对现有商用标签不做任何改动，做到向前兼容。该系统改变了原有防邻道干扰的传统观念，根据“多对一”的思路，判断出OBU所处车道，使所有RSU都可与之交易，系统信号强，交易稳定，可有效提高收费系统的工作效率。

关键词：电子不停车收费;邻道干扰;向前兼容;集中控制

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）02-00-02

0 引言

在ETC车道系统中，正常情况下，RSU与本车道上的OBU通信，完成交易并抬杆。相邻两个ETC车道间的OBU与RSU相互影响，OBU收到非本车道RSU的数据干扰时会导致交易失败，此现象称为邻道干扰现象[1-2]。

产生邻道干扰是双向的：一方面，OBU在与本车道天线建立链接前收到邻道天线的广播命令，从而与邻道天线建立链接，随着车辆行进，与主天线再次建立链接，两个链接的专用命令会对OBU造成干扰，以致交易失败;另一方面，邻道天线收到了OBU给其主道天线的回复，误判为给自己的回复，从而主动与OBU建立专向链路，导致交易失败。RSU的信号辐射超出本车道范围或OBU信号超出本车道范围是干扰产生的根本原因。

邻道干扰的来源是多方面的。例如，工程安装中，天线安装位置、天线下倾角度不符合实际情况;车道设计中，车道周围有大的反射物;天线发射功率设置不合适;OBU接收灵敏度不一致;OBU发射功率不一致等。以上情况都可能造成邻道干扰。由于实际车道的情况千差万别，要完全解决工程上的问题很困难。产品一致性问题就是目前大多数ETC厂家无法完全解决的难题。

现有的防邻道干扰方法大多希望约束RSU与OBU间的交易范围。此方法的实现较为困难，不仅对于RSU的天线设计会有较大难度，成本也会有较大增加，同时软件算法也要考虑很多因素。

本文提出一种新颖的防邻道干扰方案，旨在改变现有方案思路，改进其不足之处。

1 技术方案

为实现上述目的，本文创造性地提出一种新型的防邻道干扰系统[3-4]，系统主要包含以下部分：

（1）ETC天线模塊RSU。负责与OBU建立专用链接、完成ETC交易流程，受控于集中控制器。

（2）ETC标签模块OBU。用于存储车辆信息与电子钱包信息，响应RSU命令，完成ETC扣款交易。

（3）地感线圈。车道埋设的地感线圈负责向车道控制器上报本车道是否有车辆，地感线圈分为入车线圈、车牌抓拍线圈以及出车线圈。入车线圈负责上报车辆进入本车道交易区域信息;车牌抓拍线圈负责触发车牌抓拍相机工作;出车线圈负责上报车辆驶离本车道交易区域信息。在实际应用中，入车线圈可以与车牌抓拍线圈共用。

（4）车牌识别。目前常规的高速公路收费站车道均配有车牌识别系统，负责提取车辆的牌照信息，该系统主要起辅助作用，配备与否均可。

（5）车道控制器。与车道辅助设备（费率器、顶棚灯、道杆、牌照抓拍相机等）、RSU集中控制器、地感线圈等相连，控制相应设备。

（6）RSU集中控制器。与车道控制器相连，上报交易信息;与各车道RSU相连，控制交易流程;根据各车道上报的信息集中判断来车位置，统一调度交易流程。该集中控制器具有强大的处理能力，可部署在多车道的某个收费岗亭或收费站区。由于多个车道只需部署一台集中控制器，因此大大降低了部署难度与成本。

具体车道部署时，同一收费站的入口或出口的所有ETC车道RSU均设为同一信道、同一RSUID。系统部署见图1。

系统工作时主要包含以下步骤：

（1）车辆进入车道，触发入车地感线圈，入车信号上报至车道控制器;

（2）车道控制器将入车信息通知RSU集中控制器;

（3）RSU集中控制器控制所有车道RSU，并发送BST数据帧;

