RSU在ETC中的應(yīng)用研究

引言

我國(guó)2017年ETC用戶約為6046.9萬(wàn),2018年底ETC用戶約為7656萬(wàn)。交通運(yùn)輸部最新數(shù)據(jù)顯示,截至2019年8月27日,全國(guó)ETC用戶累計(jì)達(dá)到11587.77萬(wàn),ETC用戶呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

截至2018年12月底,全國(guó)29個(gè)聯(lián)網(wǎng)省份共設(shè)收費(fèi)站9322個(gè),ETC專用車道19674條,MTC車道60405條,混合車道2318條。隨著智慧高速應(yīng)用需求的提出,ETC車道系統(tǒng)也將朝著智能化方向升級(jí)。RSU作為ETC系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,也面臨著升級(jí)換代的需求。

1RSU工作原理

ETC系統(tǒng)主要由收費(fèi)島、ETC主控機(jī)、車載設(shè)備(onboardunit,oBU）、路側(cè)設(shè)備(Roadsideunit,RSU）、地感線圈、車道攝像機(jī)、高速自動(dòng)欄桿機(jī)、通行信號(hào)燈等組成。

ETC主控機(jī)的主要功能是采集車道車流狀態(tài),處理車道收費(fèi)流程及數(shù)據(jù),控制車道設(shè)備,引導(dǎo)、控制車輛通過(guò)ETC車道。

RSU與oBU是ETC系統(tǒng)的短程無(wú)線通信設(shè)備。RSU由微波天線、射頻部分、數(shù)字控制和電源部分組成,主要功能是信息的傳遞通信。RSU通過(guò)微波無(wú)線通信讀取oBU內(nèi)信息,供ETC主控機(jī)分析處理,同時(shí)可傳遞指令給oBU,以便對(duì)oBU內(nèi)信息進(jìn)行修改,寫入電子收費(fèi)信息。oBU為雙片式電子標(biāo)簽,由車載機(jī)和IC卡(雙界面CPU卡）兩部分組成,車載機(jī)存儲(chǔ)了車牌、車型等車輛身份參數(shù),而IC卡存儲(chǔ)了消費(fèi)賬號(hào)、賬戶金額方面的信息。oBU一般安裝在車內(nèi)的擋風(fēng)玻璃上或汽車后視鏡的背面,視寬約為仰角35o～85o,離地面高度約1.5m。oBU具有防拆卸功能,自行拆卸會(huì)使oBU失效,需要重新激活后才能使用。

RSU與oBU通過(guò)微波通信交換數(shù)據(jù),ETC主控機(jī)與RSU通過(guò)RS485連接交換數(shù)據(jù)。

2RSU通信原理

我國(guó)ETC使用的是基于GB/T20851.1定義的DSRC協(xié)議。DSRC協(xié)議包括L1物理層、L2數(shù)據(jù)鏈路層(DLL:LLC+MAC）、L7應(yīng)用層,如圖1所示。

L1物理層包含上行鏈路、下行鏈路,其中上行鏈路為oBU至RSU的鏈路,采用ASK調(diào)制,速率為512kbps:下行鏈路為RSU至oBU的鏈路,采用BPSK調(diào)制,速率為256kbps。RSU工作頻率上行5.790/5.800GHz,下行5.830/5.840GHz,發(fā)射功率33dBm:可靠性指標(biāo)要求MTBF>100000h。RSU天線半功率角、水平半功率波瓣寬度<209,垂直半功率波瓣寬度<389。

L2數(shù)據(jù)鏈路層定義了RsU和0BU之間通信過(guò)程的參數(shù),控制0BU與RsU之間的信息交互過(guò)程。L2數(shù)據(jù)鏈路層包括兩個(gè)子層:媒體訪問(wèn)控制(MAC）層、邏輯鏈路控制(LLC）層。MAC層通過(guò)物理通道建立RsU與0BU間的連接,實(shí)施幀控制、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。MAC層還定義了通信控制規(guī)程HDLC、對(duì)共享媒體訪問(wèn)的控制等。LLC層負(fù)責(zé)完成與RsU側(cè)LLC間的鏈路維護(hù)、負(fù)責(zé)對(duì)LsDU的管理、校驗(yàn)LPDU數(shù)據(jù)等。

