CN103729898A - 基于led车灯的etc可见光无线通信接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法，包括：S1、定义物理层中可见光通信的技术指标及对应的数据单元帧；S2、物理层提供访问该层时读取/设置物理层参数功能的服务原语，接入到数据链路层；S3、数据链路层中的MAC子层进行数据发送、数据接收及数据确认，数据链路层中的LLC子层进行差错检测及流量控制；S4、应用层对数据链路层的服务原语作出应答，完成车载设备与终端系统之间的基于LED车灯的ETC可见光无线通信。本发明解决了LED车灯与ETC通信协议的适配问题，可以直接利用LED车灯发出的可见光进行短距离无线通信，在照明的同时实现了可见光通信，不需另外安装车载设备，避免射频通信的电磁干扰，实现了可见光的低成本、低功耗通信。

Description

基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法

技术领域

本发明涉及可见光无线通信及车辆自动识别技术领域，尤其涉及一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法。

背景技术

ETC（Electronic Toll Collection Systems，电子不停车收费系统）是目前世界各国均在大力推崇的先进的收费方式。车主只需在车窗上安装电子标签，车辆在经过收费站时，通过收费站点设置的读写器对经过车辆的电子标签进行读写识别，并自动从预先绑定的射频卡或银行帐户上扣除相应费用，无需车主停车和人工缴费即可快速通过收费站点，真正实现一路畅通。

LED车灯是指采用LED(发光二极管)为光源的车灯。因为LED具有亮度高、低功耗、寿命长、绿色环保的特点，所以LED被广泛应用于汽车领域。利用白光LED进行通信成为一种新型的光无线通信技术。可见光无线通信技术适用于电子不停车收费系统中的无线短距离通信。目前应用于ETC系统中的无线短距离通信技术主要是射频。但是，射频通信方式会对其他电磁系统产生电磁干扰，而且基于射频的短距离通信技术需要安装额外的专用无线设备。而可见光对人类安全、发射功率高、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰。

现有技术中，RFID和ETC技术在门禁系统中的应用(计算机时代，2013-02-15) 介绍了无线射频识别和电子不停车收费的基本概念、工作原理及相关技术。分析了当前车库门禁系统和楼宇门禁系统在实际应用中存在的问题。借鉴了高速公路电子不停车收费系统的成熟应用经验，但是该系统前端通信是采用无线射频方式，因此，通信方式不适用于基于LED车灯的ETC的通信方式。

申请号为201210042738.5的中国专利申请也提到了基于LED可见光通信的小区车辆出入系统，但文中主要提出门禁的设施包括位移传感器，自动栏杆机和车载设施，车载设施包括发射LED可见光信号的LED可见光发射器，但没有具体提出采用LED发射机与小区车辆出入系统中的通信系统。

针对以上技术问题，本发明提供了一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法。

发明内容

本发明针对LED车灯在ETC电子不停车收费系统的可见光通信接入，原ETC通信协议的物理层不适用于可见光无线通信，但是数据链路层及应用层是由适合LED车灯可见光无线通信的数据链路层和应用层协议组成，仍然适用于LED车灯可见光无线通信的要求，因此，本发明基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法主要解决可见光通信在ETC通信协议中的物理层规范定义，无缝接入其数据链路层及应用层，从而完成LED车灯与ETC可见光无线通信的接入。

为了实现上述目的，本发明实施案例提供的技术方案如下：

一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法，所述方法包括：

S1、定义物理层中可见光通信的技术指标及对应的数据单元帧；

S2、物理层提供访问该层时读取/设置物理层参数功能的服务原语，接入到数据链路层；

S3、数据链路层中的MAC子层进行数据发送、数据接收及数据确认，数据链路层中的LLC子层进行差错检测及流量控制；

S4、应用层对数据链路层的服务原语作出应答，完成车载设备与终端系统之间的基于LED车灯的ETC可见光无线通信。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的可见光通信的技术指标具体包括：可见光通信距离为1~200m，波长范围为380~900nm，误码率为10^-6~10^-9。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的可见光通信的技术指标还包括：LED车灯所需的驱动电源为12V~60V，LED车灯发出可见光的光通量为900~1100lm，亮度为90~100cd/m²，光照强度为50~250lx。

