專利名稱：基于wlan的etc系統(tǒng)車載單元及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能交通(ITS)技術領域，涉及一種應用于高速公路或城市道路電子不停車 收費系統(tǒng)(ETC)中的車載單元(OBU)，尤其涉及一種基于無線局域網(wǎng)(WLAN)技術實現(xiàn)的電 子不停車收費系統(tǒng)的車載單元和實現(xiàn)方法。
背景技術：
隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，不斷增長的汽車保有量與有限的道路面積的矛盾日益突出。 為了解決這一矛盾，除了大力修建道路之外，提高現(xiàn)有道路的利用效率也是重要的一環(huán)。在 這一背景下，智能交通系統(tǒng)日益成為當今世界研究發(fā)展的熱點。電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)及其技術是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，它是解決收費道 路上交通擁擠、堵塞和其它弊端、提高現(xiàn)有道路運行安全和效率的重要技術手段。車載單元 (OBU)作為ETC系統(tǒng)的重要組成部分，對整個ETC系統(tǒng)的正常運行和性能的可靠保證起著至 關重要的作用。車載單元安裝在車輛前擋風玻璃的內(nèi)側(cè)，通過與公路或者城市道路一側(cè)的路 邊單元(RSU)進行通信，來實現(xiàn)對于行駛在公路或者城市道路上的車輛進行不停車收費，從 而允許車輛高速通過，大大提高公路或者城市道路的通行能力。
目前現(xiàn)有ETC系統(tǒng)的車載單元采用基于5.8GHz頻段的射頻識別技術(RFID)，僅僅為一個無源的或者低功耗的車載電子標簽，相當于一個存儲卡介質(zhì)，只是用于存儲己經(jīng)綁定的用 戶及車輛信息，并始終保持被動工作狀態(tài)，只能由路邊單元中的讀卡器為其提供能量進行通信的連接和交易過程。這導致了在技術性能指標上，具有信號抗干擾能力差、通信交易成功 率低(80%)、通信距離近(lOm)、支持車輛的移動速度低(不到30km/h)、支持車輛信息傳 輸速率低(上、下行鏈路只有500kbps)、多址能力差(即在同一時間，只能有一個車載單元 和一個路邊單元進行通信的連接和交易過程)等諸多弱點。由于是無源的或者低功耗的標簽, 所以車載單元發(fā)射的通信信號能量非常微弱，抗干擾性很差，使得目前路邊單元與車載單元 的通信交易成功率僅為80%。此外，目前ETC系統(tǒng)中車載單元所支持的車輛通行速度也只有 不到30km/h，通信距離為10m，這一車輛通行速度和通信距離對于緩解高速公路或者城市道路自由流車輛的通行壓力來說，顯然是不能滿足的。同時，在信息傳輸速率方面，現(xiàn)有基于 5.8GHz頻段的射頻識別技術(RFID)的ETC系統(tǒng)的車載單元所支持的信息傳輸速率在上、下 行鏈路上都只有500kbps，這對于傳輸圖片等信息量大的數(shù)據(jù)以及多個車載單元同時與一個
路邊單元來進行通信和交易的情況來說，顯然是不夠的。綜上所述，現(xiàn)有基于5. 8GHz頻段射 頻識別技術(RFID)的ETC系統(tǒng)車載單元根本無法滿足用戶車輛在通行速度(達到100km/h)、 通信質(zhì)量(交易成功率在99%以上)以及通信有效性(可實現(xiàn)圖片等信息量大的數(shù)據(jù)的傳輸) 的要求。隨著通信技術的發(fā)展，無線局域網(wǎng)(WLAN)技術逐漸成熟起來。WLAN是指采用無線介質(zhì) 傳輸?shù)挠嬎銠C局域網(wǎng)，采用的標準是IEEE 802. lla/b/g系列。WLAN可以在中、短程的范圍 內(nèi)，為移動或半移動的用戶提供高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的寬帶接入服務。與射頻識別技術相比， WLAN技術具有安裝簡單、建設周期短，成本低的突出優(yōu)點。但是，WLAN技術主要應用于50m 100m范圍內(nèi)的無線局域網(wǎng)互聯(lián)，網(wǎng)絡終端都處于靜止或者低速移動(5km/h以下)的狀態(tài)。 而在ETC系統(tǒng)中，要求車載單元支持的移動終端運動速度一般都在30km/h以上。因此，WLAN 技術被普遍認為不適合用在ETC系統(tǒng)車載單元中。但本發(fā)明努力克服上述技術偏見，采用新的技術手段將WLAN技術應用到ETC系統(tǒng)，現(xiàn)有 的ETC系統(tǒng)車載單元中沒有采用WLAN技術進行與路邊單元無線通信的先例。 發(fā)明內(nèi)容為了克服上述技術偏見，本發(fā)明的目的在于提供一種采用WLAN芯片及技術來代替現(xiàn)有射 頻識別技術的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元及其實現(xiàn)方法，該車載單元支持高速移動的車輛。 