단차로 하이패스시스템의 지 정체로 인한 교통 혼잡, 안전사고, 유지보수 등 매년 발생하는 문제를 해결하기 위해 무정차 다차로 고속주행기반 시스템의 개발이 필요하게 되었다. 하이패스 통신시스템은 단차로 환경에서 선입선출 방식이므로, 다차로 환경에서 발생하는 군집주행 및 차로전환 등 다양한 주행패턴을 처리할 수 없다. 본 논문에서는, 기존의 하이패스 단말기를 수용하면서 다차로 주행이 가능한 통신시스템을 개발했다. 능동형 RF/IR 통신 안테나를 이용해 중첩 영역은 넓히고, 오류범위를 최소화 하는 기술을 구현했다. 체험도로를 다차로 실 환경처럼 구축하여 테스트한 결과 하이패스시험기준을 통과했을 뿐 아니라, 속도별, 차로별, 차로전환별 주행시험 및 단말기 위치별 시험 결과 통신 정확도도 99.9%로 하이패스시스템의 성능을 만족했다. 무정차 다차로를 위한 통신시스템은 향후 고속도로 및 유료도로에서도 사용할 수 있을 뿐 아니라, 주차장에서도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
단차로 하이패스시스템의 지 정체로 인한 교통 혼잡, 안전사고, 유지보수 등 매년 발생하는 문제를 해결하기 위해 무정차 다차로 고속주행기반 시스템의 개발이 필요하게 되었다. 하이패스 통신시스템은 단차로 환경에서 선입선출 방식이므로, 다차로 환경에서 발생하는 군집주행 및 차로전환 등 다양한 주행패턴을 처리할 수 없다. 본 논문에서는, 기존의 하이패스 단말기를 수용하면서 다차로 주행이 가능한 통신시스템을 개발했다. 능동형 RF/IR 통신 안테나를 이용해 중첩 영역은 넓히고, 오류범위를 최소화 하는 기술을 구현했다. 체험도로를 다차로 실 환경처럼 구축하여 테스트한 결과 하이패스시험기준을 통과했을 뿐 아니라, 속도별, 차로별, 차로전환별 주행시험 및 단말기 위치별 시험 결과 통신 정확도도 99.9%로 하이패스시스템의 성능을 만족했다. 무정차 다차로를 위한 통신시스템은 향후 고속도로 및 유료도로에서도 사용할 수 있을 뿐 아니라, 주차장에서도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
The Electronic Toll Collection System based on Free-Flow Multi-Lane is needed to solve some yearly problems such as traffic congestion, safety accident, maintenance by hold-up of one way hi-pass system. The hi-pass communication system is first-in, first-out method in one way environment so, it can'...
The Electronic Toll Collection System based on Free-Flow Multi-Lane is needed to solve some yearly problems such as traffic congestion, safety accident, maintenance by hold-up of one way hi-pass system. The hi-pass communication system is first-in, first-out method in one way environment so, it can't handle various running patterns such as vehicle platoon, switching lane and passing in multi-lane environment. In this thesis we compared and analyzed the communication system of foreign countries ETCS operating system and domestic hi-pass communication system, then studied communication system which can run in multiple-way accepting existing hi-pass OBU. And we formed the communication system of Free-Flow Multi-Lane environment as a plan using incoherent of IR antenna and coherent of RF antenna. The communication system in Free-Flow Multi-Lane environment can be used not alone in parking garages but in expressways of ETCS and toll roads from now on.
The Electronic Toll Collection System based on Free-Flow Multi-Lane is needed to solve some yearly problems such as traffic congestion, safety accident, maintenance by hold-up of one way hi-pass system. The hi-pass communication system is first-in, first-out method in one way environment so, it can't handle various running patterns such as vehicle platoon, switching lane and passing in multi-lane environment. In this thesis we compared and analyzed the communication system of foreign countries ETCS operating system and domestic hi-pass communication system, then studied communication system which can run in multiple-way accepting existing hi-pass OBU. And we formed the communication system of Free-Flow Multi-Lane environment as a plan using incoherent of IR antenna and coherent of RF antenna. The communication system in Free-Flow Multi-Lane environment can be used not alone in parking garages but in expressways of ETCS and toll roads from now on.
