소형 궤도차량용 무선제어 장치{Wireless control device for Personal Rapid Transit}
본 발명은 소형 궤도차량용 무선제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 신호를 송/수신하는 무선 셀을 한 대의 소형 궤도차량과 무선통신 할 수 있도록 소규모로 연속되게 구성하고, B-CDMA(Binary Code Division Multiple Access)방식으로 무선 셀사이를 이동하는 소형 궤도차량과 무선으로 통신하여 고속으로 주행하는 소형 궤도차량의 주행을 제어 할 수 있는 소형 궤도차량용 무선제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 증가로 인한 도로의 교통 체증으로 인해 복잡한 번화가 등 도심 환경에서 대중교통 수단이 널리 사용되고 있다. 전통적인 대중교통 수단은 도로를 주행하는 버스와 택시 그리고 트랙의 상부를 주행하는 전철 등이 있다. 상기 버스는 다수의 승객 수송에 효과적이고 택시는 소수의 승객 수속에 효과적이다. 그러나 이러한 버스 및 택시는 도로를 주행하게 되므로 도로상에서 발생하는 교통 체증에 의해 여전히 영향을 받게 되는 문제점이 있었다. 상기 전철은 트랙에 안내를 받으면서 이동하여 다수의 승객을 효과적으로 수송하고 교통 체증은 해소할 수 있지만, 소수의 승객을 수송하는데 한계가 있었다. 또한, 다수의 승객 수송을 목적으로 하는 전철은 그 설치 및 운영에 필요한 비용이 증가하는 문제점이 있었다. 한편, 과학기술이 급속히 발전하고 생활수준이 향상된 최근에는 공해가 없는 교통수단의 수요가 증가하고 있으며, 이러한 교통수단 중에 대표적인 것이 지상에서 일정한 높이로 가설되는 고가궤도상을 운행하는 소형 궤도차량이다. 이러한 소형 궤도차량을 이용한 시스템을 통상 퍼스널 래피드 트랜지트(Personal Rapid Transit; 이하 PRT시스템이라 함)라 한다. PRT시스템은 분기점에서 운행하고자 하는 지로로 분기하기 위한 분기장치와 원하는 곳에서 정지하기 위한 제동장치를 갖추고 있다. 즉, 열차나 궤도차량은 궤도를 이탈할 수 없는 상태에서 운행이 되므로, 종래에는 한 궤도에서 다른 궤도로 위치를 바꾸려면 자동차와 같이 차체의 전환기능에 의한 것이 아니라, 선로상의 특수작용에 의해 전환되었다. 종래의 분기장치는 포인트(point:전철기), 크로싱(crossing) 및 리드(lead)의 세 부분으로 구성된 것이 일반적이다. 상기와 같이 PRT시스템에 의해서 운행되는 소형 궤도차량은 각 차량에 운전자가 탑승할 수도 있으나, 최근에는 소형 궤도차량의 주행 및 제동을 무선으로 제어할 수 있는 장치가 개발되어 사용되고 있다. 종래에는 소형 궤도차량이 주행하는 트랙을 복수개의 기지국(기지국 역할을 하는 Base Station 또는 Access Point 포함)을 설치하고, 상기 기지국에서 신호를 무선으로 송/수신 할 수 있는 영역을 무선셀로 구분한다. 한편, 상기 기지국에 의한 무선셀은 복수대의 소형 궤도차량을 수용할 수 있는 크기로 형성되므로 한 개의 무선셀에 복수대의 소형 궤도차량이 주행할 때에는 한 개의 기지국에서 복수대의 소형 궤도차량을 제어(주행 및 제동 등)하고 있다.
이와 같이 한 개의 기지국에서 복수대의 소형 궤도차량을 제어하기 위해서는 기지국의 자원을 공유하게 되므로 개별 차량의 제어주기를 일정하게 보장해주기 위해서 정교한 자원제어(Media access control)가 필요하다. 또한 비상시 여러 대의 소형 궤도차량이 동시에 기지국과 통신을 시도할 때에는 대처방법의 구현이 어렵고, 소형 궤도차량이 기지국 사이를 이동할 때 하나의 기지국에서 다른 기지국으로 이동하는 과정에서 연속적으로 통신이 가능하도록 이어주는 핸드오프(hand-off)기능이 필요하므로 과다한 비용이 발생되는 문제점이 있었다. 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 소형 궤도차량이 주행하는 트랙에 한 대의 소형 궤도차량을 수용할 수 있는 소규모의 무선 셀을 연속적으로 구성하고 B-CDMA모듈이 구비된 통신수단을 설치하여 고속으로 주행하는 소형 궤도차량을 간편하게 제어할 수 있는 소형 궤도차량용 무선제어 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 소형 궤도차량용 무선제어 장치의 특징적인 구성은 소형 궤도차량에 설치되는 차량용 제어기와, 상기 차량용 제어기 전기적으로 연결되어 신호를 변환하는 차량용 B-CDMA모듈과, 상기 차량용 B-CDMA모듈과 전기적으로 연결되어 신호를 송/수신하는 차량용 안테나와, 상기 소형 궤도차량 감지하도록 트랙의 일측에 설치된 트랙센서와, 상기 트랙센서에 전기적으로 연결되어 제어 신호를 발생시키는 트랙용 제어기와, 상기 트랙용 제어기에 전기적으로 연결되어 신호를 변환하고 트랙에 소규모 무선 셀을 형성하는 트랙용 B-CDMA모듈과, 상기 트랙용 B-CDMA모듈과 전기적으로 연결되어 신호를 송/수신하는 트랙용 안테나 포함하여서 된 것이다.