為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，包括-一無線網(wǎng)卡，用于與電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元建立數(shù)據(jù)通信連接； 一中央處理單元，用于處理數(shù)據(jù)指令；以及 一數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲用戶信息和車輛信息；其中，所述無線網(wǎng)卡與中央處理單元相連接，并由央處理單元驅(qū)動工作；中央處理單元 讀取數(shù)據(jù)存儲單元中的用戶信息和車輛信息并傳送至無線網(wǎng)卡；無線網(wǎng)卡將接收到的用戶信 息和車輛信息進行處理后發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。其中，所述無線網(wǎng)卡包括一MAC層協(xié)議處理單元，用于按照已經(jīng)寫入的協(xié)議內(nèi)容對數(shù)據(jù)進行編碼、封裝； 一基帶處理單元，用于對數(shù)據(jù)進行調(diào)制、擴頻、轉(zhuǎn)換處理； 一射頻處理單元，用于對數(shù)據(jù)進行變頻處理；以及 一天饋單元，用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)信息；其中，所述MAC層協(xié)議處理單元與中央處理單元和基帶處理單元分別連接，中央處理單
元傳送過來的數(shù)據(jù)進入MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對接收到的數(shù)據(jù)處理后， 傳送至基帶處理單元；所述基帶處理單元和射頻處理單元相連接，并將獲得的數(shù)據(jù)信息進行 處理后傳送至射頻處理單元；所述射頻處理單元與天饋單元相連接，射頻處理單元處理后的 數(shù)據(jù)信息經(jīng)由天饋單元發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。 其中，所述無線網(wǎng)卡的天饋單元為一個內(nèi)置的全向天線。其中，所述無線網(wǎng)卡的基帶處理單元采用正交頻分復用和二進制移相鍵控相結(jié)合的擴頻 調(diào)制方式。其中，所述的數(shù)據(jù)存儲單元包括內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元和外部數(shù)據(jù)存儲單元； 所述內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲車輛信息；所述外部數(shù)據(jù)存儲單元為一外部存儲卡介質(zhì)，用于存儲用戶信息。 其中，上述車載單元還包括存儲卡讀卡器；所述存儲卡讀卡器與外部數(shù)據(jù)存儲單元相連接，用于讀取外部數(shù)據(jù)存儲單元中的用戶信息；所述存儲卡讀卡器與中央處理單元相連接，將從外部數(shù)據(jù)存儲單元中讀取的用戶信息傳 送至中央處理單元。其中，上述車載單元還包括外部輔助組件，所述外部輔助組件直接或間接與中央處理單 元相連接。其中，所述外部輔助組件可以為以下組件的任意組合人機接口、電源單元、終端安全 控制模塊、顯示器、防盜系統(tǒng)、電源指示燈或狀態(tài)指示燈。為達到上述目的，本發(fā)明一種實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，包括(I) 車載單元通過無線網(wǎng)卡在無線局域網(wǎng)的范圍內(nèi)與路邊單元建立數(shù)據(jù)通信連接； (2 )無線網(wǎng)卡將用戶信息和車輛信息處理后發(fā)送至路邊單元。其中，所述步驟(1)具體為(II) 車載單元的無線網(wǎng)卡以一定時間間隔周期性地向路邊單元發(fā)送探詢幀，等待后接 收到路邊單元的探詢響應幀；(12)無線網(wǎng)卡在接收到路邊單元的探詢響應幀后，再發(fā)送建立鏈接請求幀給路邊單元， 等待后接收到路邊單元的建立鏈接成功響應幀。 其中，所述步驟(2)具體為 (21)車載單元的中央處理單元調(diào)用數(shù)據(jù)存儲單元，并從中讀取用戶信息和車輛信息傳送至車載單元的無線網(wǎng)卡；(22)無線網(wǎng)卡對接收到的用戶信息和車輛信息進行處理后發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng) 的路邊單元。其中，所述的步驟(21)具體為(211) 車載單元的中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元并從中讀取車輛信息，同時驅(qū)動 存儲卡讀卡器從數(shù)據(jù)存儲單元的外部數(shù)據(jù)存儲單元中讀取用戶信息；(212) 終端安全控制模塊對外部數(shù)據(jù)存儲單元進行安全認證，通過后，用戶信息傳送至 中央處理單元，并進行顯示；否則，提示數(shù)據(jù)錯誤信息，并進行顯示。其中，所述的步驟(22)具體為(221) 無線網(wǎng)卡的MAC層協(xié)議處理單元接收到中央處理單元傳送來的車輛信息和用戶信 息后，對接收的數(shù)據(jù)信息進行編碼、封裝、添加包頭，然后傳送至無線網(wǎng)卡的基帶處理單元；(222) 無線網(wǎng)卡的基帶處理單元對接收到的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制擴頻后，再經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換， 然后傳送至射頻處理單元；(223) 射頻處理單元將接收到的數(shù)據(jù)信息傳送至天饋單元，由天饋單元發(fā)送至電子不停 車收費系統(tǒng)的路邊單元。