第二代路侧单元RSU --相控阵智能定位天线系统研究 点击率：105 作者：admin1 发表时间：2013-9-5 14:00:52
摘要
电子不停车收费ETC系统可以有效解决交通拥堵、收费舞弊等问题，是目前人工收费和半自动收费最理想的替代方案。近年来，随着我国RFID技术科研能力的增强和交通状况的日益严峻,ETC系统受到了高度重视。然而,现实应用中ETC系统还存在着兼容性差、跟车干扰、邻道干扰、交易成功率低、通车速度慢等诸多问题。
本文针对这些问题提出了ETC系统第二代路侧单元RSU——相控阵智能定位天线，重点阐述了该天线在性能设计、环境适应性设计、可维护性设计等多个方面的先进性。提出了针对跟车干扰、邻道干扰等诸多问题的有效解决方案。 1.引言
随着我国ETC行业的快速发展，ETC车道的车流量不断增加，在一些车流量很大的站点，已经出现了同向双车道或同向多车道的应用模式。由于ETC车辆的逐渐增多，对整个ETC车道系统提出了更高的要求，主要体现在以下方面：
（1）车流量增大引发跟车干扰问题：当车流量大时，RSU通讯区域内可能出现多个ETC车辆，或者ETC车辆紧跟无电子标签车辆，此时如果系统不能准确区分装有电子标签的车辆和误闯车辆，就会造成误放行等跟车干扰问题，严重损害到正常ETC车辆车主的利益，这就要求RSU设备必须解决跟车干扰问题；
（2） 同向多车道的出现引发邻道干扰问题：在相邻的两条或多条ETC车道中，当装有电子标签的车辆驶入其中一条ETC车道时，会对其它相邻的ETC车道造成干扰，可能导致相邻车道中的ETC车辆无法正常通行，甚至重复扣费等问题。邻道干扰一方面影响了系统的整体交易成功率，另一方面损害到正常ETC用户的利益，这就要求RSU设备必须解决邻道干扰问题； （3） 面对目前各个ETC设备厂家技术状态参差不齐的电子标签，如何提高ETC车道交易成功率问题：随着电子标签厂家越来越多，各厂家电子标签的性能表现参差不齐，这就导致ETC系统交易质量下降，成功率降低。如何提高ETC系统的交易成功率，如何兼容各个厂家各个版本的电子标签，做到“严于律己，宽以待人”，这对RSU设备提出了更高的要求； （4） 如何提高ETC车道系统通车速度的问题：随着生活节奏的加快，用户对ETC系统的体验要求越来越高。如何又快又准确的完成不停车收费，提升用户体验，从而吸引更多车主使用ETC，这就要求RSU设备必须解决这个问题。 2.体系设计
针对目前ETC系统的应用需求，为了更有效的解决邻道干扰、跟车干扰，提高交易成功率与通车速度，本文提出了第二代路侧单元RSU——相控阵智能定位天线的体系设计方案，具体的原理框图如下图所示：
图1：相控阵智能定位天线的原理框图
相控阵智能定位天线系统采用单元化、模块化设计，将整个系统分为DSRC微波读写天线和DSRC微波读写天线控制器两个部分。DSRC微波读写天线主要由天线子阵构成的相控阵天线、相控阵收发模块、核心处理模块、无线定位模块以及通讯控制模块等组成。相控阵收发模块分别接收、发射微波信号。无线定位处理模块采用最先进的软件无线电技术实时对车载单元OBU进行高精确的定位，同时完成基带信号的编码/解码、调制/解调。DSRC微波读写天线控制器通过光纤与DSRC微波读写天线进行高速的信息交互，并提供千兆以太网接口和串行接口与车道控制系统通信。
下面重点从系统性能设计、环境适应性设计、可维护性设计等几个方面阐述了第二代相控阵智能定位天线的先进性。
2.1系统性能设计
（1）采用相控阵天线技术实现天线波束智能扫描，覆盖精准，调整方便。采用微带阵列天线作为微波信号的收发天线，通过控制微带天线子阵中辐射单元的馈电相位来改变天线的方向图，采用精确的天线阵列分布计算和独有的旁瓣抑制手段，将天线水平面的波瓣宽度控制在18度以内，旁瓣电平抑制超过20dB。严格控制波束覆盖的范围，保证投射到车道上的通讯区域宽度在3m以内，泄露到相邻车道的信号功率极其微弱，最大程度抑制了邻道干扰。天线纵向覆盖范围可通过控制馈电相位改变天线的方向图，实现多个波束的切换，从而改变通讯远近区域的覆盖范围，保证交易质量的可靠性，从天线设计角度最大程度的减少了跟车干扰和邻道干扰的概率。由于采用了相控阵技术，使通讯区域内有效信号能量更加集中，所以纵向通讯区域较传统天线更加大，有效通讯区域远端最大可达15米，可大幅提高交易成功率和通车速度；
