CN102542621B - 基于智能天线技术的电子收费路侧设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能天线技术的电子收费路侧设备，包括：接收天线阵、发射天线阵、发射模块、数字接收阵列模块、信号处理与控制模块、频率源模块，所述接收天线阵的每个阵元与各自的接收通道连接；所述数字接收阵列模块集成多个接收通道，分别与接收天线阵的各个阵元连接；所述信号处理与控制模块对数字接收阵列模块的多通道接收信号进行处理，确定通信车辆位置，抑制干扰信号。所述路侧设备利用数字接收阵列同时获取多通道接收信号，通过数字波束形成、波达方向估计等方法，准确确定通信车辆位置。本发明所述路侧设备可广泛用于公路电子收费系统、自动车辆识别、车辆出入管理、城市道路收费等领域。

Description

基于智能天线技术的电子收费路侧设备

技术领域

本发明涉及一种用于ETC（Electronic Toll Collection，简称ETC，电子不停车收费）的路侧设备（Road Side Equipment，简称RSE），为具有通信车辆精确定位和干扰抑制功能、可用于公路电子收费、城市道路收费、自动车辆识别、车辆出入管理等领域。该设备采用智能天线技术，与车载设备（On-Board Equipment，简称OBE）进行短程通信的同时，通过数字波束形成（Digital Beam Forming，简称DBF）、高分辨波达方向估计（Direction of Arrival，简称DOA），准确确定通信车辆位置，并抑制无用干扰。

背景技术

ETC系统是一种用于高速公路、大桥和隧道的电子自动收费系统，其采用电子、通信、信息处理等多种技术手段使得车辆在通过高速公路、隧道等的出入口时与路边的设备进行信息交换，由后台的计费系统完成费用计算，实现收费过程自动化。

ETC系统的运行依赖于车载设备OBE与路侧设备的信息交换，收费系统通过收集车辆识别信息、行驶路径信息等各类数据来计算通行费用。因此，规范ETC系统数据交换服务的专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，简称DSRC）协议就成为ETC系统的核心。2007年3月19日，中华人民共和国质监局和标准化管理委员会联合发布了电子收费专用短程通信国家标准，定义了车载设备OBE和路侧设备两个通信实体，分别代表车辆和道路进行通信，规范了二者进行通信的物理参数、操作流程、交互信息的格式等。

在电子收费应用中，路侧设备居于主导地位，负责发起与车载设备的通信流程，在通信过程中完成验证车辆、计费、扣费、放行等一系列操作。目前，一般的路侧设备仅能完成基本通信功能，而在ETC系统应用实践中对车辆定位功能的需求则日益强烈。在ETC专用车道条件下，“跟车干扰”和“邻道干扰”是常见问题。要解决相关干扰，从而避免由此引起的收费纠纷，需要在进行通信的同时，准确确定通信车辆位置。在多车道自由流条件下，由于车辆行驶状态自由化，对车辆定位更成为路侧设备的一个必备功能。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种基于智能天线技术的电子收费路侧设备。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：一种基于智能天线技术的电子收费路侧设备，所述路侧设备包括：用于收集车载设备发送的车辆数据信息的接收天线阵、用于辐射信号覆盖ETC车道通信区的发射天线阵、发射模块、用于将接收天线阵所收集的车载设备发送的车辆数据信息进行解调并数字化的数字接收阵列模块、信号处理与控制模块、用于提供调制和解调所需的本振信号以及各种时钟信号的频率源模块，所述接收天线阵的每个阵元与各自的接收通道连接；所述数字接收阵列模块集成多个接收通道，分别与接收天线阵的各个阵元连接；所述信号处理与控制模块对数字接收阵列模块的多通道接收信号进行处理，确定通信车辆位置，抑制干扰信号。

所述接收天线阵和发射天线阵分置，发射天线阵与唯一的发射通道连接。

所述接收天线阵的阵面边缘放置校正天线，校正天线通过接收天线阵列馈入各接收通道得到中频信号，在信号处理与控制模块利用中频信号进行自动校正处理，获取每个接收通道的幅度/相位信息。