其中，所述步驟(221)中，MAC層協(xié)議處理單元基于載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免協(xié)議 進行通信。其中，所述步驟(222)中，所述的基帶處理單元對接收到的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制擴頻的方 式為采用二進制移相鍵控調(diào)制和正交頻分復用擴頻相結(jié)合的方式。其中，所述步驟(223)中，進入射頻單元的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過變頻、混頻和功率放大處理后 再進入天饋單元，由天饋單元發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。其中，所述的變頻處理過程中，基帶信號的頻率調(diào)制為5.8GHz。其中，所述車載單元與路邊單元通過無線局域網(wǎng)協(xié)議進行通信連接，所述的無線局域網(wǎng) 協(xié)議包括但不限于IEEE802. 11協(xié)議。本發(fā)明所提供的基于WLAN的電子不停車收費系統(tǒng)車載單元采用多種技術手段，有效克服了無線局域網(wǎng)技術不適合于電子不停車收費系統(tǒng)車載單元的技術偏見。與現(xiàn)有采用射頻識別技術的電子不停車收費系統(tǒng)車載單元相比較，本發(fā)明的車載單元具有支持移動終端的高速移動性(最高車速可達180km/h)、支持更多用戶多址通信(可同時接入60個用戶車輛)、支持更遠距離通信(180m以上)以及高效率(上、下行鏈路信息傳輸速率可達6Mbps,遠遠高于采
用射頻識別技術的ETC系統(tǒng)路邊單元的500kpbs的信息傳輸速率，及高工作效率)、高通信交 易成功率(99%)、功能完備、性能指標優(yōu)良的特點，因此，無論從功能實現(xiàn)還是技術性能指 標上，對于電子不停車收費系統(tǒng)車載單元的推廣應用以及行業(yè)技術進步具有極其重要的意義。


圖1為本發(fā)明基本的車載單元OBU的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明完備的車載單元OBU的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的車載單元OBU中無線網(wǎng)卡的信號處理工作原理圖； 圖4為本發(fā)明的完備的車載單元OBU的工作流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明電子不停車收費系統(tǒng)的車載單元，基本的路邊單元具體結(jié)構(gòu)如圖1所示必要的基本單元包括MAC層協(xié)議處理單元、基帶處理單元(BBP)、射頻處理單元(RF)、天饋單元(內(nèi) 置全向天線)、中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元、存儲卡讀卡器、電源單元、人機接 口以及外部數(shù)據(jù)存儲單元。其中，車載單元安裝在車輛前擋風玻璃內(nèi)側(cè)，通過與路邊單元建 立通信來交換數(shù)據(jù)信息，從而完成對行駛在公路或者城市道路上的車輛進行不停車收費交易。 上述的MAC層協(xié)議處理單元、基帶處理單元、射頻處理單元和天饋單元組成車載單元的 無線網(wǎng)卡；天饋單元為一個內(nèi)置全向天線；中央處理單元(CPU)采用單片機8051，用于控 制和處理與其它功能模塊交互的數(shù)據(jù)信息，并驅(qū)動無線網(wǎng)卡，將車輛及用戶信息傳輸給MAC 層協(xié)議處理單元。其中，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元與中央處理單元CPU相連，用于存儲車輛信息，包括車牌信息、 車型、載人量、載重量等；存儲卡讀卡器與中央處理單元CPU相連，用于讀取外部數(shù)據(jù)存儲單元的存儲卡介質(zhì)中的 用戶信息，如用戶身份信息、存款信息。該讀卡器支持雙界面模式，其接觸式接口遵循 IS0/IEC7816國際標準，其非接觸式接口符合IS0/IEC14443國際標準；電源單元用于為車載單元提供運行所必需的能量；人機接口與電源單元相連，用于用戶控制車載單元OBU的開關，即當使用車輛通過ETC 系統(tǒng)時，利用人機接口將車載單元OBU打開，當停止使用時，利用人機接口將車載單元OBU 關閉；外部數(shù)據(jù)存儲單元即用于存儲用戶信息數(shù)據(jù)的存儲卡介質(zhì)，其與存儲卡讀卡器相連，用 于與存儲卡讀寫器交互用戶信息，如用戶身份信息、存款信息。
