고속철도에서의 열차무선전파는 일반적인 이동통신전파와 달리 레일, 침목 및 자갈로 구성된 철로면 반사에 의해 불규칙적으로 수신되는 지면반사파의 영향을 받는다. 본 논문에서는 이와 같이 불규칙적으로 수신되는 철로면 반사파를 랜덤변수로 모의하고, 여기에 송수신간 직접 경로에 의한 직접파를 추가한 열차무선 전파모델을 제안하였다. 제안한 전파모델을 이용한 시뮬레이션 결과 열차무선에서의 경로손실지수는 3.0으로 분석되어, 일반적인 이동통신환경에서의 4.0에 비해 경로손실이 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 고속철도 현장에서의 열차무선 수신전력 측정치에서도 동일하게 경로손실지수가 3.0으로 분석되었다. 이상과 같은 시뮬레이션 및 측정결과로부터, 열차무선 전파모델을 검증하고 경로손실지수를 도출할 수 있었으며, 이 결과는 고속철도 열차무선통신망의 커버리지 예측 및 기지국 설계에 응용할 수 있다.
고속철도에서의 열차무선전파는 일반적인 이동통신전파와 달리 레일, 침목 및 자갈로 구성된 철로면 반사에 의해 불규칙적으로 수신되는 지면반사파의 영향을 받는다. 본 논문에서는 이와 같이 불규칙적으로 수신되는 철로면 반사파를 랜덤변수로 모의하고, 여기에 송수신간 직접 경로에 의한 직접파를 추가한 열차무선 전파모델을 제안하였다. 제안한 전파모델을 이용한 시뮬레이션 결과 열차무선에서의 경로손실지수는 3.0으로 분석되어, 일반적인 이동통신환경에서의 4.0에 비해 경로손실이 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 고속철도 현장에서의 열차무선 수신전력 측정치에서도 동일하게 경로손실지수가 3.0으로 분석되었다. 이상과 같은 시뮬레이션 및 측정결과로부터, 열차무선 전파모델을 검증하고 경로손실지수를 도출할 수 있었으며, 이 결과는 고속철도 열차무선통신망의 커버리지 예측 및 기지국 설계에 응용할 수 있다.
Radio propagation in a high-speed railway is affected by ground reflective waves that are due to irregular reflection by the railway track, which consists of rails, sleepers, and gravel. This paper provides a train radio propagation model that simulates an irregular track reflective wave as a random...
Radio propagation in a high-speed railway is affected by ground reflective waves that are due to irregular reflection by the railway track, which consists of rails, sleepers, and gravel. This paper provides a train radio propagation model that simulates an irregular track reflective wave as a random variable. A simulation study using the train radio propagation model shows that the path loss exponent is around 3.0, indicating a reduced path loss compared to the value of 4.0 in the general mobile radio environment. Regressive analysis of the received signal strength indicators measured in the Gyeongbu high-speed railway showed the results identical to those of the simulation. These results confirm the train radio propagation model and can be applied to the coverage estimation and the design of a train radio network.
Radio propagation in a high-speed railway is affected by ground reflective waves that are due to irregular reflection by the railway track, which consists of rails, sleepers, and gravel. This paper provides a train radio propagation model that simulates an irregular track reflective wave as a random variable. A simulation study using the train radio propagation model shows that the path loss exponent is around 3.0, indicating a reduced path loss compared to the value of 4.0 in the general mobile radio environment. Regressive analysis of the received signal strength indicators measured in the Gyeongbu high-speed railway showed the results identical to those of the simulation. These results confirm the train radio propagation model and can be applied to the coverage estimation and the design of a train radio network.
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문제 정의
본 논문에서는 고속철도에서의 열차무선 전파모델을 제시하고 경로손실을 분석하였다. 고속철도 전파환경분석 결과에 따라, 불규칙하게 수신되는 철로면 반사파가 열차무선에 미치는 영향을 고려한 전파모델을 제시하고 시뮬레이션을 통하여 경로손실을 분석하였다.
제안 방법
경부고속철도 2단계 구간에 설치되어 있는 디지털 TRS방식 열차무선의 전파환경을 분석하고 전파모델을 제시하였으며, 시뮬레이션 및 고속철도 현장에서의 측정 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 고속철도에서의 열차무선 전파모델을 제시하고 경로손실을 분석하였다. 고속철도 전파환경분석 결과에 따라, 불규칙하게 수신되는 철로면 반사파가 열차무선에 미치는 영향을 고려한 전파모델을 제시하고 시뮬레이션을 통하여 경로손실을 분석하였다. 또한, 고속철도 현장에서의 열차무선 수신전력 측정을 통하여 경로손실지수를 산출하고 시뮬레이션 결과와 비교함으로써, 제시한 전파모델의 유효성을 검토하였다.
고속철도 전파환경분석 결과에 따라, 불규칙하게 수신되는 철로면 반사파가 열차무선에 미치는 영향을 고려한 전파모델을 제시하고 시뮬레이션을 통하여 경로손실을 분석하였다. 또한, 고속철도 현장에서의 열차무선 수신전력 측정을 통하여 경로손실지수를 산출하고 시뮬레이션 결과와 비교함으로써, 제시한 전파모델의 유효성을 검토하였다.
즉, 고속철도 철로면은 레일, 침목 및 자갈로 구성되어 표면이 고르지 않기 때문에 일부 반사파가 산란되어 수신되지 않게 되며, 철로면 반사파가 감소하는 만큼 전파경로손실도 감소하게 된다. 이상과 같이 열차무선에서 직접파와 함께 불규칙하게 반사되어 수신되는 철로면 반사파로 구성되는 전파모델을 제안하였다.