所述信号处理与控制模块产生控制信号，通过开关选择接通通信通道或校正通道，同时产生控制信号选择通信\校正分别对应的载波频率，由频率源模块输出，提供给发射通道，用于信号调制。

所述数字接收阵列模块包括本振功分器和中频接收机；所述本振信号经本振功分器分成多路，分别送给各个接收通道，用于混频得到模拟中频信号；模拟中频信号在中频接收机中进行A/D转换，通过光纤输送给信号处理与控制模块。

所述信号处理与控制模块对接收天线阵的多个通道接收信号进行加权叠加，各波束在半功率波束宽度处相互重叠，覆盖整个通讯区及相邻区域，比较各波束信号，确定通信车辆位置。

所述信号处理与控制模块进行波达方向估计，确定通信车辆和干扰源位置，进一步对多个通道接收信号进行加权叠加，在目标车辆波达方向上形成接收波束，在干扰源位置产生零点，抑制干扰，得到高信噪比信号，完成与通信车辆的通信。

本发明的有益效果是：本发明所述路侧设备可以完成基本通信任务，而且利用数字接收阵列同时获取多通道接收信号，通过数字波束形成、波达方向估计等方法，准确确定通信车辆位置，并抑制干扰信号；数字接收通道高度集成，应用程序远程加载，系统重构、功能拓展、软件升级非常灵活方便。本发明所述路侧设备可广泛用于公路电子收费系统、自动车辆识别、车辆出入管理、城市道路收费等领域。

附图说明

图1是本发明所述路侧设备的系统结构示意图；

图2是本发明所述路侧设备的发射天线阵示意图；

图3是本发明所述路侧设备接收单波束信号示意图；

图4是本发明所述路侧设备中数字接收阵列模块内部功能分解框图；

图5是本发明所述路侧设备接收多波束信号示意图；

图6是多波束比幅原理示意图；

图7是N元均匀线阵接收信号示意图；

图8是波达方向估计（MUSIC算法）空间谱示意图；

图中：10—通信车辆、101—ETC车道、102—龙门架、103—路侧单元、104—发射波束投影、11—接收天线阵、12—发射天线阵、121—贴片天线、122—功分网络、123—端口、13—校正天线、14—发射模块、15—数字接收阵列模块、151—本振功分器、152—中频接收机、16—信号处理与控制模块、17—频率源模块、18—电源模块、19—后台计算机。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示，为本发明所述路侧设备的系统结构示意图。本发明所述基于智能天线技术的电子收费路侧设备包括：接收天线阵11、发射天线阵12、校正天线13、发射模块14、数字接收阵列模块15、信号处理与控制模块16、频率源模块17、电源模块18以及后台计算机19。

本发明所述路侧设备的各模块功能如下：

接收天线阵（11），用于收集车载设备发送的车辆数据信息，经数字接收阵列模块（15）进行解调并数字化，通过光纤传送给信号处理与控制模块（16）；

发射天线阵（12），用于辐射信号，向空间辐射由信号处理与控制模块（16）编码、加密，并由发射模块（14）调制、放大的射频信号，覆盖ETC车道通信区；

校正天线（13），用于辐射校正信号，通过接收天线阵列（11）馈入各接收通道得到中频信号，在信号处理与控制模块（16）利用中频信号进行自动校正处理，获取每个接收通道的幅度/相位信息；

发射模块（14），用于将信号处理与控制模块（16）已经加密、编码的待发送数据信息进行调制到载波频率并放大，产生射频信号，并通过发射天线阵（12）向空间辐射出去；

数字接收阵列模块（15），用于将接收天线阵（11）所收集的车载设备发送的车辆数据信息，进行解调并数字化；

信号处理与控制模块（16），用于接受后台计算机（19）的指令，按照专用短程通信协议规定的ETC系统数据交换服务规范产生要发送数据，进行加密、编码，送给发射模块（14）进行调制、发射，并且对接收数据进行解码、解密，打包发送给后台计算机（19）；以及对接收天线阵（11）的接收数据进行处理，准确确定通信车辆位置，抑制干扰信号；以及产生发射功率控制信号给发射模块（14）的数控衰减器，控制发射功率在一定范围内可调，以适应各种不同的应用条件和需求；以及产生各种控制信号，负责协调各功能模块的正常运转；