作为本发明的进一步改进，所述物理层的工作模式为PHYⅠ，具体为：

数据传输速率为11.67~266.6kb/s，采用二进制序列调制，时钟频率小于或等于400kHz。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的数据发送步骤具体为：

MAC子层判断是否发送数据，若是，则将给发送的数据加上控制信息，最终将数据及控制信息中规定的格式发送到物理层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的数据接收步骤具体为：

MAC子层接收输入的数据并判断数据是否发生传输错误，若否，则去掉控制信息，并将输入的数据发送至LLC子层。

作为本发明的进一步改进，所述服务原语可以是请求原语、指示原语、响应原语和证实原语，其中，请求原语和响应原语为车载设备调用的原语，指示原语和证实原语是终端系统调用的原语。

作为本发明的进一步改进，所述数据单元帧结构包括：

前序、物理层头部、物理层控制域、选择域、物理层数据、包头文、物理层头文及物理层净荷。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2还包括：

在MAC子层的信道分配中引入可见时隙，实现物理层控制光源的选择。本发明具有以下有益效果：

解决了LED车灯与ETC通信协议的适配问题，可以直接利用LED车灯发出的可见光进行短距离无线通信，在照明的同时实现了可见光通信，不需另外安装车载设备，避免射频通信的电磁干扰，实现了可见光的低成本、低功耗通信。

附图说明

图1为本发明基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法的流程示意图。

图2为本发明LED车灯门禁系统的通信方式示意图。

图3为本发明ETC可见光无线通信接入的模块示意图。

图4为本发明可见光通信物理层数据单元帧的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明的一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法，包括：

S1、定义物理层中可见光通信的技术指标及对应的数据单元帧；

S2、物理层提供访问该层时读取/设置物理层参数功能的服务原语，接入到数据链路层；

S3、数据链路层中的MAC子层进行数据发送、数据接收及数据确认，数据链路层中的LLC子层进行差错检测及流量控制；

S4、应用层对数据链路层的服务原语作出应答，完成车载设备与终端系统之间的基于LED车灯的ETC可见光无线通信。

优选地，可见光通信的技术指标具体包括：

可见光通信距离为1~200m，波长范围为380~900nm，误码率为10^-6~10^-9；

LED车灯所需的驱动电源为12V~60V，LED车灯发出可见光的光通量为900~1100lm，亮度为90~100cd/m²，LED的光照强度50~250lx。

优选地，物理层的工作模式为PHYⅠ，具体为：

数据传输速率为11.67~266.6kb/s，采用二进制序列调制，时钟频率小于或等于400kHz。

优选地，步骤S3中的数据发送步骤具体为：

MAC子层判断是否发送数据，若是，则将给发送的数据加上控制信息，最终将数据及控制信息中规定的格式发送到物理层；

步骤S3中的数据接收步骤具体为：

MAC子层接收输入的数据并判断数据是否发生传输错误，若否，则去掉控制信息，并将输入的数据发送至LLC子层。

优选地，服务原语可以是请求原语、指示原语、响应原语和证实原语，其中，请求原语和响应原语为车载设备调用的原语，指示原语和证实原语是终端系统调用的原语。

优选地，数据单元帧结构包括：

前序、物理层头部、物理层控制域、选择域、物理层数据、包头文、物理层头文及物理层净荷。

优选地，步骤S2还包括：

在MAC子层的信道分配中引入可见时隙，实现物理层控制光源的选择。

LED车灯门禁系统的通信方式及过程具体包括：

通信方式采用单工点对点无线通信。如图2所示：发射端首先把读取到的磁信息（如汽车ID号、车主名字等）经过转换器转换成电信息，然后把经过合适的编码调制后的电信号加载到LED车灯的驱动电路上，通过LED车灯将信号发射出去。此时，LED车灯发出的是带有用户信息的可见光。接收端接收到发送端发出的可见光信号，经过光电转换电路将光信号转换为电信号，解码电路对电信号进行解码，并将解码数据发送到中心管理系统，根据管理系统的反馈来对相关车辆进行操作。

