專利名稱：：基于wlan的etc系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于高速公路或城市道路的ETC(電子不停車收費(fèi))系統(tǒng)車載單元(OBU)與路邊單元(RSU)的通信方法，尤其涉及一種基于無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的車載單元和路邊單元之間的通信方法。本發(fā)明屬于智能交通(簡(jiǎn)稱ITS)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，不斷增長(zhǎng)的汽車保有量與有限的道路面積的矛盾日益突出。為了解決這一矛盾，除了大力修建道路之外，提高現(xiàn)有道路的利用效率也是重要的一環(huán)。在這一背景下，智能交通系統(tǒng)日益成為當(dāng)今世界研究發(fā)展的熱點(diǎn)。電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)及其技術(shù)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，它是解決收費(fèi)道路上交通擁擠、堵塞和其它弊端、提高現(xiàn)有道路運(yùn)行安全和效率的重要技術(shù)手段。車載單元(0BU)和路邊單元(RSU)作為ETC系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)ETC系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能的可靠保證起著至關(guān)重要的作用。車載單元(OBU)安裝在車輛前擋風(fēng)玻璃的內(nèi)側(cè)，通過(guò)與公路或者城市道路一側(cè)的路邊單元(RSU)進(jìn)行通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于行駛在公路或者城市道路上的車輛進(jìn)行不停車收費(fèi)，從而允許車輛高速通過(guò)，大大提高公路或者城市道路的通行能力?，F(xiàn)有的基于WLAN的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)車載單元(OBU)和路邊單元(RSU)具有以下特征車載單元上安裝有無(wú)線網(wǎng)卡，所述路邊單元上安裝有無(wú)線網(wǎng)卡和無(wú)線接入點(diǎn)，所述車載單元和路邊單元通過(guò)所述無(wú)線網(wǎng)卡和無(wú)線接入點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信；車載單元通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡利用無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與路邊單元的無(wú)線接入點(diǎn)通信。車載單元的無(wú)線網(wǎng)卡和所述路邊單元的無(wú)線網(wǎng)卡均包括MAC層協(xié)議處理單元、基帶處理單元、射頻處理單元和天饋單元。路邊單元安裝有定向天線，定向天線為一款為滿足該項(xiàng)目整個(gè)ETC系統(tǒng)通信交易要求而研究設(shè)計(jì)的安裝在路邊單元上的天線。無(wú)線接入點(diǎn)為一款滿足該項(xiàng)目整個(gè)ETC系統(tǒng)通信交易要求的安裝在路邊單元上的無(wú)線接入點(diǎn)。上述車載單元和路邊單元通信時(shí)所進(jìn)行的物理層和MAC層信號(hào)處理過(guò)程如圖1所示。詳細(xì)信號(hào)處理過(guò)程描述如下OBU后臺(tái)處理中心將要傳輸?shù)挠脩糗囕v數(shù)據(jù)信息傳送給無(wú)線網(wǎng)卡中的MAC層協(xié)議處理單元，MAC層協(xié)議處理單元對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，打包封裝，添加包頭，然后經(jīng)基帶處理單元(BBP)調(diào)制和擴(kuò)頻后，經(jīng)數(shù)模變換，再將處理后的數(shù)據(jù)信息傳送至射頻處理單元(RF)，RF處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行上變頻及功率放大處理并經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)卡中的天饋單元發(fā)送出去。RSU端的無(wú)線接入點(diǎn)(AP)通過(guò)其前端的定向天線接收車載單元(OBU)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并傳輸給路邊單元的無(wú)線網(wǎng)卡中的天饋單元，天饋單元將接收到的數(shù)據(jù)信息傳輸給射頻處理單元，數(shù)據(jù)信息在射頻處理單元經(jīng)低噪聲放大器及下變頻處理之后被傳送至基帶處理單元，進(jìn)行模/數(shù)變換、解擴(kuò)、解調(diào)處理之后，數(shù)據(jù)信息被傳送給無(wú)線網(wǎng)卡中的MAC層協(xié)議處理單元，以進(jìn)行拆包處理，還原出原始數(shù)據(jù)后在傳送給RSU后臺(tái)處理中心。目前基于WL認(rèn)的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元在鏈路層上采用傳統(tǒng)的IEEE802.11MAC層標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。