이와 같이 본 발명은 트랙에 소규모의 무선 셀을 연속 중첩되게 설치하고 소형 궤도차량과 B-CDMA(Binary Code Division Multiple Access)방식으로 무선 통신하여 고속으로 주행하는 소형 궤도차량의 주행을 안전하게 제어 할 수 있는 특유의 효과가 있다. 또한 본 발명은 핸드 오프 기능을 사용하지 않고도 주행하는 소형 궤도차량과 연속적인 정보 교환이 가능하여 비용을 절감할 수 있게 됨은 물론, 소 출력을 이용하여 무선 셀을 구성하게 되므로 법규(전파법)에 의한 제한을 최소화 할 수 있는 특유의 효과가 있다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 소형 궤도차량을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 소형 궤도차량용 무선제어 장치를 나타낸 블록 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 소형 궤도차량용 무선제어 장치의 작동을 설명하기 위한 개략도이다. 여기에서 참조되는 바와 같이 본 발명은 소형 궤도차량(400)에는 그 소형 궤도차량(400)를 제어(주행 및 제동)할 수 있는 차량용 제어기(100)가 설치되어 있고, 상기 차량용 제어기(100)에는 신호를 변환하는 차량용 B-CDMA모듈(101)이 전기적으로 연결되어 있다. 상기 B-CDMA모듈(101)에서 사용되는 B-CDMA기술의 특징을 설명하면 다음과 같다. 고속의 전송속도와 다른 시스템으로부터의 간섭 상쇄 효과로 인해 CDMA(code division multiple access) 기술은 많은 주목을 받아왔는데, 이를 구현하는 기술로는 확산이득(spreading gain)을 변화시키는 VSG- CDMA 시스템과 여러 개의 병렬 브랜치의 다중 코드(multi code)를 사용하는 MC-CDMA 시스템이 가장 보편적인 것으로 알려져 있다. 이중에서 다중 코드를 사용하는 기술은 확산 이득에 변화가 없고 대역폭의 증가가 없다는 장점이 있지만 다중 레벨의 신호를 증폭하기 위한 앰프의 선형성을 보장하여야 하므로 전력 소모가 많아 소형 기기에 적합하지 않다. 이러한 점을 극복하고자 binary-CDMA 기술이 제안되었다. 이 기술의 특징은 CDMA의 전송 출력을 몇 개의 레벨로 변환하여 순간 변화를 없애는 방안에 관한 것이다. CDMA 시스템에서는 송신 시 여러 채널의 신호를 동시에 선형적으로 합하여 전송하므로 채널수가 증가할수록 출력신호의 레벨수가 증가하여 멀티 레벨 신호의 형태를 갖게 된다. 이러한 대역 확산된 멀티레벨의 데이터를 그대로 변조부에서 전송하지 않고 레벨 clipper를 거쳐 변환된 이진화된 신호를 전송한다. 이를 통해서 복잡한 멀티 레벨의 신호가 간단히 나타나므로 전송되는 신호의 파형이 간단히 표현되어지고 수신기의 구조가 간단해진다. 하지만 멀티 레벨 신호를 clipping함으로 발생하는 에러는 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 된다. 다중 코드 방식으로 인해 발생하는 다중 레벨 신호를 clipping함으로써 시스템 구조를 간단히 할 수 있으며, 다중 코드 방식으로 영상 및 고속 데이터의 전송이 가능한 고속 데이터율을 얻을 수 있다. 상기 차량용 B-CDMA모듈(101)에는 변환된 신호를 무선으로 송신하거나 외부에서 발생되는 신호를 무선으로 수신하는 차량용 안테나(102)가 설치되어 있다. 한편, 상기 소형 궤도차량(400)이 주행하는 트랙의 일측에는 소형 궤도차량(400)을 감지하는 트랙센서(210)가 설치되어 있고, 상기 트랙센서(210)는 제어 신호를 발생시키는 트랙용 제어기(200)에 전기적으로 연결되어 있다. 그리고, 상기 트랙용 제어기(200)에는 트랙에 소규모 무선 셀(200a)을 형성하는 트랙용 B-CDMA모듈(201)이 전기적으로 연결되어 있고, 상기 트랙용 B-CDMA모 듈(201)에는 변환된 신호를 무선으로 송신하거나 외부에서 발생되는 신호를 무선으로 수신하는 트랙용 안테나(202)가 설치되어 있다. 