其中，電源單元、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元、存儲卡讀卡器以及MAC層協(xié)議處理單元均直接連 接到中央處理單元(CPU),當人機接口開啟后，存儲卡讀卡器從外部存儲單元的存儲卡介質(zhì) 獲取用戶信息，并將用戶信息傳送至中央處理單元，然后中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單 元中的車輛信息， 一同傳輸給MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對數(shù)據(jù)信息進行編 碼，打包封裝，添加包頭，然后經(jīng)基帶處理單元調(diào)制和擴頻后，經(jīng)數(shù)模變換，再將處理后的 數(shù)據(jù)信息傳送至射頻處理單元，并經(jīng)由天饋單元發(fā)送出去。本發(fā)明的電子不停車收費系統(tǒng)車載單元還包括以下可選的外部輔助組件液晶顯示屏(LCD)、終端安全控制模塊(PSAM)、電源指示燈、狀態(tài)指示燈以及防盜系統(tǒng)。除了終端安全 控制模塊(PSAM)與存儲卡讀卡器相連外，其它單元都與中央處理單元(CPU)相連，完備的 路邊單元具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。液晶顯示屏用于顯示交易信息和電量信息；終端安全控制模塊(PSAM)用于對存儲卡進行安全認證；電源指示燈用于顯示車載單元OBU的On/Off狀態(tài)；狀態(tài)指示燈用于顯示車載單元的工作/休眠/異常狀態(tài)；防盜系統(tǒng)用于防止車載單元被挪移盜用。其中，電源單元、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元、液晶顯示屏、存儲卡讀卡器、電源指示燈、狀態(tài) 指示燈、防盜系統(tǒng)以及MAC層協(xié)議處理單元均直接連接到中央處理單元(CPU),當人機接口 開啟后，電源單元啟動給OBU上電，電源指示燈點亮，存儲卡讀卡器從外部數(shù)據(jù)存儲單元中 的存儲卡介質(zhì)獲取用戶信息，該信息被顯示在液晶顯示屏上，同時終端安全控制模塊(PSAM) 對存儲卡進行安全認證，通過后，將用戶信息傳送至中央處理單元，否則，提示數(shù)據(jù)錯誤信 息，顯示在液晶屏上。然后中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元中的車輛信息， 一同傳輸給 MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對接收到的車輛信息和用戶數(shù)據(jù)信息進行編碼，打 包封裝，添加包頭，然后經(jīng)基帶處理單元調(diào)制和擴頻后，經(jīng)數(shù)模變換，再將處理后的數(shù)據(jù)信 息傳送至射頻處理單元，并經(jīng)由天饋單元發(fā)送出去。車載單元(0BU)的作用在于建立通信以接入無線局域網(wǎng)，并且發(fā)送及接收相關數(shù)據(jù)信息， 包括首先向路邊單元的無線接入點(AP)以一定的時間間隔周期性地發(fā)送探詢幀，并接收AP 發(fā)送的響應幀，在與AP建立通信連接后，車載單元中的CPU便要求存儲卡讀卡器從存儲卡介 質(zhì)中讀取用戶信息，并調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元中的車輛信息，之后通過無線網(wǎng)卡發(fā)送給路邊 單元。
在本發(fā)明中，車載單元與現(xiàn)有ETC系統(tǒng)中使用的車載單元有著本質(zhì)區(qū)別本發(fā)明中的路 邊單元率先采用先進的WLAN技術，使得車載單元不再是一個被動工作的無源的或者低功耗的 車載電子標簽，而是一個主動和路邊單元建立通信連接并完成交易的智能設備。本發(fā)明的車載單元包括必要的基本單元天饋單元(內(nèi)置全向天線)、射頻處理單元(RF)、基帶處理單元(BBP)、 MAC層協(xié)議處理單元、中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元、存 儲卡讀卡器、電源單元、人機接口以及外部數(shù)據(jù)存儲單元；以及可選的外部輔助組件包括 液晶顯示屏(LCD)、終端安全控制模塊(PSAM)、電源指示燈、狀態(tài)指示燈以及防盜系統(tǒng)。這 使得本發(fā)明的車載單元在技術性能指標上，具有信號抗干擾能力強、高通信交易成功率(9990、 通信距離遠(180m)、支持車輛的移動速度高(達到180km/h)、支持車輛信息傳輸速率高(上、 下行鏈路達到6Mbps)、多址能力極強(即在同一時間，允許60個車載單元和一個路邊單元 進行通信的連接和交易過程)等諸多優(yōu)點。本發(fā)明的車載單元基本的結(jié)構(gòu)示意圖可參見圖1， 完備的結(jié)構(gòu)示意圖可參見圖2。一種實現(xiàn)電子不停車收費系統(tǒng)車載單元的方法，該電子不停車收費系統(tǒng)車載單元的必要 的基本單元包括天饋單元(內(nèi)置全向天線)、射頻處理單元(RF)、基帶處理單元(BBP)、 MAC層協(xié)議處理單元、中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元、存儲卡讀卡器、電源單元、 人機接口以及外部數(shù)據(jù)存儲單元；可選的外部輔助組件包括液晶顯示屏(LCD)、終端安全 控制模塊(PSAM)、電源指示燈、狀態(tài)指示燈以及防盜系統(tǒng)。