由于WLAN技術(shù)主要應(yīng)用于50m100m范圍內(nèi)的無(wú)線局域網(wǎng)互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)終端都處于戶內(nèi)靜止或者戶外低速移動(dòng)(5km/h以下)的狀態(tài)，因此，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也主要針對(duì)戶內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)以及戶外步行移動(dòng)用戶接入無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用。于是，相應(yīng)地，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)第一，對(duì)移動(dòng)終端的移動(dòng)速度不敏感，表現(xiàn)在對(duì)于建立連接時(shí)間無(wú)要求，通常在幾秒鐘，規(guī)定RSU的信標(biāo)周期在100ms以上，并且規(guī)定0BU與RSU建立通信需要三次握手；第二，通信有效性的優(yōu)先級(jí)高于可靠性，即以犧牲連接的穩(wěn)定可靠性能來(lái)?yè)Q取信息傳輸速率的大大增加(最高可達(dá)54Mbps);第三，在建立通信連接的過(guò)程中，規(guī)定OBU與RSU之間所互發(fā)的各種認(rèn)證信息必須要一一對(duì)應(yīng)，即OBU發(fā)送探詢幀，則RSU必須回復(fù)探詢響應(yīng)幀，才能進(jìn)行下一步幀的交互，否則，將通過(guò)退避機(jī)制來(lái)使得0BU重發(fā)探詢幀；0BU發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，則RSU必須回復(fù)認(rèn)證響應(yīng)幀，才能進(jìn)行下一步幀的交互，否則，將通過(guò)退避機(jī)制來(lái)使得OBU重發(fā)探詢幀；OBU發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀，則RSU必須回復(fù)關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀，才能進(jìn)行下一步幀的交互，否則，將通過(guò)退避機(jī)制來(lái)使得OBU重發(fā)探詢幀。然而，基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元支持的車輛通行速度非常的高，通常在120km/h180km/h范圍，RSU的工作距離僅在50nTl00m，這就必然使得連接進(jìn)入無(wú)線局域網(wǎng)的時(shí)間要求非常嚴(yán)格(在亳秒級(jí))，并且所建立的連接要非常地穩(wěn)定，否則就會(huì)由于車輛的通行速度非常地快以至于不斷地出現(xiàn)或者根本沒(méi)來(lái)得及成功建立連接或者建立起的連接又?jǐn)嗟舻默F(xiàn)象，即OBU與RSU要么連接不上，要么剛連接上就斷掉，從而根本無(wú)法使得整個(gè)ETC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)的功能。此外，由于0BU是利用干電池供電，要求一個(gè)普通的1200mAh的干電池可為OBU供電3個(gè)月，因此，從功耗角度考慮也不允許OBU與RSU之間有很長(zhǎng)的建立連接的時(shí)間。綜上所述，可知傳統(tǒng)的主要針對(duì)靜止或者低速移動(dòng)(5km/h以下)的終端應(yīng)用的IEEE802.11MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)必然不適合應(yīng)用于基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元之間的通信連接，具體表現(xiàn)在以下方面第一，傳統(tǒng)的IEEE802.11MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)移動(dòng)終端的移動(dòng)速度不敏感，該協(xié)議的規(guī)范沒(méi)有把高速移動(dòng)時(shí)的情況作為主要應(yīng)用的模式；第二，建立連接的時(shí)間需要幾秒鐘對(duì)于基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)長(zhǎng)，在0BU端的功耗上以及整個(gè)ETC系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上都是不能容忍的；第三，RSU發(fā)送的信標(biāo)在100ms并且在建立連接時(shí)需要三次握手對(duì)于基于WL細(xì)的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用過(guò)于復(fù)雜，浪費(fèi)了大量的時(shí)間上的開(kāi)銷，使得0BU和RSU建立通信連接的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致OBU端功耗上白白損耗，大大降低OBU持續(xù)工作的壽命;第四，傳統(tǒng)的IEEE802.11MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的通信有效性的優(yōu)先級(jí)高于可靠性的特點(diǎn)不適合基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用，由于基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信需要交互的數(shù)據(jù)只有300字節(jié)，信息量極小，因此不需要很高的信息傳輸速率(54Mbps)，RSU端所規(guī)定的最低速率6Mbps已足夠，因此，完全可以通過(guò)以犧牲信息傳輸速率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取對(duì)于基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用更為重要的最佳連接穩(wěn)定可靠性；第五，在建立通信連接的過(guò)程中要求OBU與RSU之間所互發(fā)的各種必須要一一對(duì)應(yīng)這一特點(diǎn)也大大限制了OBU與RSU之間建立通信連接的靈活性，從而導(dǎo)致建立連接時(shí)間的急劇增加。