또한 상기 트랙용 제어기(200)는 트랙에 복수개의 무선 셀(200a)이 형성되도록 복수개가 설치되고, 상기 복수개의 트랙용 제어기(200)는 트랙용 컴퓨터(300)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 트랙용 제어기(200)를 복수개 설치할 때에는 그 트랙용 제어기(200)에 의해서 형성되는 무선 셀(200a)이 인접된 무선 셀(200a)과 중첩될 수 있도록 근접 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성된 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 소형 궤도차량(400)은 트랙의 안내를 받으면서 주행하는 것으로서, 시간표에 따라 운행되는 철도시스템과 달리 승객의 요청에 의해 차량이 운행되고, 소형 궤도차량(400)간 앞/뒤간 운행 간격이 짧으며(약 3초), 트랙과 교통량의 상황에 따라 수시로 경로를 변경할 수 있는 다수의 주행 경로(Route)를 갖는다. 한편, 승객이 승/하차 할 때에는 본선(열차가 주행하는 트랙)이 아닌 지선(열차가 주차 정차하는 트랙)에 마련된 정차장을 이용하게 되는 것으로서, 본선의 교통흐름을 방해 받지 않고 목적지 까지 무정차 운행이 가능하게 되는 것이며, 상기 소형 궤도차량(400)은 무인운전(자동제어)하는 것이다. 상술한 바와 같은 소형 궤도차량(400)의 동적인 운행특성을 만족시키기 위해서 본 발명은 소형 궤도차량(400)과 그 소형 궤도차량(400)를 제어하는 제어수단 사이에 소형 궤도차량(400)의 운행에 필요한 각종 주행정보와 제어정보를 무선으로 송/수신하는 것이다. 상기 소형 궤도차량(400)과 제어수단 사이에 주행정보 및 제어정보를 주고받기 위한 무선링크는 마스터인 차량용 B-CDMA모듈(101)과 슬레이브인 트랙용 B-CDMA모듈(201)사이에 만들어진다. 즉, 소형 궤도차량(400)에 설치된 차량용 제어기(100)는 소형 궤도차량(400)이 운행 중일 때 주기적으로 동기신호를 발생시키고, 그 동기신호는 차량용 B-CDMA모듈(101)에서 변환 된 후 차량용 안테나(102)를 통하여 송신된다. 한편, 상기 소형 궤도차량(400)이 트랙에 설치된 트랙센서(210)에 감지되면, 상기 트랙센서(210)는 그 감지신호를 트랙용 제어기(200)로 전송하게 되고, 이때 트랙용 제어기(200)는 소형 궤도차량(400)이 자신의 영역인 무선 셀(200a)에 진입했음을 감지한다. 상기 트랙용 안테나(202)는 차량용 안테나(102)에서 송신되는 동기신호를 수신하고 그 수신된 동기신호는 트랙용 B-CDMA모듈(201)에서 변환 된 후 트랙용 제어기(200)로 전송되는 것으로서, 소형 궤도차량(400)에 설치된 차량용 제어기(100)와 트랙용 제어기(200)는 무선링크의 동기를 수행한다. 상기 무선 동기를 수행할 때에는 인접한 무선 셀(200a)을 형성하는 다른 트랙용 제어기(200)와의 주파수 충돌을 방지하기 위해 트랙용 제어기(200)는 진입하는 소형 궤도차량(400)에 할당된 차량 고유의 ID(identification)를 소형 궤도차량(400)이 무선 셀(200a)의 내부로 진입하기 전에 트랙용 B-CDMA모듈(201)에 미리 알려주고, 트랙용 B-CDMA모듈(201)은 차량 고유의 ID 정보를 이용하여 스캔 코 드(Scan code)를 생성한다. 상기 스캔 코드(Scand code)가 일치하면 차량용 B-CDMA모듈(101)과 트랙용 B-CDMA모듈(201)사이의 동기가 이루어지고 무선링크가 열리게 된다. 한편, 스캔 코드가 일치하지 않으면 동일한 스캔 코드를 갖는 차량용 B-CDMA모듈(101)을 찾기 위한 스캔 동작을 반복하게 되는 것이며, 상기 스캔 코드가 다른 신호의 사이에는 주파수 충돌을 일으키지 않으므로 연속적으로 이웃한 트랙용 B-CDMA모듈(201) 사이의 혼신을 막을 수 있다. 