相控阵技术在ETC天线中的应用探讨

时间:2022-10-09 03:02:14

相控阵技术在ETC天线中的应用探讨

摘要:为解决因当前ETC使用量变化而引起的若干新问题或新需求,本文将在已得到成功应用和广泛推广的双通信区ETC车道系统集成技术基础上,探讨如何使用相控阵技术来实现ETC天线的技术创新。

关键词:相控阵 双通信区 ETC RSU 系统集成

中图分类号:TP391.41 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2013)03-0018-04

随着福建经济的高速发展和个人车辆保有量的递增,为进一步提高高速公路收费站的通行能力和服务水平,我省于07年始开始启用高速公路非现金支付和电子不停车收费(ETC)项目建设,并且凭借ETC车道在实际运营中所体现的突出特点和优势,成为福建高速公路发展的一大特色。但是随着ETC用户数量以及车道应用规模的不断扩大,以及ETC用户的需求的不断提高,我运营方和使用用户均对ETC车道在交易可靠性的基础上提升车辆通行速度的提出了更高的要求。特别是对于省界重要路段和省内重要干线的收费站,其ETC车道车流量的急剧增长态势,不仅使ETC车道处理压力日益增加;同时,也诱发出了各种复杂的ETC车辆驾驶现象,从而导致ETC车道优势难以得到充分发挥。

鉴于此,为能解决因当前ETC使用量变化而引起的若干新问题或新需求,本文将在已得到成功应用和广泛推广的双通信区ETC车道系统集成技术基础上,探讨通过使用相控阵技术实现技术创新。并且对相控阵技术设备技术通过天线设备驱动程序根据地感线圈信号,发出微波波束自动跟踪车辆快速扫描指令,锁定车辆车头始终处于信号最强的通讯区域中心位置原理来一举解决现有ETC使用困扰的技术指标与系统构成进行详细介绍,并做出了详细测试。

1 ETC系统关键设备应用情况

1.1 ETC车道系统的主要架构和配置

目前高速公路不停车系统设备构成大体包括RSU(天线)与OBU(电子标签)、车道电源和多串口适配器、身份卡读卡器、费额显示牌、指示灯、自动栏机杆、车道工控机等设备。

1.2 当前RSU的技术现状及存在问题

目前不停车收费系统中的RSU产生的通讯区域在6.5mX3.0m左右,它综合兼顾了通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰,但由于天线的通讯区域边缘信号弱、载噪比和信噪比变差,当车辆车头部分处于天线信号边缘时误码率将明显升高。

当通车速度超过40km/h时,交易尚未完成车头已处于通讯区域边缘,通讯区域边缘信号较弱,载噪比C/N会降到10dB以下,误码率已大于1.0E-4,所以交易成功率将明显降低;通讯区域长度大于7.5m时,通车速度和交易成功率将有所改善,但跟车干扰将明显增加;通讯区域长度小于7.5m时,通车速度将受到明显限制,交易成功率将更明显降低。通讯区域宽度大于3.3m时邻道干扰将明显增加;通讯区域宽度小于3.3m时,对电子标签安装位置和车辆行驶偏离车道中心有更严格要求。

通讯误码率主要与载噪比或信噪比相关,(图2)是在ASK调制条件下,误码率与载噪比的关系曲线,表明随着载噪比变好,误码率越小。

以上是目前ETC系统性能提高存在的主要限制和矛盾,通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰的情况。固定的6.5mx3.0m通讯区域可以兼顾跟车干扰、通车速度和交易成功率要求。可如今我省一些主要道口车流量增大,精确率和通车效率问题已经成为整个ETC系统的瓶颈和软肋。

2 ETC天线(RSU)相控阵技术解决方案

2.1 相控阵天线原理介绍

相控阵技术主要应用于航空雷达领域。我们知道,蜻蜓的每只眼睛由许许多多个小眼组成,每个小眼都能成完整的像,这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类似,使用相控阵的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成,单元数目和天线的功能有关,可以从几个到几百个。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机,完成对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外,还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流,从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多,则波束在空间可能的方位就越多,“相控阵”由此得名。

基于相控阵技术的电扫描微波读写控制器系统,由微波天线、读写控制器及相控阵技术模块组成。微波天线负责5.8GHz微波信号的接收/发送、调制/解调;读写控制器控制基带数据的编码/解码、加密/解密及通讯协议流程,是一个处理收发信息的模块。微波读写控制器以5.8GHz微波无线DSRC协议的通讯方式,与电子标签(OBU)及IC卡进行数据交换,实时采集和更新标签和IC卡中的收费信息,并与计算机和网络通讯。相控阵技术模块负责电扫描信号的发出,实现微波波束扫描的方式快速探测跟踪多个目标。改进后的系统实现方式如(图3):