而且，目前現(xiàn)有的所有其他MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由于所支持的物理層技術(shù)與WLAN的物理層技術(shù)存在巨大差異，因此，也都不適合應(yīng)用于基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信連接。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于WLAN的快速、穩(wěn)定的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，車載單元與路邊單元建立通信連接的過(guò)程為-(1)車載單元向路邊單元發(fā)送探詢請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)信息幀；(2)所述車載單元偵聽(tīng)到信息幀，向所述路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀；(3)所述車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，向所述路邊單元發(fā)送金融交易信息。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，步驟(2)具體為-(21)如果所述車載單元偵聽(tīng)到的信息幀是路邊單元回復(fù)的探詢響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(22);如果所述車載單元偵聽(tīng)到的信息幀是其他車載單元發(fā)出的探詢請(qǐng)求幀，進(jìn)入步驟(23);(22)車載單元向所述路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀，如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元未偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，重復(fù)本步驟；如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(3);(23)車載單元向路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀，如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元未偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，返回步驟(1);如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(3)。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，步驟(1)中，車載單元每隔一段時(shí)間向路邊單元發(fā)送一次探詢請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)一次信息幀。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，所述一段時(shí)間的取值范圍為0.5至3秒。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，發(fā)送一次探詢請(qǐng)求幀的時(shí)間小于500微秒，偵聽(tīng)一次信息幀的時(shí)間為500微秒。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，步驟(22)中所述的偵聽(tīng)時(shí)限為3毫秒。步驟(23)中所述的偵聽(tīng)時(shí)限為5毫秒。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，探詢請(qǐng)求幀、探詢響應(yīng)幀、認(rèn)證請(qǐng)求幀、認(rèn)證響應(yīng)幀的幀結(jié)構(gòu)包括五部分第一部分為幀頭，第二部分為邏輯鏈路控制信息，第三部分為子網(wǎng)訪問(wèn)協(xié)議，第四部分為負(fù)載，第五部分為校驗(yàn)碼。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，車載單元與路邊單元通過(guò)傳輸速率為6Mbps的信道進(jìn)行通信。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，路邊單元發(fā)送探詢響應(yīng)幀的方式分為兩種主動(dòng)方式，在未接到車載單元發(fā)送的探詢請(qǐng)求幀的情況下，主動(dòng)發(fā)送探詢響應(yīng)幀，發(fā)送的時(shí)間周期為20毫秒；被動(dòng)方式，在接到車載單元發(fā)送的探詢請(qǐng)求幀的情況下，立即返回探詢響應(yīng)幀。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，車載單元通過(guò)信息幀的幀頭識(shí)別所述信息幀為路邊單元返回的探詢響應(yīng)幀或來(lái)自其他車載單元的幀。