所述車載單元安裝在車輛前擋風 玻璃內(nèi)側(cè)，通過與路邊單元建立通信來交換數(shù)據(jù)信息，從而完成對行駛在公路或者城市道路 上的車輛進行不停車收費交易。上述車載單元和所述路邊單元之間通過無線局域網(wǎng)協(xié)議進行通信，其中無線局域網(wǎng)協(xié)議包括但不限于IEEE802.11協(xié)議。上述車載單元和路邊單元進行通信的過程中，對基帶信號采用正交頻分復用(OFDM)與 二進制移相鍵控(BPSK)相結(jié)合的調(diào)制方式。在信號處理過程中，首先MAC層協(xié)議處理單元接收到CPU發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息后，對數(shù)據(jù)信息進行編碼處理，打包封裝，添加包頭，然后傳送到基帶處理單元，基帶處理單元利用多個子載波對經(jīng)過二進制移相鍵控調(diào)制處理的基帶信號進行正交頻分復用擴頻處理，然后進行數(shù)模變換，之后將變換后的模擬信號傳送給射頻處理單元；在射頻處理單元，對處理后的基帶信號進行變頻處理，然后經(jīng)由天饋單元發(fā)射出去。在變頻處理過程中，將所述基帶信號的頻率調(diào)制為5.8GHz。
車載單元和路邊單元進行通信的過程中，MAC層基于載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免協(xié)議進 行通信。本發(fā)明的完備的車載單元的工作原理如下第一，開啟人機接口，接通電源單元，讓車載單元0BU進入啟動工作狀態(tài)，此時電源指 示燈將點亮；第二，當人機接口開啟后，中央處理單元(CPU)驅(qū)動存儲卡讀卡器從外部數(shù)據(jù)存儲單元 的存儲卡介質(zhì)獲取用戶信息，該信息將被顯示在液晶顯示屏中，同時終端安全控制模塊(PSAM) 對存儲卡進行安全認證，通過后，將用戶信息傳送至中央處理單元，否則，提示數(shù)據(jù)錯誤信 息，顯示在液晶屏上，之后中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元中的車輛信息，然后一同傳 輸給MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對接收到的車輛信息和用戶數(shù)據(jù)信息進行編 碼，打包封裝，添加包頭，然后經(jīng)基帶處理單元調(diào)制和擴頻后，經(jīng)數(shù)模變換，再將處理后的 數(shù)據(jù)信息傳送至射頻處理單元，并經(jīng)由天饋單元發(fā)送出去。無線網(wǎng)卡處理數(shù)據(jù)信息的過程如下-第一，MAC層協(xié)議處理單元接收到CPU發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息后，在數(shù)據(jù)鏈路層對數(shù)據(jù)信息進 行編碼處理，添加數(shù)據(jù)幀頭及校驗碼，打包封裝，添加包頭，然后傳送到基帶處理單元；第二，基帶處理單元利用相互完全正交的多個子載波對已經(jīng)過二進制移相鍵控調(diào)制處理 的基帶數(shù)字信號進行正交頻分復用擴頻處理，然后進行數(shù)字/模擬變換，之后將變換后的模擬 信號傳送給射頻處理單元；第三，在射頻處理單元，對處理后的基帶信號進行變頻處理，以調(diào)制到5.8GHz頻段，然 后經(jīng)由天饋單元將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。圖3為上述車載單元0BU中無線網(wǎng)卡的信號處理工作原理圖。如圖3所示在MAC層協(xié)議處理部分，MAC層協(xié)議處理單元對接收到的數(shù)據(jù)信息進行編碼，即添加包頭并進行封裝，然后傳送給基帶信號處理單元；在基帶信號處理部分，基帶信號處理單元首先對信號進行數(shù)據(jù)調(diào)制，采用二進制移相鍵控(BPSK)調(diào)制方式，接著將經(jīng)調(diào)制的信號再進行正交頻分復用(OFDM)的處理，然后進行信號的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換，形成模擬信號并進入射頻處理單元；在射頻信號處理部分，前述的模擬信號進入一個四元組中頻調(diào)節(jié)器，而晶振產(chǎn)生的一路振蕩信號也經(jīng)過合成器之后接入該四元組中頻調(diào)節(jié)器，四元組中頻調(diào)節(jié)器將信號的同相分量和正交分量合成以形成完整的信號，該信號經(jīng)過帶通濾波器(BPF)與來自晶振的經(jīng)過合成器的另外一路振蕩信號一同進入混頻器進行混頻處理，經(jīng)混頻后的模擬信號進入功率放大器以增強信號 能量，然后經(jīng)由另外一個帶通濾波器(BPF)后，由天饋系統(tǒng)發(fā)送出去。下面再詳細介紹在適合于低速移動環(huán)境下的WLAN技術應用到ETC系統(tǒng)車載單元中時主要的技術難題及相應的解決方案。目前，WLAN技術已經(jīng)非常成熟，相關的技術標準己被廣泛認可。