ETC可见光无线通信协议由物理层、数据链路层和应用层三部分组成。本发明主要针对物理层修改，对ETC可见光无线通信物理层规范定义具体如下。

对图3所示的ETC可见光无线通信的物理层技术指标进行了规范，该通信结构由物理层（physical layer，PHY)、MAC子层组成。满足该技术指标的LED车灯的ETC通信协议是串行的、单工、点对点的通信协议。

该物理层技术指标规定的各项参数为：通信距离为1~200m，波长范围为380~900nm，误码率为10^-6~10^-9，LED车灯所需的驱动电源为12V~60V，LED车灯发出的近光的光通量为900~1100lm 左右(发光面为3500cm2、出射扩散角为45°)，亮度为90~100cd/m2，光照强度为50~250lx。

物理层的工作模式分为PHYⅠ，PHYⅡ，PHYⅢ。本发明采用的工作模式为PHYⅠ，PHYⅠ工作在低频段内，数据速率为11.67~266.6kb/s，采用二进制序列调制。PHYⅠ时钟频率小于或等于400kHz，适合高直流驱动的LED，转换速度慢，适合以长帧形式长距离传输。

图4为满足LED可见光通信技术指标的物理层数据单元帧结构。数据单元帧结构包括前序、物理层头部、物理层控制域、选择域、物理层数据、包头文、物理层头文及物理层净荷。该帧通过物理层服务接入点调制在可见光载波上，使得LED车灯发现出的可见光可以在空间中传输。物理层包括可见光收发器与底层管理模块。

本发明通过物理层来控制光源的选择，通过在媒体访问控制子层即MAC子层（medium-access control，MAC）的信道分配中引入可见时隙来实现。MAC子层向高级层提供物理信道的访问服务并保证可靠性。MAC子层通过 MCPS-SAP 和 MLME-SAP 与上下层互通。

本发明适合可见光的MAC子层功能主是数据发送、接收和数据确认。为了描述发送帧、确认帧和解决重复帧问题，物理帧对具有相同目标地址的多个MAC帧进行封装，并使用一个确认帧对这些帧进行确认。根据上层要求，对数据加密、认证及重传保护，避免窃取 MAC 子层帧篡改重传。进一步地，MAC子层还提供颜色函数、可视、色平衡及亮度调节等功能。当光源处于空闲或接收状态时，MAC需提供无闪烁照明服务并满足用户调节亮度的需求。

由于MAC子层位于原ETC通信协议数据链路层的下半部分，因此其主要负责控制与连接物理层的物理介质。而原ETC通信协议的应用层只是实现不停车收费系统的应用功能，接收端接收到发送端发出的车辆识别信息，对车辆进行识别，实现车辆的出入。本发明对原ETC通信系统协议的MAC子层以下部分进行了裁剪，保留了原ETC通信协议MAC子层以上部分，并通过对物理层的规范定义，实现了可见光通信协议的技术指标，将适合可见光通信的物理层适配到原ETC系统的数据链路层，然后在应用层应用。

ETC协议每一相邻层间有一个接口，该接口定义下层向上层提供的原语操作和服务。服务是各层向它的上层提供的一组原语，服务定义了该层能代表它的用户完成的操作。第n层实体实现的服务为n+1层所使用，第n层可以利用n-1层服务来提供它自己的服务。规范后的物理层通过定义的服务原语接入到数据链路层，具体如下：

可见光通信物理层协议收到上层服务数据单元并分离解析接口控制信息，根据本层对等实体通信协议需要，加入数据链路层协议控制信息，生成物理层数据服务单元，同时向物理层提供相邻两层实体之间交换信息时的接口控制信息。物理层分离并解析接口控制信息，直接把物理层服务数据单元发送到对端物理层，通过服务原语将服务动作划分成组，进而来连接建立、数据传输、连接释放和失败通知。