上述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法中，所述探詢請(qǐng)求幀的負(fù)載包括兩部分第一部分為無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，第二部分為無(wú)線網(wǎng)卡所支持的速率；所述探詢響應(yīng)幀的負(fù)載包括六部分第一部分為無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送Beacon幀時(shí)的時(shí)標(biāo)，第二部分為無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送Beacon幀的間隔，第三部分為無(wú)線接入點(diǎn)的能力的描述信息，第四部分為無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，第五部分為無(wú)線接入點(diǎn)支持的速率，第六部分為信道標(biāo)識(shí)；所述認(rèn)證請(qǐng)求幀的負(fù)載包括兩部分第一部分為認(rèn)證算法標(biāo)識(shí)，第二部分為認(rèn)證幀的序號(hào)；所述認(rèn)證響應(yīng)幀的負(fù)載包括三部分第一部分為認(rèn)證算法標(biāo)識(shí)，第二部分為認(rèn)證幀的序號(hào)，第三部分為認(rèn)證的狀態(tài)碼。本發(fā)明努力克服傳統(tǒng)的IEEE802.11MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用中的不足，在基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元的通信應(yīng)用中，在鏈路層的MAC層上定義一套全新的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以滿足基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元之間建立更快速更穩(wěn)定的通信連接的應(yīng)用要求，并很好地解決OBU端的功耗問(wèn)題從而大大延長(zhǎng)OBU的使用壽命。圖l為本發(fā)明硬件連接圖；圖2為本發(fā)明無(wú)線局域網(wǎng)在各層的傳輸圖；圖3為本發(fā)明層結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明OBU和RSU之間通信流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明首先采用下述的技術(shù)方案OBU和RSU之間傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)在由OBU和RSU中的無(wú)線網(wǎng)卡以及RSU中的無(wú)線接入點(diǎn)組成的無(wú)線局域網(wǎng)的各層上的傳輸過(guò)程如圖2所示OBU的無(wú)線網(wǎng)卡和RSU的無(wú)線網(wǎng)卡必須經(jīng)過(guò)RSU的無(wú)線接入點(diǎn)的銜接才能成功建立通信。無(wú)線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主要包括物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。因?yàn)槲覀兊捻?xiàng)目中該OBU和RSU組成的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)不存在路由的問(wèn)題，因此，可以不單獨(dú)設(shè)網(wǎng)絡(luò)層。而且，因?yàn)闊o(wú)線局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制比較復(fù)雜，所以鏈路層分成邏輯鏈路控制層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)兩層。本項(xiàng)目的內(nèi)容就是重新定義一套適合基于WLAN的ETC系統(tǒng)應(yīng)用要求的MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。從圖2可知，與MAC層銜接的是LLC層和物理層。圖3則給出這三層銜接的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。其中，LLC層提供OBU和RSU中的無(wú)線網(wǎng)卡以及RSU中的無(wú)線接入點(diǎn)之間的初始(邏輯鏈路)連接，即建立和拆除數(shù)據(jù)鏈路，然后通過(guò)LLC層與MAC層之間的接口，向MAC層發(fā)送MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU);MAC層提供OBU和RSU中的無(wú)線網(wǎng)卡以及RSU中的無(wú)線接入點(diǎn)之間的幀傳輸、差錯(cuò)控制、流量控制和數(shù)據(jù)鏈路管理，分為MAC子層和MAC子層管理，其中，MAC子層提供幀傳輸，MAC子層管理提供差錯(cuò)控制、流量控制和數(shù)據(jù)鏈路管理；物理層則提供物理鏈路，實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，其定義了傳輸介質(zhì)、以及與接口硬件的電氣、機(jī)械、功能和過(guò)程有關(guān)的各種特性，以便建立、維護(hù)和拆除物理連接，分為物理層會(huì)聚子層和物理層管理實(shí)體，其中物理層管理實(shí)體通過(guò)層管理服務(wù)接口與MAC子層管理交互數(shù)據(jù)信息，以調(diào)用層管理功能，物理層會(huì)聚子層的協(xié)議部分定義了傳輸介質(zhì)，其通過(guò)接口與MAC子層交互數(shù)據(jù)信息，用于識(shí)別確認(rèn)來(lái)自MAC子層的幀，然后，再通過(guò)接口與物理層會(huì)聚子層的物理介質(zhì)部分交互數(shù)據(jù)信息，使得來(lái)自MAC層的幀經(jīng)過(guò)物理層會(huì)聚子層的物理介質(zhì)發(fā)射出去，其中物理層會(huì)聚子層的物理介質(zhì)部分則定義了與接口硬件的電氣、機(jī)械、功能和過(guò)程有關(guān)的各種特性。