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문제 정의
하이패스 통신시스템은 단차로에서는 1차원 개념의 무선통신 환경이었지만, 다차로에서는 군집주행, 차로전환 등 단차로에서 발생하지 않았던 주행 패턴과 주파수 간섭 및 페이딩 현상 등이 발생하여 다차로에서 사용하기에는 몇 가지 문제점이 있다. 기존 하이패스 통신시스템을 무정차 다차로에는 적용할 수 없어서, 본 연구에서는 RF/IR 안테나의 특징들을 재분석해 각각의 장점을 최대한 살리고, 단점을 최소화하여 통신시스템의 정확도를 높이기 위한 소프트웨어 개발 및 하드웨어를 구현했다.
본 논문에서는, 기존의 방식인 SDMA 방식과 타 통신시스템에서 주로 활용해왔던 RTDMA 방식으로 구현했다. 단차로 단일/다중 통신 기술과 다차로 다중/랜덤 통신기술을 능동형 RF/IR 듀얼 통신방식으로 구현해, OBU의 위치를 확인하고 추적할 수 있게 정확한 통신영역을 설정했다.
제안 방법
IR 안테나는 차로마다 1개씩 와 같이, 설치하여 통신시스템의 성능시험을 했다.
ITSK(Intelligence Transportation System Korea)의 ETCS(Electronic Toll Collection System) 성능시험의 표준으로 기존 하이패스 단말기와의 호환성을 유지 하기 위한 시험 뿐 아니라, 다차로에서 요구되는 속도별, 차로별, 차로전환 등의 다양한 차량통과 패턴 과 단말기 부착위치 별 통신시스템을 시험했다.[11,12]
RF 안테나와 IR 안테나의 특성을 고려하여 중첩 영역을 활용하고, 통신처리 속도와 신뢰성을 높이도록 구현했다. 기존 하이패스 시스템의 SDMA 방식과 실시간 처리방식인 RTDMA 방식으로 무정차 다차로를 위한 통신시스템을 구현했다.
무정차 다차로 RF 안테나는 <그림 5>와 같이, 차선 사이사이에 설치하여 통신영역을 형성했다. RF 안테나의 특성을 이용하여 2개 차로와 통신이 가능하도록 안테나의 출력을 높여주었다. 또한 RF 통신 영역은 표준 설치 기준에 따라, 도로조건과 차량조건을 고려해 가로 3m, 세로 14m 내외, 5.
무정차 다차로 고속주행환경에서의 통신시스템은 다양한 차량통과 패턴 및 군집 주행 등을 수용할 수 있어야 한다. RF/IR 통신안테나의 간섭으로 인한 오류범위는 최소화하고, 중첩영역을 최대한 활용하며 통신 속도를 개선하여, 무정차 다차로 통신시스템의 신뢰성을 보장하기 위해 환경 변화에 취약하다고 판단되는 부분들의 하드웨어적 요소들을 보완하면서 구현했다.
하이패스시스템은 단차로 고속도로 톨링시스템으로, 주행상태의 차량에서 무선통신에 의해 통행료를 처리하는 자동전자요금징수시스템이다.[1,2] 하이패스 통신시스템은 단차로 환경에서 차로별 1개의 안테나가 최대 2개의 OBU(On Board Unit)와 통신을 수행하며 선입선출 방식으로 처리하는 근거리 전용 통신기술을 사용했다.[3,4] 최초 2006년 6월수동주파수 방식으로 시작되어 현재 ISO/IEC18000-5에 근거한 5.
차로별 주행시험은 RF/IR 안테나의 설치 위치를 고려해 1차로, 2차로, 1차로와 2차로 중간지점으로 나누어 진행했다. <그림 10>과 같이, 단말기 부착 위치에 따라 차량에 1개, 2개 혹은 4개의 OBU를 부착하여 시험했다.
구축한 체험도로에서는 무정차 다차로 고속주행 기반에서의 통신시스템의 성능시험을 위해, 현재하이패스 성능시험을 기준으로 시험을 진행했다.