其主要是針對戶內(nèi)無線 局域網(wǎng)及戶外低速(小于10km/h)移動終端的無線接入場合，可以提供數(shù)據(jù)傳輸速率達到 11Mbps以上的高速通信，但其不支持高速移動性。因此，針對戶外高速(高于10km/h)移動的 終端，由WLAN技術來提供無線接入被認為是不適合的。針對這一問題，本發(fā)明的基本解決思 路在于鑒于ETC系統(tǒng)車載單元對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不是很高(低于lMbps)，因此，可以以 犧牲通信有效性為代價來換取可靠性、工作距離、成本方面的利益。具體而言，改進工作體現(xiàn)在以下方面在車載單元(OBU)和路邊單元(RSIJ)的通信過程中，采用正交頻分復用(OFDM)和二 進制移相鍵控(BPSK)相結(jié)合的調(diào)制方式。在ETC系統(tǒng)車載單元中，為保證信號的正常通信，對于基帶芯片和MAC層協(xié)議模塊的處 理以及射頻芯片的處理都至關重要。由于原有WLAN芯片的基本模塊已經(jīng)集成，因此將其應用 于ETC系統(tǒng)車載單元時需要對其進行局部改進，采用新的編碼方式、調(diào)整數(shù)據(jù)調(diào)制方式。具體而言，本發(fā)明在車載單元中的進行基帶信號處理的芯片上，不使用通常采用的DSSS (直接序列擴頻)擴頻方式，而是采用正交頻分復用(OFDM)和二進制移相鍵控(BPSK)相 結(jié)合的擴頻調(diào)制方式。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，其基本思想在于在頻域內(nèi)將 給定信道利用傅立葉逆變換分成許多相互正交的子信道，在每條子信道上利用一個子載波進 行調(diào)制，并且各個子載波并行傳輸，然后串行成一路信號并經(jīng)傅立葉變換轉(zhuǎn)換成時域信號。 由于采用正交頻率的概念來區(qū)分不同的載波支路，因此允許各個載波頻段相互重疊，從而顯 著提高了頻譜利用率。BPSK也是一種常用的數(shù)字信號調(diào)制方式，廣泛用于衛(wèi)星、微波通信、 廣播電視等諸多領域。例如在現(xiàn)有ETC系統(tǒng)車載單元中，上行數(shù)據(jù)即采用BPSK方式加以處理。在本發(fā)明中，車載單元進行通信時，首先利用52個子載波對經(jīng)過BPSK調(diào)制處理的基帶信號進行OFDM擴頻處理，此時OFDM符號的每個子載波上均是采用BPSK調(diào)制方式，其中4個用于傳送導頻信號以用于實現(xiàn)信道跟蹤和同步。每個OFDM符號的總長度為4ys，其中包括保護間隔的長度0.8us。然后進入射頻部分；在射頻信號處理部分，增加了一個變頻器，并通過一次變頻將基帶信號調(diào)制到5.8GHz頻段，而后經(jīng)過混頻及功率放大器處理，然后由天饋單元發(fā)射出去。這里之所以要調(diào)制到5. 8GHz是因為現(xiàn)行ETC系統(tǒng)國家標準所規(guī)定的通信頻段
為5. 795 — 5. 815GHz。下面進一步介紹本ETC系統(tǒng)車載單元的工作過程。本發(fā)明所提供的ETC系統(tǒng)車載單元 (OBU)可以提供穩(wěn)定可靠的無線通信鏈路(》6Mbps);支持高速移動下的不停車收費功能 (0km/h 180km/h);并在一次交易失敗后有足夠的通信距離和時間可以實現(xiàn)二次以上的交易。 其具體的工作過程如圖4所示，包括如下步驟第一，打開人機接口，接通車載單元電源單元，讓車載單元進入啟動工作狀態(tài)，此時電 源指示燈將點亮；第二，當人機接口開啟后，中央處理單元(CPU)驅(qū)動存儲卡讀卡器從外部數(shù)據(jù)存儲單元 的存儲卡介質(zhì)獲取用戶信息，該信息將被顯示在液晶顯示屏上，同時終端安全控制模塊(PSAM) 對存儲卡進行安全認證，通過后，將用戶信息傳送至中央處理單元，否則，提示數(shù)據(jù)錯誤信 息，顯示在液晶屏上；第三，中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元中的車輛信息，然后連同用戶信息一同傳輸 給MAC層協(xié)議處理單元；第四，MAC層協(xié)議處理單元接收到CPU發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息后，在數(shù)據(jù)鏈路層對數(shù)據(jù)信息進 行編碼處理，添加數(shù)據(jù)幀頭及校驗碼，打包封裝，添加包頭，然后傳送到基帶處理單元；第五，基帶處理單元利用相互完全正交的多個子載波對已經(jīng)過二進制移相鍵控調(diào)制處理 的基帶數(shù)字信號進行正交頻分復用擴頻處理，然后進行數(shù)字/模擬變換，之后將變換后的模擬 信號傳送給射頻處理單元；第六，在射頻處理單元，對處理后的基帶信號進行變頻處理，以調(diào)制到5.8GHz頻段，然 后經(jīng)由天饋單元將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。本發(fā)明所提供的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元采用多種技術手段，有效克服了 WLAN技 術不適合于ETC系統(tǒng)車載單元的技術偏見，與現(xiàn)有采用射頻識別技術的ETC系統(tǒng)車載單元相 比較，本發(fā)明的車載單元具有支持移動終端的高速移動性(最高車速可達180km/h)、支持更 多用戶多址通信(可同時接入60個用戶車輛)、支持更遠距離通信(180tn以上)以及高速率 (上、下行鏈路信息傳輸速率可達6Mbps，遠遠高于采射頻識別技術的ETC系統(tǒng)路邊單元的 500kpbs的信息傳輸速率，及高工作效率)、高通信交易成功率(99%)、功能完備、性能指標 優(yōu)良的特點，因此，無論從功能實現(xiàn)還是技術性能指標上，對于ETC系統(tǒng)車載單元的推廣應 用以及行業(yè)技術進步具有極其行重要的意義。