本發(fā)明在基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元之間的通信連接中采用下述的通信方法，即根據(jù)基于WLAN的ETC系統(tǒng)的應(yīng)用要求和特點(diǎn)定義了一套新的MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)容如下l.制定嚴(yán)格的連接碰撞避免機(jī)制，以提高信道利用效率、通信的可靠性和穩(wěn)定以及支持移動(dòng)終端的高速運(yùn)動(dòng)(達(dá)到180km/h)。具體如下連接碰撞避免時(shí)間-隨機(jī)數(shù)X—個(gè)時(shí)間塊時(shí)長(zhǎng)(aSlotTime)，其中0《隨機(jī)數(shù)《CW,aCWmin《CW《aCWmax,aCWmin=31,aCWmax=1023,aSlotTime=9us。由于基于WLAN的ETC系統(tǒng)通信距離在100m，車輛移動(dòng)速度通常在50km/h，因此在此距離范圍內(nèi)車輛數(shù)量一般性不會(huì)多于10輛。而且，根據(jù)基于WLAN的ETC系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)和要求，本項(xiàng)目規(guī)定在ETC系統(tǒng)工作范圍內(nèi)(100m)0BU連接成功的概率達(dá)到9(m，則可知連接未成功的概率為O.l，于是可以得至lj，本項(xiàng)目應(yīng)選取的隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)N為(10/N)=0.1，N=100，考慮到OBU端的功耗因素(時(shí)間間隔越小則功耗越少),可知隨機(jī)數(shù)CW的數(shù)值應(yīng)該越小越好，于是就可以確定出aCWmin=31,aCWmax=130,即31《CW《130，于是可計(jì)算得最大連接碰撞避免時(shí)間=130X9us=1170us=l.17ms。因此，本項(xiàng)目根據(jù)上述計(jì)算得到的最大連接碰撞避免時(shí)間，并考慮到信道衰落產(chǎn)生的時(shí)間開(kāi)銷以及多址通信時(shí)帶來(lái)的信道惡化，規(guī)定了OBU和RSU在建立通信連接時(shí)應(yīng)遵循的連接碰撞避免機(jī)制，即如果0BU接收到AP的響應(yīng)幀則發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀后等待3ms為最優(yōu)值，如果OBU接收到其它OBU發(fā)送的幀則發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀后等待5ms為最優(yōu)值。2.縮短RSU中無(wú)線接入點(diǎn)AP的發(fā)送信標(biāo)(探詢響應(yīng)幀)周期，以降低OBU端為等待無(wú)線接入點(diǎn)AP的信標(biāo)而白白消耗的能量。具體如下-由于基于WLAN的ETC系統(tǒng)通信距離在100m，而車輛移動(dòng)速度最高要達(dá)到180km/h，再加上無(wú)線信道是一種連接很不穩(wěn)定的通信信道、各種信道衰落的影響以及OBU端的功耗等因素，可知，OBU和RSU建立通信連接和完成一次完整交易的時(shí)間必須要控制在400ms500ms級(jí)，如果去掉OBU和RSU之間進(jìn)行交易所用的時(shí)間200ms300ras，則可知，剩余的用于建立通信連接的時(shí)間只有不到200ms。因此，考慮到ETC系統(tǒng)工作范圍100m內(nèi)最多可能有10輛車，因此計(jì)算可得，本項(xiàng)目選取的無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)周期為200mS/10=20ms即為最優(yōu)值。3.降低通信的有效性，以換取連接通信的穩(wěn)定可靠性并大大增加工作距離，為支持移動(dòng)終端的高速移動(dòng)性提供保證。具體如下由于基于WLAN的ETC系統(tǒng)信息交易量?jī)H為300字節(jié)，因此，本項(xiàng)目只采用6Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行通信，即采用單信道的方案，在本項(xiàng)目的協(xié)議中規(guī)定AP不在所有信道中發(fā)送信標(biāo)，而是只在規(guī)定的信道中發(fā)送信標(biāo)，將OBU和RSU之間的信息交互固定在傳輸速率為6Mbps的信道中進(jìn)行，從而達(dá)到通信可靠性達(dá)90%、通信距離為100m的目標(biāo)。并且據(jù)此，可計(jì)算出，發(fā)送一個(gè)幀(300字節(jié))的時(shí)間長(zhǎng)度為(300X8)/6Mbps=400US，于是，本項(xiàng)目據(jù)此規(guī)定OBU等待AP的探詢響應(yīng)幀的時(shí)間為500us為最優(yōu)值。4.在建立通信連接的過(guò)程中，定義一種靈活的幀與幀之間的響應(yīng)機(jī)制，以大大降低OBU和RSU之間建立通信連接以及交互數(shù)據(jù)信息的時(shí)間開(kāi)銷，從而提高整個(gè)ETC系統(tǒng)的效率。