RF 안테나와 IR 안테나의 특성을 고려하여 중첩 영역을 활용하고, 통신처리 속도와 신뢰성을 높이도록 구현했다. 기존 하이패스 시스템의 SDMA 방식과 실시간 처리방식인 RTDMA 방식으로 무정차 다차로를 위한 통신시스템을 구현했다. 무정차 다차로 RF 안테나는 차선에 설치하여 단말기 간 통신 영역을 구현하고, 무정차 다차로 IR 안테나는 차로간 중첩영역을 최소화하기 위해 차선 사이사이에 설치하여 통신영역을 형성했다.
다차로 환경에서 IR 안테나의 특성 상 주변 차로와의 간섭을 최소화하여 안테나에 장착된 가드 루프를 활용하여 통신영역을 조정하도록 구현하여, 과 같이, 각 차선 사이사이에 설치해 통신 영역을 형성했다.
본 논문에서는, 기존의 방식인 SDMA 방식과 타 통신시스템에서 주로 활용해왔던 RTDMA 방식으로 구현했다. 단차로 단일/다중 통신 기술과 다차로 다중/랜덤 통신기술을 능동형 RF/IR 듀얼 통신방식으로 구현해, OBU의 위치를 확인하고 추적할 수 있게 정확한 통신영역을 설정했다. 또한, 차선 간 혼선문제를 해결한 시분할 처리기술과 복수의 RF/IR 통신 모뎀의 동시처리 기술을 구현해 통신시스템의신뢰성을 높였다.
단차로 시스템에서는 무시될 수 있는 무선통신 환경이 다차로 시스템에서는 통신 예외상황으로 영향을 끼칠 수 있기 때문에 이를 보완하여 간섭해소 방안연구를 통해 통신시스템을 개발했다.
또한 차량 간 가시성, 위치정보의 통상적 부정확성, 신호품질 등에 의해 발생하는 위치 정보의 편차, 연산 오차, 위치정보의 낮은 정확도 등의 원인으로 DSRC 통신모듈을 보조적으로 사용한다. 따라서 본 논문에서는, DSRC 방식을 이용하여 무정차 다차로 고속주행기반 환경에서 모든 차량에 대해 통신이 가능하고, 24시간 무중단 서비스가 가능하도록 능동형 RF와 능동형 IR 안테나의 특성을 활용하여 통신 영역을 형성하도록 통신시스템을 개발했다.
무정차 다차로 RF 안테나 특성을 고려해 RTDMA 방식으로, 차선에 설치한 RF 안테나와 단말기 간 통신영역을 구현했다. 통신 속도에 있어서 RF 스위칭 영역 크기에 차이가 날 경우 위험 요소가 될 수 있으므로, RF 저 잡음 증폭기 및 앰프의 시정수 값을 조절하며 스위칭 영역을 구현했다.
무정차 다차로 RF 안테나는 과 같이, 체험도로의 차로 사이사이 설치하여 통신시스템의 성능시험을 했다.
무정차 다차로 고속주행기반 통신시스템의 성능 시험을 위한 체험도로를 구축했다. 체험도로란, <그림 7>과 같이, 실 도로와 비슷한 주행환경으로 만들어 무정차 다차로에서 자동요금징수시스템이 가능하도록 갠트리를 설치한 도로이다.
수동형 방식은 노변 기지국간 거리가 260m 이상이 되어야 하고 통신 셀 크기가 10m 이내인 점으로 인해, 현재 우리나라 ITS(Intelligence Transportation System) 서비스에는 제약이 된다. 무정차 다차로 고속주행환경 기반에서는 개방형구조, 고수준보안구조, 24시간 무중단 구조 등에 충족하면서 보다나은 서비스를 요구하므로, 기존 하이패스 시스템 및 통신시스템에 대한 재분석을 통해 현 실정에 맞도록 개발했다.
무정차 다차로 환경에서의 속도별 주행시험은 160km/h 까지 시험을 진행했고, 차로 전환은 1차로에서 2차로, 2차로에서 1차로로 차로를 전환하면서 주행했다. 차로별 주행시험은 RF/IR 안테나의 설치 위치를 고려해 1차로, 2차로, 1차로와 2차로 중간지점으로 나누어 진행했다.