權(quán)利要求
1、 基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，包括一無線網(wǎng)卡，用于與電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元建立數(shù)據(jù)通信連接； 一中央處理單元，用于處理數(shù)據(jù)指令；以及 一數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲用戶信息和車輛信息；其中，所述無線網(wǎng)卡與中央處理單元相連接，并由央處理單元驅(qū)動工作；中央處理單元讀取數(shù)據(jù)存儲單元中的用戶信息和車輛信息并傳送至無線網(wǎng)卡；無線網(wǎng)卡將接收到的用戶信 息和車輛信息進行處理后發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，所述無線網(wǎng)卡包括一MAC層協(xié)議處理單元，用于按照己經(jīng)寫入的協(xié)議內(nèi)容對數(shù)據(jù)進行編碼、封裝； 一基帶處理單元，用于對數(shù)據(jù)進行調(diào)制、擴頻、轉(zhuǎn)換處理； 一射頻處理單元，用于對數(shù)據(jù)進行變頻處理；以及 一天饋單元，用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)信息；其中，所述MAC層協(xié)議處理單元與中央處理單元和基帶處理單元分別連接，中央處理單 元傳送過來的數(shù)據(jù)進入MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對接收到的數(shù)據(jù)處理后， 傳送至基帶處理單元；所述基帶處理單元和射頻處理單元相連接，并將獲得的數(shù)據(jù)信息進行 處理后傳送至射頻處理單元；所述射頻處理單元與天饋單元相連接，射頻處理單元處理后的 數(shù)據(jù)信息經(jīng)由天饋單元發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，所述無線網(wǎng)卡 的天饋單元為一個內(nèi)置的全向天線。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，所述無線網(wǎng)卡 的基帶處理單元采用正交頻分復用和二進制移相鍵控相結(jié)合的擴頻調(diào)制方式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)存 儲單元包括內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元和外部數(shù)據(jù)存儲單元；所述內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲車輛信息；所述外部數(shù)據(jù)存儲單元為一外部存儲卡介質(zhì)，用于存儲用戶信息。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，還包括存儲卡讀卡器；所述存儲卡讀卡器與外部數(shù)據(jù)存儲單元相連接，用于讀取外部數(shù)據(jù)存儲單元中的用戶信息；所述存儲卡讀卡器與中央處理單元相連接，將從外部數(shù)據(jù)存儲單元中讀取的用戶信息傳 送至中央處理單元。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，還包括外 部輔助組件，所述外部輔助組件直接或間接與中央處理單元相連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元，其特征在于，所述外部輔助 組件可以為以下組件的任意組合人機接口、電源單元、終端安全控制模塊、顯示器、防盜 系統(tǒng)、電源指示燈或狀態(tài)指示燈。