또한 트랙센서(210)를 통하여 차량이 존재하는 동안에만 무선링크를 연결하므로 불필요한 전파 신호 발생으로 인한 간섭(Interference)을 방지할 수 있는 것이다. 그리고 각 무선 셀(200a)에서 데이터의 송/수신이 가능한 시간은 수학식 1에 나타낸 바와 같다. [수학식 1] 일예로 무선 셀(200a)의 크기가 10m이고, 소형 궤도차량(400)의 속도가 60Km/h 로 운행될 때 각 무선 셀(200a)에 소형 궤도차량(400)이 머무르는 시간은 약 0.6초(600ms)가 되므로, 이 시간 안에 무선동기를 잡고 무선링크를 열어 제어에 필요한 정보를 송/수신 주고 받아야 한다. 현재 서비스중인 대부분의 무선기술은 무선링크를 개설하는데 수초에서 십수 초가 소요되어 위의 목적에 사용할 수 없으므로 본 발명은 무선링크의 연결시간이 빠른 Binary CDMA 기술을 사용하여 소형 궤도차량(400)에 설치된 차량용 제어기(100)와 트랙에 설치된 트랙용 제어기(200)를 신속하게 동기화 시키는 것이다. 또한, 각 무선 셀(200a)을 이동 시 새로운 무선링크의 동기를 수행하게 되므로 핸드오프를 구현하지 않고도 연속적으로 정보를 송/수신 할 수 있는 것이다. 승객을 목적지로 수송하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 승객이 소형 궤도차량(400)을 호출하면, 중앙컴퓨터(도면 미도시)는 할당 가능한 소형 궤도차량(400) 중 한 대를 승객에게 할당함과 동시에 출발지부터 목적지까지 경로를 검색하여 최적경로를 계산한다. 상기 소형 궤도차량(400)의 할당은 현재 빈 소형 궤도차량(400) 혹은 현재 역을 도착지로 하는 소형 궤도차량(400) 및 대기영역에 정차중인 소형 궤도차량(400) 중 승객이 위치하고 있는 승강장에서 가장 근접한 소형 궤도차량(400)의 순서로 이루어진다. 한편, 빈 소형 궤도차량(400)을 승객이 위치하고 있는 승강장으로 이동시키거나 승객이 탑승한 후 목적지로 이동시킬 때 중앙 컴퓨터는 복수개의 트랙용 제어기(200)가 연결된 트랙용 컴퓨터(300)를 제어하고 상기 트랙용 컴퓨터(300)는 트랙용 제어기(200)를 제어하여 정해진 운전모드에 따라 소형 궤도차량(400)을 목적지까지 안전하게 이동시키는 것이다. 이때 궤도상을 주행하는 다수의 소형 궤도차량(400)이 최소 안전거리를 유지하며 일정한 시간간격으로 주행할 수 있도록 차간 간격을 조절하는 것이고, 이 경우 트랙용 컴퓨터(300)는 뒤에서 따라가는 소형 궤도차량(400)의 속도와 앞서가는 소형 궤도차량(400)의 속도를 지속적으로 계산하여 최소 안전거리를 확보한 상태에서 소형 궤도차량(400)이 주행하도록 피드백 루프(Feedback loop)를 통하여 소형 궤도차량(400)의 속도제어 정보를 전송한다. 또한 본선 및 지선을 주행하는 소형 궤도차량(400)의 안전한 분기 및 합류를 위한 제어신호를 전송하여 분기 및 합류제어 시에도 차량간격 제어는 계속된다. 그리고 트랙용 컴퓨터(300)는 중앙 컴퓨터가 트랙을 주행하는 소형 궤도차량(400)의 운행정보를 확인할 수 있도록 트랙을 주행하는 소형 궤도차량(400)의 운행정보를 수집하여 전송하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 소형 궤도차량을 나타낸 개략도. 도 2는 본 발명에 따른 소형 궤도차량용 무선제어 장치를 나타낸 블록 구성도. 도 3은 본 발명에 따른 소형 궤도차량용 무선제어 장치의 작동을 설명하기 위한 개략도. ※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ 100 : 차량용 제어기 101 : 차량용 B-CDMA모듈 102 : 차량용 안테나 200 : 트랙용 제어기 200a : 무선 셀 201 : 트랙용 B-CDMA모듈 202 : 트랙용 안테나 210 : 트랙센서 300 : 트랙용 컴퓨터 400 : 소형 궤도차량 |