频率源模块（17），用于提供调制和解调所需的本振信号以及各种时钟信号；

电源模块（18），用于为各模块提供所需要的多种电源；

后台计算机（19），用于与信号处理与控制模块（16）的协调沟通，并且控制路侧设备，发起与车载设备的通信。

信号处理与控制模块16是整个路侧设备的系统核心，既要接受后台计算机19的指令，按照专用短程通信协议（DSRC）规定的ETC系统数据交换服务规范产生要发送数据，进行加密、编码，然后送给发射模块进行调制、发射，还要对接收数据进行解码、解密以及其他解析处理，然后打包发送给后台计算机19；另外，信号处理与控制模块16要对接收天线阵11的多通道接收数据进行数字波束形成、波达方向估计，从而准确确定通信车辆位置，抑制干扰信号；最后，信号处理与控制模块16需要产生各种控制信号，负责协调各功能模块的正常运转，具体包括通信\校正切换控制、信道切换控制以及发射功率控制等。

为了实现基本通信功能，本发明接收天线阵11和发射天线阵12分置，发射天线阵12与唯一发射通道连接，接收天线阵11的每个阵元后面都连接一个接收通道。发射天线阵12的发射通道将信号处理与控制模块16产生的编码信息调制到载波频率，然后由发射天线阵12合成固定单波束向空间辐射，覆盖ETC车道通信区。根据路侧设备在ETC车道的安装使用条件，设计发射天线阵12以及波束合成网络，从而控制发射波束俯仰和方位方向的波束宽度和波束指向，进一步通过发射功率调整，使得车辆在通信区内的任何位置都能进行通信，而在理想情况下通信区外的车载设备不会被唤醒。

为了实现同时多通道接收，本发明设计了高集成度的数字接收阵列模块15。数字接收阵列模块15中集成多个接收通道，通过射频线缆分别与接收天线阵11的各个阵元连接。车载设备发射的车辆数据信息通过接收天线阵11的各个阵元进入各个接收通道，各接收通道对接收的信号进行混频、放大、滤波、自动增益控制以及数字化采样等处理，得到中频信号。中频信号保留了与通信车辆位置（角度）相关的幅相信息，以便送入信号处理与控制模块16进行通信车辆定位、干扰抑制处理。数字接收阵列模块15以其高集成度为特点，结构紧凑，非常便于系统重构和扩展。

为了保证各接收通道幅相一致性，本发明从减轻重量及减少设备角度出发，采用空间耦合方式对数字接收通道的幅度、相位进行校正，以保证系统性能。具体的措施为：在接收天线阵11边缘放置一个单元校正天线13；校正天线13辐射校正信号，通过接收天线阵11同时馈入各接收通道，进行放大、滤波、混频以及数字化采样，得到中频信号，在信号处理与控制模块16进行自动校正处理，获取每个接收通道的幅度/相位信息。

依据电子收费专用短程通信国家标准，ETC系统有两个信道：信道1上行链路的载频为5.79GHz，下行链路的载频为5.83GHz；信道2上行链路的载频为5.80GHz，下行链路的载频为5.84GHz。本发明所述路侧设备有通信和校正两种工作状态，分别用于ETC系统数据交换和路侧设备通道校正。本发明所述路侧设备工作在通信状态时，发射信号载波频率为5.83GHz或5.84GHz；本发明所述路侧设备工作在接收通道校正状态时，发射信号载波频率为5.79GHz或5.80GHz。