9、 一種實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，包括(1) 車載單元通過無線網(wǎng)卡在無線局域網(wǎng)的范圍內(nèi)與路邊單元建立數(shù)據(jù)通信連接；(2) 無線網(wǎng)卡將用戶信息和車輛信息處理后發(fā)送至路邊單元。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于，所 述步驟(1)具體為(11) 車載單元的無線網(wǎng)卡以一定時間間隔周期性地向路邊單元發(fā)送探詢幀，等待后接 收到路邊單元的探詢響應幀；(12) 無線網(wǎng)卡在接收到路邊單元的探詢響應幀后，再發(fā)送建立鏈接請求幀給路邊單元，等待后接收到路邊單元的建立鏈接成功響應幀。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于，所 述步驟(2)具體為(21) 車載單元的中央處理單元調(diào)用數(shù)據(jù)存儲單元，并從中讀取用戶信息和車輛信息傳 送至車載單元的無線網(wǎng)卡；(22) 無線網(wǎng)卡對接收到的用戶信息和車輛信息進行處理后發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng) 的路邊單元。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述的步驟(21)具體為(211) 車載單元的中央處理單元調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元并從中讀取車輛信息，同時驅(qū)動 存儲卡讀卡器從數(shù)據(jù)存儲單元的外部數(shù)據(jù)存儲單元中讀取用戶信息；(212) 終端安全控制模塊對外部數(shù)據(jù)存儲單元進行安全認證，通過后，用戶信息傳送至中央處理單元，并進行顯示；否則，提示數(shù)據(jù)錯誤信息，進行顯示。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述的步驟(22)具體為(221) 無線網(wǎng)卡的MAC層協(xié)議處理單元接收到中央處理單元傳送來的車輛信息和用戶信 息后，對接收到的數(shù)據(jù)信息進行編碼、封裝、添加包頭，然后傳送至無線網(wǎng)卡的基帶處理單 元；(222) 無線網(wǎng)卡的基帶處理單元對接收到的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制擴頻后，再經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換， 然后傳送至射頻處理單元；(223) 射頻處理單元將接收到的數(shù)據(jù)信息傳送至天饋單元，由天饋單元發(fā)送至電子不停 車收費系統(tǒng)的路邊單元。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述步驟(221)中，MAC層協(xié)議處理單元基于載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免協(xié)議進行通信。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述步驟(222)中，所述的基帶處理單元對接收到的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制擴頻的方式為采用 二進制移相鍵控調(diào)制和正交頻分復用擴頻相結(jié)合的方式。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述步驟(223)中，進入射頻單元的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過變頻、混頻和功率放大處理后再進入天饋 單元，由天饋單元發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于， 所述的變頻處理過程中，基帶信號的頻率調(diào)制為5.8GHz。
18、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的實現(xiàn)基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元的方法，其特征在于，所 述車載單元與路邊單元通過無線局域網(wǎng)協(xié)議進行通信連接，所述的無線局域網(wǎng)協(xié)議包括但不 限于IEEE802. 11協(xié)議。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元及其實現(xiàn)方法，涉及智能交通領域，為解決現(xiàn)有技術中車載單元不適應高速行使的車輛交易成功的問題而發(fā)明。本發(fā)明車載單元的中央處理單元調(diào)用數(shù)據(jù)存儲單元，并從中讀取車輛和用戶數(shù)據(jù)信息，傳送至車載單元的無線網(wǎng)卡；無線網(wǎng)卡在與路邊單元建立通信連接后將處理后的用戶信息和車輛信息發(fā)送至電子不停車收費系統(tǒng)的路邊單元。本發(fā)明的車載單元與路邊單元的通信采用無線局域網(wǎng)通信，支持高速車輛，交易成功率高，支持多址通信和多用戶車輛。
文檔編號G07B15/06GK101123546SQ20061008921
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月9日
發(fā)明者勇 李, 琳 賈 申請人:北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司