本項(xiàng)目提出的新的MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)內(nèi)容如下一、本項(xiàng)目中OBU與RSU之間建立通信傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)所發(fā)送的幀的類型、順序及結(jié)構(gòu)-1.幀的類型和順序:表1探詢請(qǐng)求幀<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>2.幀結(jié)構(gòu)幀頭LLCSNAP(含以太網(wǎng)幀類型)負(fù)載FCS第9/10頁(yè)幀頭包括幀控制(2B)、持續(xù)時(shí)間ID(2B)、地址1(6B)、地址2(6B)、地址3(6B)、序列控制(2B)，一共24個(gè)Byte,LLC:邏輯鏈路控制信息，3個(gè)Byte。SNAP:子網(wǎng)訪問(wèn)協(xié)議，共5個(gè)Byte，其中以太網(wǎng)類型描述以太網(wǎng)幀的類型，2個(gè)Byte。負(fù)載以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)字段，最長(zhǎng)可以達(dá)到2304B。FCS:校驗(yàn)碼，4個(gè)Byte。二、OBU與RSU之間的完整通信流程-1.OBU始終處于深度睡眠/喚醒工作狀態(tài)深度睡眠狀態(tài)，即無(wú)線網(wǎng)卡中的RF、BBP+MAC以及CPU和開(kāi)發(fā)版上的各個(gè)器件都處于關(guān)閉狀態(tài)，該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為ls，包含CPU啟動(dòng)+無(wú)線網(wǎng)卡啟動(dòng)用時(shí)5ms，此時(shí)整個(gè)0BU的功耗為2uA以下；喚醒工作狀態(tài)，即無(wú)線網(wǎng)卡和CPU都處于工作狀態(tài)，其中無(wú)線網(wǎng)卡處于發(fā)射狀態(tài)，主動(dòng)發(fā)送一個(gè)探詢幀，發(fā)送用時(shí)不到500us，功耗320mA，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)以偵聽(tīng)等待AP的探詢響應(yīng)幀，偵聽(tīng)等待用時(shí)500us，功耗320mA。要求OBU發(fā)送探詢幀并偵聽(tīng)等待AP的響應(yīng)幀的總用時(shí)不超過(guò)lms，而且，AP響應(yīng)OBU的探詢幀的時(shí)間要求為500us。2.OBU由深度睡眠狀態(tài)進(jìn)入喚醒工作狀態(tài)之后，主動(dòng)發(fā)送一個(gè)探詢幀，發(fā)送用時(shí)不到500us，功耗320mA，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)以偵聽(tīng)等待幀，偵聽(tīng)等待用時(shí)500us,功耗320mA:①如果沒(méi)有偵聽(tīng)到幀的存在，則OBU轉(zhuǎn)入深度睡眠狀態(tài)；②如果偵聽(tīng)到幀的存在，則OBU完全能夠通過(guò)幀頭信息(包含AP的MAC地址信息或者其他OBU的MAC地址信息，而AP的MAC地址與OBU的MAC地址有很大區(qū)別)來(lái)判斷出該幀是來(lái)自于AP還是來(lái)自于其他OBU的a.如果是來(lái)自AP的，則OBU立刻發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，等待時(shí)間3ms:如果接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，則OBU就認(rèn)定已經(jīng)和AP成功建立起通信連接，于是OBU將立刻發(fā)送包含車輛用戶數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀，以進(jìn)行接下來(lái)的金融交易；如果沒(méi)有接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，則OBU就繼續(xù)發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，等待時(shí)間3ms，此過(guò)程如此反復(fù)，直至OBU收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀為止。b.如果是來(lái)自其他OBU的，則OBU立刻發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，等待時(shí)間5ms:如果接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，則OBU就認(rèn)定已經(jīng)和AP成功建立起通信連接，于是OBU將立刻發(fā)送包含車輛用戶數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀，以進(jìn)行接下來(lái)的金融交易；如果沒(méi)有接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀，則OBU就轉(zhuǎn)入深度睡眠狀態(tài)，并在Is之后重新開(kāi)始建立通信連接的過(guò)程。