为此，信号处理与控制模块16产生控制信号，通过开关选择接通通信通道或校正通道，同时根据应用需求产生控制信号，选择通信\校正以及信道1\信道2分别对应的载波频率，由频率源模块17输出，提供给发射通道，并用于信号调制。无论本发明所述路侧设备工作在通信状态或校正状态，数字接收阵列模块15接收信号的载波频率都是5.79GHz或5.80GHz，即只与信道选择有关。频率源模块17按照信号处理与控制模块16产生的信道切换控制信号产生相应的本振信号提供给数字接收阵列模块15用于信号解调。频率源模块17产生时钟信号分别提供给数字接收阵列模块15和信号处理与控制模块16。另外，信号处理与控制模块16还产生发射功率控制信号给发射模块14的数控衰减器，控制发射功率在一定范围内可调，以适应各种不同的应用条件和需求。

如图2所示，为本发明所述路侧设备的发射天线阵12示意图，发射天线阵12包括贴片天线121和功分网络122，在端口123处通过射频线缆与发射模块14的唯一发射通道相连。发射天线阵12将已调制信号合成单一固定波束，覆盖ETC车道的通信区，如图3所示。在图3中，通信车辆10安装有车载装置OBE。路侧单元103安装在ETC车道101正上方的龙门架102上，路侧单元103发射单束波，并在ETC车道101上形成发射波束投影104。调整路侧单元103安装角度和发射信号功率强度，使得通信车辆10在通信区内的任何位置都能进行通信，而在理想情况下通信区外的车载设备不会被唤醒。

如图4所示，为本发明所述路侧设备中数字接收阵列模块15的内部功能分解框图。本振信号经数字接收阵列模块15内部本振功分器151分成多路，分别送给各个接收通道，用于混频并得到模拟中频信号；模拟中频信号在中频接收机152中进行A/D转换，然后通过光纤输送给信号处理与控制模块16。由于数字接收阵列模块15集成了多个接收通道，每个接收通道都与一个接收天线阵元相连，因此可以同时获得多通道接收信号。

数字波束形成（DBF）实质上是对多通道接收信号进行加权叠加，若多通道接收信号                                               ，设计权值向量，那么合成单波束可以表示为：

权值向量决定了所形成波束的主瓣方向、副瓣电平、零点位置等参数。由于数字波束形成（DBF）是在信号处理与控制模块16实现的，只需要改变权值向量进行运算，就可以方便的同时获取多波束接收信号。如图5所示，为本发明所述路侧设备接收多波束信号示意图。通过波束宽度和波束指向设计，使各波束在大约半功率波束宽度处相互重叠，覆盖整个通讯区及相邻区域。一方面，车辆穿越各波束时，接收的信号不至于被衰减到灵敏度以下，在整个通讯区都能进行正常通信；另一方面，各波束接收信号强度不同，通过比较各波束信号就能够估计通信车辆位置，其基本原理如图6所示。

如图7所示，为N元均匀线阵接收信号示意图，是入射信号，角度是入射平面波与天线法线方向的夹角，是阵元间距，假设是入射波波长，那么多通道接收信号可以表示为：

其中，，称为阵列导向矢量，是由阵列天线结构和信号的传播方向决定的。由于阵列天线的结构通常是固定的，导向矢量反映了信号的传播方向，所以可以直接利用多通道接收信号进行波达方向估计，从而确定信号及源位置。

为了实现车辆定位功能，本发明也可直接利用多通道接收信号进行高分辨率波达方向估计（DOA），首先确定通信车辆和干扰源的位置，然后利用数字波束形成（DBF）技术，进一步对多个通道接收信号进行加权叠加，在目标车辆波达方向上形成接收波束，在干扰源位置产生零点，从而抑制干扰，得到高信噪比信号，完成通信功能。无论采用何种算法，所有处理工作都在信号处理与控制模块中利用软件来实现，功能拓展以及系统升级可以通过远程程序更新来实现，非常方便。

由于采用了数字接收阵列技术，得到多通道接收数据，在信号处理与控制模块16中利用数字波束形成（DBF）技术同时形成指向不同的多波束信号，通过多波束信号比幅可以估计通信车辆的位置；也可以先利用多通道接收数据进行高分辨波达方向估计（DOA），以确定通信车辆和干扰源的位置，然后在通信车辆方向形成波束，在干扰源方向产生零点，从而抑制干扰。