본 논문에서는, 다차로 고속주행 기반 통신시스템에 사용하는 IR 안테나는 비간섭성 물리적 특징을 이용해 차로별로 안테나 통신영역을 개별화했다.
무정차 다차로 환경에서의 속도별 주행시험은 160km/h 까지 시험을 진행했고, 차로 전환은 1차로에서 2차로, 2차로에서 1차로로 차로를 전환하면서 주행했다. 차로별 주행시험은 RF/IR 안테나의 설치 위치를 고려해 1차로, 2차로, 1차로와 2차로 중간지점으로 나누어 진행했다. <그림 10>과 같이, 단말기 부착 위치에 따라 차량에 1개, 2개 혹은 4개의 OBU를 부착하여 시험했다.
무정차 다차로 RF 안테나 특성을 고려해 RTDMA 방식으로, 차선에 설치한 RF 안테나와 단말기 간 통신영역을 구현했다. 통신 속도에 있어서 RF 스위칭 영역 크기에 차이가 날 경우 위험 요소가 될 수 있으므로, RF 저 잡음 증폭기 및 앰프의 시정수 값을 조절하며 스위칭 영역을 구현했다.
통신 속도측면에 있어서도 만족할 수 있도록 지속적인 통신 모니터링을 통해, 주행거리와 주행 시 필요한 통신영역까지의 거리, 정상적인 통신 가능 차량의 최대속도 및 통신 오차율을 고려하여 통신 영역을 설정했다.
하이패스 단말기의 일반적인 복사 각도를 고려하여 원활한 통신영역을 확보하기 위해 수평부를 2-배열로 구성하고, 다차로 통신 환경을 확보하기 위해 2개 차로를 커버하도록 수직빔폭도 2-배열로 구성했다.
이론/모형
무정차 다차로 IR 안테나는 과 같이 1sr 당 15° 로 출력하고, 수신 강도는 와 같이 1.6mW/m2 로 외부 적외선 또는 빛으로부터의 잡음을 최소화하기 위하여 ALNRS(Ambient Light Noise Reduction System) 기술을 사용했다.
성능/효과
단차로 단일/다중 통신 기술과 다차로 다중/랜덤 통신기술을 능동형 RF/IR 듀얼 통신방식으로 구현해, OBU의 위치를 확인하고 추적할 수 있게 정확한 통신영역을 설정했다. 또한, 차선 간 혼선문제를 해결한 시분할 처리기술과 복수의 RF/IR 통신 모뎀의 동시처리 기술을 구현해 통신시스템의신뢰성을 높였다.
무정차 다차로 IR 안테나는 통신영역의 중첩부분을 최소화하고, 차량 단말기로부터 통신데이터가 어떤 차로에 설치된 안테나와 수신했는지를 기준으로 차량의 위치를 파악하도록 개발하여 통신시스템의 신뢰성을 높였다.
이를 체험도로에서 실 환경으로 하이패스 성능 시험 및 다차로에서 요구되어 지는 다양한 주행패턴을 시험한 결과 속도별 주행테스트, 차로별 주행 테스트, 차로전환 주행테스트 및 단말기 부착 위치별 통신 정확도 모두 99.9%로 하이패스시스템의 성능만큼 뛰어나다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
국내 하이패스 시스템의 성능시험 뿐 아니라, 다차로 환경에서의 통신시스템 성능시험의 시험기준 및 표준화가 이루어진다면 더욱 신뢰성이 높은 통신시스템 개발이 가능할 것이라 기대한다. 또한, 무정차 다차로를 위한 통신시스템의 개발은 향후 고속도로 및 유료도로 뿐 아니라 주차장에서도 사용 가능할 것이라 기대된다.
국내 하이패스 시스템의 성능시험 뿐 아니라, 다차로 환경에서의 통신시스템 성능시험의 시험기준 및 표준화가 이루어진다면 더욱 신뢰성이 높은 통신시스템 개발이 가능할 것이라 기대한다. 또한, 무정차 다차로를 위한 통신시스템의 개발은 향후 고속도로 및 유료도로 뿐 아니라 주차장에서도 사용 가능할 것이라 기대된다. 통신시스템의 백업과 유지보수에 대한 방안을 마련하고, 좀 더 슬림화된 하드웨어 설계를 통해 발전할 수 있을 것이라 전망한다.