如图3所示,应用于ETC系统的相控阵天线,包括由天线子阵构成的发射天线阵与由天线子阵构成的接收天线阵,以及相控阵发射组件与相控阵接收组件、波控接口、通讯控制模块、地感接口、车速计算模块、车辆跟踪模块、电源通讯适配器和安全认证模块,其中发射天线阵与接收天线阵通过环形器,发射天线阵与接收天线阵可共用一个天线阵,发射天线阵的天线子阵与接收天线阵的天线子阵,分别通过馈线网络连接至相控阵发射组件和相控阵接收组件的各路射频信号处理单元,通过对射频信号处理单元中的移相器和衰减器赋值,实现对各天线子阵的相位和幅值控制,通讯控制模块负责基带的编码/解码、调制/解调、HDLC/DSRC通迅流程控制,同时,采集地感线圈接口信号,估算车辆位置和速度,计算出波控指令,通过波控接口,分别控制相控阵发射组件与相控阵接收组件的各路移相器和衰减器,实现波束跟踪车辆,电源通讯适配器和安全认证模块,实现天线与上位机的有线远距离通讯连接,并安装有安全认证模块PSAM卡。更具体来说,发射天线阵与接收天线阵分别与相控阵发射组件与相控阵接收组件电路连接,电源与通讯控制模块电路连接,通讯控制模块与相控阵发射组件、相控阵接收组件电路连接,通讯控制模块用于采集地感线圈接口信号,并根据进入到地感线圈的车辆估算车辆位置和速度,通过处理实时得出波控指令且通过波控接口,分别控制相控阵发射组件与相控阵接收组件的相位和幅值,波控接口将通讯控制模块输出的串行波控指令转换成相控阵发射组件和相控阵接收组件所需要的并行波控指令,相控阵发射组件与相控阵接收组件分别通过波控接口,接收通讯控制模块发出的车辆跟踪波控指令,形成跟踪车辆的射频波束,保证高速行进中车上的电子标签始终处于通讯区域内,实现通讯区域内连续可靠的通讯应用要求。

如(图4)所示,DSRC通讯控制模块为16位嵌入式ARM处理器,内置FLASH驻留摸块,包括射频PLL初始化、HDLC通讯协议、DSRC流程控制、上位机通讯协议、地感接口和车辆位置及速度估算、相控阵波控指令算法和安全认证协议,其中HDLC通讯接口输出下行基带数据TX,经RF集成发射电路以ASK方式调制在5.8GHz载波上,产生射频输出作为相控阵发射组件的激励输入,相控阵接收组件输出射频信号,经RF集成接收电路下变频、解调出上行基带数据RX,并通过HDLC通讯接口进入ARM处理器。通讯控制模块在DSRC交易流程中,安排中国人民银行金融卡规范PBOC的双向安全认证,保证消费支付系统的安全性。

本系统应用了相控阵天线的解决方案,通过地感线圈信号确定车辆位置,当车辆进入第一地感线圈,射频波束对准车辆前部,发出无线电信标,唤醒车上的电子标签,建立通信链路进入自动收费流程;通讯控制模块采集地感线圈接口信号,当检测到车辆进入第二地感线圈的信号,计算出车辆行驶速度,通过相控阵波控算法,实时得出移相器和衰减器控制数据,即波控指令通过波控接口输入相控阵收/发组件,各路收/发组件对调制有基带数据的微波信号,依据波控指令进行移相/衰减即相位和幅值控制、再经功率放大后,分别馈给对应的天线子阵,形成数字波束;数字波束实时跟踪车辆前行,如果车辆到了第三地感线圈,自动收费流程还没有结束,通讯控制模块继续计算更新车辆位置、速度和波控指令,直到数字波束移动到栏杆跟前为止;前车自动收费流程完成后,通讯控制模块跟据地感线圈接口信号判断第二辆车位置和行驶速度,通过相控阵波束控制算法,实时计算出对应第二辆车位置的移相器和衰减器控制指令,数字波束指向第二辆车前部,重复前辆车的自动收费流程。前述波控指令即是给相位器、衰减器的串行控制指令,相控阵波束指无线扫描波束,相控阵波束的控制也就是相位和幅值的衰减控制,算法就是能获得准确无线扫描波束的控制算法(图5)。

相控阵发射组件由4路射频信号处理单元组成。将DSRC通讯控制模块的射频信号RF_out作为激励输入,经功分器将激励信号馈给多路射频信号处理单元,射频信号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大,其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控制模块通过波控接口发过来的波控指令,对射频信号进行移相和衰减(相位和幅值控制),经功率放大后的射频信号分别馈给4个发射天线子阵,最终在空间形成符合应用要求的波束。

如(图6)所示,相控阵接收组件也由4路射频信号处理单元组成。分别将4个接收天线子阵接收到的射频信号作为输入,射频信号处理单元对其进行放大、移相、衰减及功率放大,其中移相器和衰减器根据DSRC通讯控制模块通过波控接口发过来的波控指令,对射频信号进行移相和衰减(相位和幅值控制),经处理后的射频信号由功分器矢量叠加,形成对信号空间的方向性选择,再输出到DSRC通讯控制模块进行下变频和解调,解出基带数据。