本發(fā)明的具體工作流程如下如圖4所示，OBU的無(wú)線網(wǎng)卡主動(dòng)發(fā)送一個(gè)探詢幀Probereq，用時(shí)在500us以下，功耗(處于發(fā)射狀態(tài))為320mA，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)以偵聽(tīng)等待幀，等待時(shí)間500us，功耗(處于接收狀態(tài))為320mA，即OBU發(fā)送探詢幀并偵聽(tīng)等待幀的總時(shí)間為lms，其中AP發(fā)送響應(yīng)幀的用時(shí)要求在500us之內(nèi)；如果lms內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到任何幀，則無(wú)線網(wǎng)卡自動(dòng)轉(zhuǎn)入深度休眠狀態(tài)，深度休眠時(shí)間為ls，功耗(處于深度休眠狀態(tài))為2uA;如果lms內(nèi)偵聽(tīng)到幀，則OBU通過(guò)幀頭信息(包含AP的MAC地址信息或者其他OBU的MAC地址信息，而AP的MAC地址與OBU的MAC地址有很大區(qū)別)來(lái)判斷出該幀是來(lái)自于AP還是來(lái)自于其他OBU:如果是來(lái)自AP的，則OBU立刻發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀Authenl，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，等待時(shí)間3ms:如果接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，則OBU就認(rèn)定已經(jīng)和AP成功建立起通信連接，于是OBU將立刻發(fā)送包含車輛用戶數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀，以進(jìn)行接下來(lái)的金融交易；如果沒(méi)有接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，則OBU就繼續(xù)發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀Authenl，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，等待時(shí)間3ms，此過(guò)程如此反復(fù)，直至OBU收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2為止。如果是來(lái)自其他OBU的，則OBU立刻發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀Auth.enl，然后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)等待狀態(tài)以接收來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，等待時(shí)間5ms(此處之所以采用比3ms大的等待時(shí)間，是為了抵消由于其他OBU的存在使得AP處理能力有所降低而帶來(lái)的開(kāi)銷)如果接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2,則OBU就認(rèn)定已經(jīng)和AP成功建立起通信連接，于是OBU將立刻發(fā)送包含車輛用戶數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀，以進(jìn)行接下來(lái)的金融交易；如果沒(méi)有接收到來(lái)自AP的認(rèn)證響應(yīng)幀Authen2，則OBU就轉(zhuǎn)入深度睡眠狀態(tài)，并在ls之后重新開(kāi)始建立通信連接的過(guò)程。權(quán)利要求1、一種基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于車載單元與路邊單元建立通信連接的過(guò)程為(1)車載單元向路邊單元發(fā)送探詢請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)信息幀；(2)所述車載單元偵聽(tīng)到信息幀，向所述路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀；(3)所述車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，向所述路邊單元發(fā)送金融交易信息。2、如權(quán)利要求1所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于步驟(2)具體為(21)如果所述車載單元偵聽(tīng)到的信息幀是路邊單元回復(fù)的探詢響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(22);如果所述車載單元偵聽(tīng)到的信息幀是其他車載單元發(fā)出的探詢請(qǐng)求幀，進(jìn)入步驟(23);(22)車載單元向所述路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀，如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元未偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，重復(fù)本步驟；如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(3);(23)車載單元向路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀，如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元未偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，返回步驟(1);如果在偵聽(tīng)時(shí)限內(nèi)車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，進(jìn)入步驟(3)。