또한, 무정차 다차로를 위한 통신시스템의 개발은 향후 고속도로 및 유료도로 뿐 아니라 주차장에서도 사용 가능할 것이라 기대된다. 통신시스템의 백업과 유지보수에 대한 방안을 마련하고, 좀 더 슬림화된 하드웨어 설계를 통해 발전할 수 있을 것이라 전망한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무정차 다차로 고속주행기반 환경에서의 통신시스템은 어떤 방식으로 구현 할 수 있는가?
무정차 다차로 고속주행기반 환경에서의 통신시스템은 다음과 같은 세 가지 방식으로 구현할 수 있다. 첫 번째로, 정밀한 단말기 위치 파악이 중요한 SDSA(Space Division Single Access)는 차로별 다수 안테나를 이용해 안테나와 OBU가 1:1로 통신하는 방식이다. 두 번째로, 현재 단차로 하이패스통신 시스템에서 사용하는 SDMA(Space Division Multiple Access)는 차로별 1개의 안테나가 다수의 OBU와 통신하는 방식이다. 세 번째로, RTDMA(Random Time Division Multiple Access)는 전체 1개의 안테나가 다수의 OBU와 통신하는 방식으로, DSRC, CDMA, WAVE 등과 통신할 수 있으나, 인접도로와의 구별이 필요하다. SDSA 방식은 위반차량 적발에 용이하지만, 다수안테나를 이용하므로 제어가 복잡하고 제한된 시스템 성능으로 통신시스템의 고도화가 어렵다.
하이패스시스템이란?
하이패스시스템은 단차로 고속도로 톨링시스템으로, 주행상태의 차량에서 무선통신에 의해 통행료를 처리하는 자동전자요금징수시스템이다.[1,2] 하이패스 통신시스템은 단차로 환경에서 차로별 1개의 안테나가 최대 2개의 OBU(On Board Unit)와 통신을 수행하며 선입선출 방식으로 처리하는 근거리 전용 통신기술을 사용했다.
무정차 다차로 기반에 사용하기 위한 통신시스템으로 어떤 방식이 있는가?
무정차 다차로 기반에 사용하기 위한 통신시스템은, DSRC(Dedicated Short Range Communication) 방식과 VPS(Video Printing System) 방식이 있다. DSRC 방식은 ITS 환경 하에서 사용될 수 있도록 설계된 무선통신 기술로써, OBU와 RSE(Road Side Equipment) 와의 양방향 무선통신기술을 기반으로 현재 하이패스시스템의 주파수 대역을 사용한다.
참고문헌 (12)
A Global Strategic Business Report 'ELECTRONIC TOLL COLLECTION SYSTEM', 2009.
KS X 6915 - Intelligent Transportation Systems (ITS) applications for service-only short-range infrared communication (DSRC) technology.
Korea Highway Corporation, 2009 High Pass Business White Paper, 2009.
Notice of Land, Transport and Maritime Affairs, dedicated short range communication (DSRC) using the automatic fare collection system (ETCS) technology based on the exchange of information (Fireside - end-to-end) no. 2009-806. 2009
Han-Byuk Cho, 5GHz band, Present and Future of ITS Communications, Journal of Korea Society of ITS Volume 2, Issue 1, 2004.7.
B.Cash, North American 5.9GHz DSRC operational concept/band plan, IEEE 802.11-03/0750r0, IEEE 802.11 Wave SG, 2004.5.
Korea Radio Promotion Association, DSRC and ITS services using the ETC service plan formulation, 2000.5.
Korea Information Society Development Institute, 'ITS A study on the design and construction of components for', 2004. 12
Information and Communications group standard, 'TTAS.IS-DIS15662 ITS management information for long distance wireless communication protocols', 2004.12.
Korea Standard Association, KS X 6915 - ITS sector dedicated short-range communication standard in the infrared,
Korea Standard Association, KS X 6916 - ITS sector conformity assessment in the way of the infrared communication technology.
ITS standards meeting, 'ETCS performance standards on test methods'
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