其中，服务原语可以是请求、指示、响应和证实类型的。请求和响应是车载设备调用的原语，而指示和证实是终端系统调用的原语。一个服务动作从一个请求原语开始，通过一个指示原语进行报告，车载设备可以用响应原语对指示原语作出应答，终端设备如果要对一个服务动作的请求作出应答的话，就发出一个证实原语。经过完全相反的逆过程实现把应用层协议数据单元发送到对端应用层实现服务过程。

在本发明的具体实施方式中，如图3所示，本发明的基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法具体如下。

首先对原ETC系统通信协议的物理层进行了裁剪，保留了原ETC通信协议的数据链路层MAC子层以上的所有部分。

然后对原ETC通信协议的物理层技术指标进行了重新规范，使该物理层满足可见光通信的技术指标。通过新规范的物理层为其它层提供访问该层时读取/设置物理层参数功能的服务原语。并由该服务原语定义的应用编程接口(Application Programming Interface，API)来实现物理层与数据链路层的连接。

数据链路层MAC子层进行帧控制，对LPDU(LLC协议数据单元)进行分段/重组，生成通信帧，执行CRC计算/校验，在发送数据的时候，MAC子层可以事先判断是否可以发送数据，如果可以，那么将给发送的数据加上控制信息，最终将数据及控制信息中规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC子层首先接收输入的信息并判断是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息，并将输入的信息发送至LLC子层。

适配了的可见光通信协议在LLC子层保留了原ETC通信协议定义的无确认无连接的操作方式，该类型操作不确认数据单元的发送顺序，没有错误控制、流量控制。当可见光通信协议涉及的应用提供错误校正和排序服务时，则不必在数据链路层中重复，该操作十分可行并且支持点对点操作。

最后，通过对API应用接口的编程把裁剪到的原ETC通信协议MAC子层以上的部分与满足可见光无线通信技术指标的物理层部分通过应用编程接口进行了连接，形成适合可见光通信的ETC通信协议，从而实现了LED车灯的ETC可见光无线通信接入。

由以上技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法解决了LED车灯与ETC通信协议的适配问题，可以直接利用LED车灯发出的可见光进行短距离无线通信，在照明的同时实现了可见光通信，不需另外安装车载设备，避免射频通信的电磁干扰，实现了可见光的低成本、低功耗通信。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于LED车灯的ETC可见光无线通信接入方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、定义物理层中可见光通信的技术指标及对应的数据单元帧；

S2、物理层提供访问该层时读取/设置物理层参数功能的服务原语，接入到数据链路层；

S3、数据链路层中的MAC子层进行数据发送、数据接收及数据确认，数据链路层中的LLC子层进行差错检测及流量控制；

S4、应用层对数据链路层的服务原语作出应答，完成车载设备与终端系统之间的基于LED车灯的ETC可见光无线通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的可见光通信的技术指标具体包括：可见光通信距离为1~200m，波长范围为380~900nm，误码率为10^-6~10^-9。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的可见光通信的技术指标还包括：LED车灯所需的驱动电源为12V~60V，LED车灯发出可见光的光通量为900~1100lm，亮度为90~100cd/m²，光照强度为50~250lx。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理层的工作模式为PHYⅠ，具体为：

数据传输速率为11.67~266.6kb/s，采用二进制序列调制，时钟频率小于或等于400kHz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的数据发送步骤具体为：

MAC子层判断是否发送数据，若是，则将给发送的数据加上控制信息，最终将数据及控制信息中规定的格式发送到物理层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的数据接收步骤具体为：

MAC子层接收输入的数据并判断数据是否发生传输错误，若否，则去掉控制信息，并将输入的数据发送至LLC子层。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述服务原语可以是请求原语、指示原语、响应原语和证实原语，其中，请求原语和响应原语为车载设备调用的原语，指示原语和证实原语是终端系统调用的原语。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据单元帧结构包括：

前序、物理层头部、物理层控制域、选择域、物理层数据、包头文、物理层头文及物理层净荷。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

在MAC子层的信道分配中引入可见时隙，实现物理层控制光源的选择。

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