(图7)发射天线阵与接收天线阵均由微带天线构成,发射天线阵与接收天线阵均以1x6或1x8微带天线子阵作为基础结构,由4~10个子阵构成微带天线阵列,多个子阵的激励相位和激励幅度分别可控制调节,形成一维数字波束扫描即是形成一维扫描的数字波束,其中微带天线子阵中的6-8个贴片和多个子阵采用泰勒级数分布函数进行幅值加权,发射天线阵与接收天线阵的阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平确定,相位分布主要根据波束要求确定,在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元,改善辐射单元的阻抗特性,贴片采用矩形微带贴片,并通过对角线切角技术实现圆极化。

2.2 ETC天线(RSU)相控阵技术应用的特点

众所周知,ETC天线设备驱动程序会根据地感线圈信号,发出微波波束自动跟踪车辆快速扫描指令,锁定车辆车头始终处于信号最强的通讯区域中心位置。但与传统技术下的主要不同之处在于自动波束跟踪扫描技术,而正是由于相控阵技术具有跟踪扫描功能解决了传统 ETC设备在使用中存在的问题。相控阵技术下车道RSU设备组成如(图8)(表1)。

2.3 ETC天线(RSU)相控阵相关测试实验

2.3.1 波束扫描范围测试

该项测试能验证相控阵RSU能从根本上解决跟车干扰问题。解决跟车干扰问题的技术理论依据,可由以下图9所示的测试中得出。本项测试验证了(图8)ETC天线相控阵技术波束跟踪车辆实际状况,波束可随地感线圈信号的变化而移动,车道天线通讯区域扫描控制逻辑,集成在车道工控机天线设备驱动程序的动态库中,车道应用程序可不作升级修改。另外一个方面,相控阵天线根据地感线圈信号,发出的微波波束自动跟踪车辆快速扫描始终把车辆多顶在天线通信区域的中心位置,交易成功率可提高了一个数量级以上。具体过程如(图9):

当三个地感线圈信号为000,即无地感线圈被触发,手持obu由远处走进天线,在12.5m左右obu可被天线波束唤醒;用金属板触发第一个地感线圈,则地感线圈信号为100,手持obu由远处走进天线,在8m左右obu才被天线波束唤醒;用金属板触发第二个地感线圈,则地感线圈信号为010,手持obu由远处走进天线,在4.5m左右obu才被天线波束唤醒;波束可迅速随地感线圈信号的移动而移动,当无标签的机动车向前行进时,波束会跟踪随动,后面的车辆不会进入通讯区,直到无标签的车辆触发第三个地感线圈,将会被系统识别为误闯车。

2.3.2 跟车干扰测试

如(图10)该项测试以实际车辆通行状态,验证相控阵技术解决方案抗跟车干扰效果。反复进行上图各种车型的跟车测试表明,相控阵技术解决方案的抗跟车干扰效果非常优异,在跟车距离小于1m时,也不会出现跟车干扰。这是因为:

(1)通讯区域静态范围小,从原理上可比较彻底地解决跟车干扰和邻道干扰问题。

(2)通讯区域跟随车辆所压地感线圈的移动而移动,并会按照车辆的先后顺序,锁定第一辆车进行通讯和处理,直到第一辆车交易成功或触发第三个地感线圈(误闯车)。

(3)第一辆车处理结束后,处理第二辆车时,根据地感线圈信号的不同,确定微波波束重新回扫位置。

3 ETC天线(RSU)相控阵技术的优势

3.1 有效解决邻道干扰问题

由于相控阵技术的使用,RSU的通讯区域较传统RSU更加精准。因为通讯区域可前后移动跟随车辆,即便RSU的通讯区域很小,车头也始终处在通讯区域中心,车辆最高通行速度不仅不减小,反而因为动态通讯区域变大,车辆最高通行速度提高了一倍。而通讯区域变小,有利于消除邻道感扰。经过各种车型的邻道测试表明,相控阵技术解决方案的抗邻道干扰的效果显著(图11)。

3.2 误码率大大降低和通车速度大幅提高

相控阵技术解决方案最为突出的优点是克服移动通讯边缘信号衰落问题。锁定车头处于通讯区域中心,微波通讯的载噪比C/N始终处在较高的水平,从而实现了低误码率。同时,通讯区域动态范围大和低误码率,促成了通车速度大大提高,比前一代天线快了近一倍,达到100km/h(图12)。

4 结语

相控阵技术解决方案,是根据目前ETC系统存在的一些不足,进行系统性能升级技术调研,提出新应用场景的一些关键需求,实现了用相控阵技术提升ETC系统性能的技术方案,解决了ETC系统存在的一些技术瓶颈问题。

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