图2：收发天线水平面方向图
（2） 采用最佳波束成形定位技术，实现对OBU车辆高精度定位，定位精度高达0.1米。相控阵智能定位天线内置无线定位处理模块，此模块是以软件无线电技术为核心的处理引擎。首先将接收到的OBU信号送入核心处理模块进行预处理，再送入无线定位模块进行联合计算，并建立以天线垂直投影点为原点的车道坐标系，并得出OBU所在车道平面的二维坐标，整个计算过程仅耗费微秒级延时，可实时地对通讯区域内的OBU进行精确定位。定位的结果用于判断ETC车辆是否是邻道车辆，以及判断出车辆的前后关系，以此从根本上解决邻道干扰问题和跟车干扰问题；
图3：相控阵智能定位天线定位示意图
（3）采用软件无线电技术提高系统兼容性。在现有ETC车道系统中，交易成功率很难再上一个台阶的主要原因微波读写天线无法很好的兼容那些质量差、信号弱的电子标签。随着电子标签使用年限的增加，逐渐出现低电现象，当电子标签处于低电状态下交易时，其发出的信号质量往往无法保证，就会出现信号弱等情况，这种情况下就容易被其他信号干扰。另外一方面，ETC车道往往处于一个比较复杂的电磁环境中，空中辐射信号的干扰无时无刻的存在着，各种车辆带来的干扰也充斥着整个车道。在这种环境下，如果使交易成功率再上一个台阶，就必须提高RSU设备的信号识别能力以及对干扰信号的抵抗能力。为此本设计中引入以软件无线电技术为核心的分集接收技术，多路信号独立解调，解调数据再通过信号处理器裁决出最终有效的数据信号，以此确保每一次与电子标签通讯的成功率。软件无线电技术在本设计中的应用，大幅的提高了ETC系统的交易成功率，使ETC车辆更加顺畅的通过，同时也大幅提高了系统的通车速度。
图4：信号处理示意图
2.2 环境适应性设计
（1）自动温度补偿设计，适应更高的温度范围。本设计中全部采用工业级器件，工作温度范围达到-40℃～85℃,可以适应各种恶略环境。由于采用了先进的自动温度补偿控制系统，所以当外界温度变化较大时，可通过高精度温度检测芯片自动温补偿发射功率、接收灵敏度等关键技术参数，有效地保证了DSRC微波读写天线各项指标不受环境温度变化的影响，使系统更加稳定可靠；
（2）抗雷击及电磁干扰设计。本设计中引入光通信技术，其特点是传输速度快，抗干扰能力强。传统的光纤在工程施工过程中需要现场做熔接，这种做法施工难度大，不利于工程安装。为了解决这个问题，本设计中采用军队野战光纤，出厂前已经将接口熔接好，而且最大可抗120kg拉力，便于工程施工。使用高速光纤传输数据，其具备良好的抗电磁干扰性能，相对传统线缆具备更好防雷效果，适用于各种复杂的应用环境。 2.3 系统可维护性设计
（1） 本设计中加入了完善的设备自检功能。具备多参数综合检测，故障快速定位及告警，异常日志记录等。设备的各种工作状态可以实时的显示在控制器的高清晰OLED显示屏上，实时显示当前系统各部件工作状态，既方便现场工作人员了解设备运行状态，又方便后台监控人员监控；
（2） 完善的远程监控技术，可以通过有线网络或3G网络进行远程集中监控，可实现对RSU设备进行远程升级、配置、查询、维护等操作，避免了由于ETC车道分散而需要去现场解决问题的麻烦。
图5：远程集中监控示意图
3.解决方案
3.1邻道干扰解决方案
邻道干扰问题是困扰着ETC行业的一个重要问题，随着ETC行业的发展，这个问题变得越来越突出，解决这个问题到了刻不容缓的时刻，目前各个ETC设备厂商也还没有完全的解决方案。本文提出的解决方案是依靠相控阵智能定位天线的高精度定位功能，可以根据实际车道的布局，设定任意形状的有效通讯区域，通讯区域的形状可以是矩形、梯形、弯道形、
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