RSU在ETC中的应用研究

引言

我国2017年ETC用户约为6046.9万,2018年底ETC用户约为7656万。交通运输部最新数据显示,截至2019年8月27日,全国ETC用户累计达到11587.77万,ETC用户呈高速增长态势。

截至2018年12月底,全国29个联网省份共设收费站9322个,ETC专用车道19674条,MTC车道60405条,混合车道2318条。随着智慧高速应用需求的提出,ETC车道系统也将朝着智能化方向升级。RSU作为ETC系统的关键设备,也面临着升级换代的需求。

1RSU工作原理

ETC系统主要由收费岛、ETC主控机、车载设备(onboardunit,oBU）、路侧设备(Roadsideunit,RSU）、地感线圈、车道摄像机、高速自动栏杆机、通行信号灯等组成。

ETC主控机的主要功能是采集车道车流状态,处理车道收费流程及数据,控制车道设备,引导、控制车辆通过ETC车道。

RSU与oBU是ETC系统的短程无线通信设备。RSU由微波天线、射频部分、数字控制和电源部分组成,主要功能是信息的传递通信。RSU通过微波无线通信读取oBU内信息,供ETC主控机分析处理,同时可传递指令给oBU,以便对oBU内信息进行修改,写入电子收费信息。oBU为双片式电子标签,由车载机和IC卡(双界面CPU卡）两部分组成,车载机存储了车牌、车型等车辆身份参数,而IC卡存储了消费账号、账户金额方面的信息。oBU一般安装在车内的挡风玻璃上或汽车后视镜的背面,视宽约为仰角35o～85o,离地面高度约1.5m。oBU具有防拆卸功能,自行拆卸会使oBU失效,需要重新激活后才能使用。

RSU与oBU通过微波通信交换数据,ETC主控机与RSU通过RS485连接交换数据。

2RSU通信原理

我国ETC使用的是基于GB/T20851.1定义的DSRC协议。DSRC协议包括L1物理层、L2数据链路层(DLL:LLC+MAC）、L7应用层,如图1所示。

L1物理层包含上行链路、下行链路,其中上行链路为oBU至RSU的链路,采用ASK调制,速率为512kbps:下行链路为RSU至oBU的链路,采用BPSK调制,速率为256kbps。RSU工作频率上行5.790/5.800GHz,下行5.830/5.840GHz,发射功率33dBm:可靠性指标要求MTBF>100000h。RSU天线半功率角、水平半功率波瓣宽度<209,垂直半功率波瓣宽度<389。

L2数据链路层定义了RsU和0BU之间通信过程的参数,控制0BU与RsU之间的信息交互过程。L2数据链路层包括两个子层:媒体访问控制(MAC）层、逻辑链路控制(LLC）层。MAC层通过物理通道建立RsU与0BU间的连接,实施帧控制、数据校验等。MAC层还定义了通信控制规程HDLC、对共享媒体访问的控制等。LLC层负责完成与RsU侧LLC间的链路维护、负责对LsDU的管理、校验LPDU数据等。

为了降低车载设备功耗和复杂性,DsRC协议采用了非对称设计理念,RsU端完成了较多工作。车辆行驶时0BU通常处于低功耗"睡眠"状态,当0BU进入RsU覆盖区域时,0BU收到RsU定期发送的BsT,唤醒其MCU并发送VsT作为应答:相对于0BU而言,RsU是主动端,通信和交易都以命令形式由RsU发起,0BU则对这些命令作出相应的响应。

应用层包括传输核心(T-Kerne1）、初始化核心(1-Kerne1）或广播核心(B-Kerne1）等。应用层并没实现0s1第7层的所有功能,但可以调用L2数据链路层提供的服务,且具有0s1基本参考模型中媒介层的功能。应用层为应用程序提供数据传输和初始化服务。

3RSU与ETC主控机通信接口

RsU与ETC主控机之间的通信主要包括ETC主控机发送给RsU的指令流、RsU反馈给ETC主控机的信息流。

ETC主控机发送给RsU的指令流主要有:初始化指令C0,对RsU关键参数如功率、车道模式等进行初始化/设置:继续交易指令C1,对ETC主控机收到RsU发来信息的应答,表示收到信息并要求继续处理指定0BU:停止交易指令C2,对ETC主控机收到RsU发来信息的应答,表示收到信息并要求当前不再继续处理指定0BU:消费并写站信息指令C6,对指定0BU的电子钱包扣费,并向指定的0BU写站信息:异常处理指令C7,电子钱包交易情形下的异常处理:开关天线指令等。

RsU反馈给ETC主控机的信息流主要有:RsU设备状态信息帧B0,包含RsU的设备状态信息,含PsAM卡号等:0BU系统信息帧B2,包括0BU系统信息文件内容:0BU车辆信息帧B3,包括车辆信息文件等内容:1C卡信息帧B4,包括1C卡关键信息文件内容:成功交易结束帧B5,RsU与0BU交易完成后的结果信息,扣款未完成时,ETC主控机应答C1指令,如果搜索到同一0BU,则进入异常处理流程。

4RSUETC入口流程控制

(1）RsU搜索0BU,直到搜索到0BU为止:

(2）RsU发送0BU号信息(B2帧）给ETC主控机,ETC主控机回应C1指令:

(3）RsU读0BU属性,并发送0BU属性(B3帧）给ETC主控机,ETC主控机回应C1指令:

(4）RsU读1C卡信息,并发送1C卡信息(B4帧）给ETC主控机,ETC主控机发送C6指令给RsU:

(5）RsU对0BU进行写入口文件操作,并虚拟扣款,如果不成功,则转入第1步骤:

(6）RsU发送成功交易结果信息(B5帧）给ETC主控机,此次交易结束。

5结语

随着ETC用户的高速增长以及智能车联网时代的到来,大量的RsU面临改造和升级换代,在此过程中,RsU的互联互通能力、RsU的改造方案越来越受到各方关注。本文就ETC系统的RsU如何通信,跟谁通信进行了详细分析与研究,为从事相关工程的技术人员提供参考。