（4）车辆上的OBU收到BST后回复VST数据帧，各车道RSU收到VST数据帧的同时可测量OBU回复信息的射频接收信号强度RSSI;

（5）各车道RSU将收到的VST信息中的车牌信息以及RSSI信息上报至RSU集中控制器;

（6）RSU集中控制器将车牌信息上报至车道控制器，并利用各车道RSU上报的RSSI信息，使用最佳估计法或概率统计法判断出车辆所处车道，然后将判断信息上报车道控制器;

（7）车道控制器将RSU控制器上报的车牌信息、车道判断信息和地感线圈判断的车道信息、车牌识别系统识别出的车牌进行比对，最终确认车辆所处车道;

（8）RSU集中控制器控制各车道RSU与车辆上的OBU完成后续交易流程，该过程各车道RSU同时向同一个OBU发送信息，保证OBU的接收效果;

（9）RSU集中控制器将完成交易的OBUID上报至车道控制器;

（10）车道控制器控制对应车道的车道栏杆打开;

（11）车辆驶离车道，出车线圈上报驶离信息至车道控制器。

系统工作步骤简图如图2所示。

2 系统工作流程

本文系统首先要求同一ETC站点的RSU统一规划天线号，天线号与车道号一致，每个RSU都将自己的天线号作为其在本站点的唯一标识，并且同一站点（出口或者入口）的RSU均使用相同信道[5]（信道0或信道1）。当入车地感线圈没有被触发时（即没有车辆在交易队列中），RSU均处于静默状态，不发送任何信号。

当载有OBU的车辆驶入站点任意一个ETC车道时，首先触发入车地感线圈，同时车牌抓拍照相机拍摄车牌并识别，车道控制器控制RSU集中控制器使得所有RSU同步（也可采用时隙制度分步发送）发送唤醒BST信号，OBU接收后回复VST信号，其中包含车辆的车牌信息等。各车道RSU接收到VST的同时可测量OBU回复信号的强度（即RSSI），各RSU将接收到的RSSI上报至RSU集中控制器，该控制器使用最佳估计法或概率统计法判断出车辆所处车道，与地感和车牌识别上报的信息进行比对，确认车辆所处车道。之后的交易流程均由RSU集中控制器对各RSU进行控制完成，当交易流程完成后，RSU集中控制器将交易完成的确认信息以及该车辆的车道信息上报至车道控制器，车道控制器控制车道设备进行显示、抬杆等操作，允许过车。

如果有多辆车在各车道进行交易，原理相同，各车道RSU发送的信息均由RSU集中控制器进行管理。

3 结语

本文相对于现有系统具有如下优点和效果：

（1）使用集中控制，节约车道配置，降低了成本及施工难度;

（2）当没有车辆在交易范围内时，RSU关闭，从而节约能源，降低辐射，绿色环保;

（3）改变了之前防邻道干扰的传统观念，传统方法主要是控制交易范围，不让本车道的RSU信号打扰其他车道，这无疑加大了天线的设计难度，提升了设计成本，而本文方案提出“多对一”的建议，判断出OBU所处车道后，使所有RSU都可与之交易，不仅信号强，交易稳定，还极大地提升了系统效率。

本文方法论述的设备和方案已经设计并实现，目前已完成系统模拟商用。经过实践证明，该系统完全满足设计要求，合理、实用。

参考文献

[1]金涛，张海峰，李沁南，等.高速公路ETC车道单双天线布局的分析与比较[J].现代电子技术，2012，35（17）：150-153.

[2]马涛，郑鑫.新型ETC数据侦听和故障定位系统的设计[J].电讯技术，2017，57（4）：412-417.

[3]严林祥，张红雨.基于nRF24L01的防拆卸有源电子标签设计[J]. 电子技术应用，2013，39（8）：44-46.

[4]郑鑫，马涛.新型电子标签防拆卸机制[J].物联网技术，2016，6（3）：26-27.