波达方向估计的算法很多，包括（但不限于）：多重信号分类（MUltiple SIgnal Classification，MUSIC）波达角估计、Capon波达角估计、最大熵波达角估计、最小范数波达角估计等。如图8所示，为波达方向估计（MUSIC算法）空间谱示意图。图8中，横轴为波达方向，纵轴为空间谱。图8中的空间谱在出现峰值，从而可以通过空间谱峰值对应的角度确定波达方向，即通信车辆位置。上述说明都是均匀线阵情况下的示例，但可以很容易扩展到两维面阵的情况。

本发明所述路侧设备的工作原理为：在后台计算机19的控制下，由路侧设备发起与车载设备的通信；信号处理与控制模块16组织要发送的数据信息，进行加密、编码，然后送给发射模块14；发射模块14对编码数据进行调制，产生射频信号，通过发射天线阵12向空间辐射出去；接收天线阵11收集车载设备发送的车辆数据信息，经数字接收阵列模块15进行解调并数字化；解调信号在信号处理与控制模块16进行解码、解密以及其他解析处理，然后打包发送给后台计算机19，完成通信的功能。

以上所述仅是本发明的实施示例，不应以此限定本发明的权利范围，基于本发明原理上的任何系统重构、功能扩展、性能提升等改进和改动也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于智能天线技术的电子收费路侧设备，所述路侧设备包括：用于收集车载设备发送的车辆数据信息的接收天线阵(11)、用于辐射信号覆盖ETC车道通信区的发射天线阵(12)、发射模块(14)、用于将接收天线阵(11)所收集的车载设备发送的车辆数据信息进行解调并数字化的数字接收阵列模块(15)、信号处理与控制模块(16)、用于提供调制和解调所需的本振信号以及各种时钟信号的频率源模块(17)，其特征在于，所述接收天线阵(11)的每个阵元与各自的接收通道连接；所述数字接收阵列模块(15)集成多个接收通道，分别与接收天线阵(11)的各个阵元连接；所述信号处理与控制模块(16)对数字接收阵列模块(15)的多通道接收信号进行处理，确定通信车辆位置，抑制干扰信号；所述接收天线阵(11)的阵面边缘放置校正天线(13)，校正天线(13)通过接收天线阵列(11)馈入各接收通道得到中频信号，在信号处理与控制模块(16)利用中频信号进行自动校正处理，获取每个接收通道的幅度/相位信息。

2.如权利要求1所述的基于智能天线技术的电子收费路侧设备，其特征在于，所述接收天线阵(11)和发射天线阵(12)分置，发射天线阵(12)与唯一的发射通道连接。

3.如权利要求1所述的基于智能天线技术的电子收费路侧设备，其特征在于，所述信号处理与控制模块(16)产生控制信号，通过开关选择接通通信通道或校正通道，同时产生控制信号选择通信或校正分别对应的载波频率，由频率源模块(17)输出，提供给发射通道，用于信号调制。

4.如权利要求1所述的基于智能天线技术的电子收费路侧设备，其特征在于，所述数字接收阵列模块(15)包括本振功分器(151)和中频接收机(152)；所述本振信号经本振功分器(151)分成多路，分别送给各个接收通道，用于混频得到模拟中频信号；模拟中频信号在中频接收机(152)中进行A/D转换，通过光纤输送给信号处理与控制模块(16)。

5.如权利要求1所述的基于智能天线技术的电子收费路侧设备，其特征在于，所述信号处理与控制模块(16)对接收天线阵(11)的多个通道接收信号进行加权叠加，各波束在半功率波束宽度处相互重叠，覆盖整个通讯区及相邻区域，比较各波束信号，确定通信车辆位置。

6.如权利要求1所述的基于智能天线技术的电子收费路侧设备，其特征在于，所述信号处理与控制模块(16)进行波达方向估计，确定通信车辆和干扰源位置，进一步对多个通道接收信号进行加权叠加，在目标车辆波达方向上形成接收波束，在干扰源位置产生零点，抑制干扰，得到高信噪比信号，完成与通信车辆的通信。