為了降低車載設(shè)備功耗和復(fù)雜性,DsRC協(xié)議采用了非對(duì)稱設(shè)計(jì)理念,RsU端完成了較多工作。車輛行駛時(shí)0BU通常處于低功耗"睡眠"狀態(tài),當(dāng)0BU進(jìn)入RsU覆蓋區(qū)域時(shí),0BU收到RsU定期發(fā)送的BsT,喚醒其MCU并發(fā)送VsT作為應(yīng)答:相對(duì)于0BU而言,RsU是主動(dòng)端,通信和交易都以命令形式由RsU發(fā)起,0BU則對(duì)這些命令作出相應(yīng)的響應(yīng)。

應(yīng)用層包括傳輸核心(T-Kerne1）、初始化核心(1-Kerne1）或廣播核心(B-Kerne1）等。應(yīng)用層并沒(méi)實(shí)現(xiàn)0s1第7層的所有功能,但可以調(diào)用L2數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù),且具有0s1基本參考模型中媒介層的功能。應(yīng)用層為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)傳輸和初始化服務(wù)。

3RSU與ETC主控機(jī)通信接口

RsU與ETC主控機(jī)之間的通信主要包括ETC主控機(jī)發(fā)送給RsU的指令流、RsU反饋給ETC主控機(jī)的信息流。

ETC主控機(jī)發(fā)送給RsU的指令流主要有:初始化指令C0,對(duì)RsU關(guān)鍵參數(shù)如功率、車道模式等進(jìn)行初始化/設(shè)置:繼續(xù)交易指令C1,對(duì)ETC主控機(jī)收到RsU發(fā)來(lái)信息的應(yīng)答,表示收到信息并要求繼續(xù)處理指定0BU:停止交易指令C2,對(duì)ETC主控機(jī)收到RsU發(fā)來(lái)信息的應(yīng)答,表示收到信息并要求當(dāng)前不再繼續(xù)處理指定0BU:消費(fèi)并寫站信息指令C6,對(duì)指定0BU的電子錢包扣費(fèi),并向指定的0BU寫站信息:異常處理指令C7,電子錢包交易情形下的異常處理:開(kāi)關(guān)天線指令等。

RsU反饋給ETC主控機(jī)的信息流主要有:RsU設(shè)備狀態(tài)信息幀B0,包含RsU的設(shè)備狀態(tài)信息,含PsAM卡號(hào)等:0BU系統(tǒng)信息幀B2,包括0BU系統(tǒng)信息文件內(nèi)容:0BU車輛信息幀B3,包括車輛信息文件等內(nèi)容:1C卡信息幀B4,包括1C卡關(guān)鍵信息文件內(nèi)容:成功交易結(jié)束幀B5,RsU與0BU交易完成后的結(jié)果信息,扣款未完成時(shí),ETC主控機(jī)應(yīng)答C1指令,如果搜索到同一0BU,則進(jìn)入異常處理流程。

4RSUETC入口流程控制

(1）RsU搜索0BU,直到搜索到0BU為止:

(2）RsU發(fā)送0BU號(hào)信息(B2幀）給ETC主控機(jī),ETC主控機(jī)回應(yīng)C1指令:

(3）RsU讀0BU屬性,并發(fā)送0BU屬性(B3幀）給ETC主控機(jī),ETC主控機(jī)回應(yīng)C1指令:

(4）RsU讀1C卡信息,并發(fā)送1C卡信息(B4幀）給ETC主控機(jī),ETC主控機(jī)發(fā)送C6指令給RsU:

(5）RsU對(duì)0BU進(jìn)行寫入口文件操作,并虛擬扣款,如果不成功,則轉(zhuǎn)入第1步驟:

(6）RsU發(fā)送成功交易結(jié)果信息(B5幀）給ETC主控機(jī),此次交易結(jié)束。

5結(jié)語(yǔ)

隨著ETC用戶的高速增長(zhǎng)以及智能車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái),大量的RsU面臨改造和升級(jí)換代,在此過(guò)程中,RsU的互聯(lián)互通能力、RsU的改造方案越來(lái)越受到各方關(guān)注。本文就ETC系統(tǒng)的RsU如何通信,跟誰(shuí)通信進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究,為從事相關(guān)工程的技術(shù)人員提供參考。