3、如權(quán)利要求1所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于步驟(1)中，車載單元每隔一段時(shí)間向路邊單元發(fā)送一次探詢請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)一次信息幀。4、如權(quán)利要求3所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于所述一段時(shí)間的取值范圍為0.5至3秒。5、如權(quán)利要求3所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于發(fā)送一次探詢請(qǐng)求幀的時(shí)間小于500微秒，偵聽(tīng)一次信息幀的時(shí)間為500微秒。6、如權(quán)利要求2所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于步驟(22)中所述的偵聽(tīng)時(shí)限為3毫秒，步驟(23)中所述的偵聽(tīng)時(shí)限為5毫秒。7、如權(quán)利要求1或2所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于探詢請(qǐng)求幀、探詢響應(yīng)幀、認(rèn)證請(qǐng)求幀、認(rèn)證響應(yīng)幀的幀結(jié)構(gòu)包括五部分第一部分為幀頭，第二部分為邏輯鏈路控制信息，第三部分為子網(wǎng)訪問(wèn)協(xié)議，第四部分為負(fù)載，第五部分為校驗(yàn)碼。8、如權(quán)利要求1所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于車載單元與路邊單元通過(guò)傳輸速率為6Mbps的信道進(jìn)行通信。9、如權(quán)利要求2所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于路邊單元發(fā)送探詢響應(yīng)幀的方式分為兩種主動(dòng)方式，在未接到車載單元發(fā)送的探詢請(qǐng)求幀的情況下，主動(dòng)發(fā)送探詢響應(yīng)幀，發(fā)送的時(shí)間周期為20毫秒；被動(dòng)方式，在接到車載單元發(fā)送的探詢請(qǐng)求幀的情況下，立即返回探詢響應(yīng)幀。10、如權(quán)利要求2或9所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于車載單元通過(guò)信息幀的幀頭識(shí)別所述信息幀為路邊單元返回的探詢響應(yīng)幀或來(lái)自其他車載單元的幀。11、如權(quán)利要求7所述的基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，其特征在于所述探詢請(qǐng)求幀的負(fù)載包括兩部分第一部分為無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，第二部分為無(wú)線網(wǎng)卡所支持的速率；所述探詢響應(yīng)幀的負(fù)載包括六部分第一部分為無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送Beacon幀時(shí)的時(shí)標(biāo)，第二部分為無(wú)線接入點(diǎn)發(fā)送Beacon幀的間隔，第三部分為無(wú)線接入點(diǎn)的能力的描述信息，第四部分為無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，第五部分為無(wú)線接入點(diǎn)支持的速率，第六部分為信道標(biāo)識(shí)；所述認(rèn)證請(qǐng)求幀的負(fù)載包括兩部分第一部分為認(rèn)證算法標(biāo)識(shí)，第二部分為認(rèn)證幀的序號(hào)；所述認(rèn)證響應(yīng)幀的負(fù)載包括三部分第一部分為認(rèn)證算法標(biāo)識(shí)，第二部分為認(rèn)證幀的序號(hào)，第三部分為認(rèn)證的狀態(tài)碼。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種基于WLAN的ETC系統(tǒng)車載單元與路邊單元的通信方法，現(xiàn)有的ETC系統(tǒng)車載單元和路邊單元之間建立通信連接的距離短、時(shí)間長(zhǎng)、建立的連接不穩(wěn)定，不適于高速移動(dòng)的車輛與固定的收費(fèi)系統(tǒng)之間建立連接，針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的車載單元與路邊單元建立通信連接的過(guò)程為(1)車載單元向路邊單元發(fā)送探詢請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)信息幀；(2)所述車載單元偵聽(tīng)到信息幀，向所述路邊單元發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求幀，偵聽(tīng)路邊單元返回的認(rèn)證響應(yīng)幀；(3)所述車載單元偵聽(tīng)到認(rèn)證響應(yīng)幀，向所述路邊單元發(fā)送金融交易信息。本發(fā)明能夠更快速更穩(wěn)定的在車載單元與路邊單元之間建立通信連接。文檔編號(hào)G07B15/06GK101123456SQ20061008921公開(kāi)日2008年2月13日申請(qǐng)日期2006年8月9日優(yōu)先權(quán)日2006年8月9日發(fā)明者勇李,琳賈申請(qǐng)人:北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司