여기서, 기지국 안테나 높이는 30m이고 이동국 안테나 높이는 4m 이며, 주파수 851MHz에서 송신출력은 25W이고, 송수신안테나 이득은 0dB로 설정하였다. 일반적인 이동통신환경에서의 지면반사파와 직접파에 의한 수신전력은 실선으로 나타내었으며, 열차무선환경에서의 철로면 반사파와 직접파에 의 한 수신전력은 점선으로 표시하여 서로 비교하였다.
정확한 경로손실지수의 산출을 위해, 변곡점 이후 구간에서의 수신전력 측정 데이터를 추출하여 경로손실지수를 분석하였다. 또한, 식 (10)에 보인 전파모델을 이용하여 수신전력을 시뮬레이션하고, 이로부터 경로손실지수를 분석하여 측정 데이터로부터의 분석결과와 비교하였다.
5와 같이 측정시스템을 구축하였다. 측정시스템은 고속열차에 설치된 열차무선장치에 계측기를 연결하고 데이터 수집 프로그램이 설치된 컴퓨터를 통하여 수신신호강도(RSSI: Received signal strength indicator)를 측정 및 분석할 수 있도록 구성하였다. 측정구간은 경부고속철도 2단계구간중에서 터널이 없고 개활지에 가까운 2개 기지국 구간(고모, 영청)을 대상으로 하여, 측정시스템을 탑재한 열차를 상행 및 하행 운전시키면서 측정하였다.
대상 데이터
열차에 설치되는 이동국은 KTX열차 전후방 동력차에 설치되어 지상과 무선네트워크를 구축한다. 사용 주파수는 기지국에서 851-867MHz, 이동국에서 806-822MHz이며, 열차무선시스템의 주요 통신특성을 Table 1에 보인다.
측정시스템은 고속열차에 설치된 열차무선장치에 계측기를 연결하고 데이터 수집 프로그램이 설치된 컴퓨터를 통하여 수신신호강도(RSSI: Received signal strength indicator)를 측정 및 분석할 수 있도록 구성하였다. 측정구간은 경부고속철도 2단계구간중에서 터널이 없고 개활지에 가까운 2개 기지국 구간(고모, 영청)을 대상으로 하여, 측정시스템을 탑재한 열차를 상행 및 하행 운전시키면서 측정하였다.
데이터처리
정확한 경로손실지수의 산출을 위해, 변곡점 이후 구간에서의 수신전력 측정 데이터를 추출하여 경로손실지수를 분석하였다. 또한, 식 (10)에 보인 전파모델을 이용하여 수신전력을 시뮬레이션하고, 이로부터 경로손실지수를 분석하여 측정 데이터로부터의 분석결과와 비교하였다.
성능/효과
Fig. 4의 시뮬레이션 결과에서, 이동통신 전파특성에서는 경로손실지수가 4로서 거리에 따른 손실이 급격하게 증가하나, 열차무선 전파특성에서는 수신전력의 변동폭은 크지만 경로손실지수는 약 3으로 거리에 따른 경로손실이 완만하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 일반적인 이동통신환경에서는 반사면이 고르기 때문에 지면 반사파에 의해 경로손실이 크게 증가하는 데 비해, 열차무선환경에서는 레일 및 침목으로 구성된 철로면의 특성상 반사파의 일부가 산란되기 때문에 지면반사파로 인한 경로손실이 감소한다는 것을 나타낸다.
9에 보인다. 경로손실지수가 대부분 3.0에 근접하고 있어서, 제안한 전파모델에 의한 시뮬레이션 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 그러나, 영청 기지국으로부터 상행 구간에서는 경로손실지수가 3.
8은 고모 기지국으로부터 부산 방면 하행 구간에서의 수신전력 측정치와 해당 구간에 대한 시뮬레이션 결과를 보인다. 수신전력 측정치는 거리에 따른 변동폭이 크게 나타났으나, 전체적인 감쇠 기울기는 시뮬레이션 결과와 일치 하는 것을 알 수 있다. 회귀분석을 이용하여 경로손실지수를 분석한 결과, 측정치로부터는 2.
이상과 같은 시뮬레이션 및 측정 결과에 따라, 제안한 열차무선 전파모델이 적합하다는 것을 알 수 있다. 또한 고속철도 열차무선에서 거리에 따른 경로손실지수는 약 3.
제안한 전파모델을 이용하여 열차무선환경에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과, 일반적인 이동통신환경에서 경로손실지수가 4.0수준인데 반하여, 열차무선 환경에서는 경로손실지수가 3.0수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 경부고속철도 2단계 구간에서의 측정 결과에서도 경로손실지수는 대부분 3.
수신전력 측정치는 거리에 따른 변동폭이 크게 나타났으나, 전체적인 감쇠 기울기는 시뮬레이션 결과와 일치 하는 것을 알 수 있다. 회귀분석을 이용하여 경로손실지수를 분석한 결과, 측정치로부터는 2.96이 되었으며 시뮬레이션 결과로부터는 2.99로 나타남에 따라 서로 일치하였으며, 전파 경로손실모델이 적합하다는 것을 나타내고 있다.
후속연구
이상과 같은 시뮬레이션 및 측정 결과에 따라, 제안한 열차무선 전파모델이 적합하다는 것을 알 수 있다. 또한 고속철도 열차무선에서 거리에 따른 경로손실지수는 약 3.0으로 산정할 수 있으며, 850MHz 대역을 사용하는 디지털 TRS 방식 열차무선통신망의 커버리지 예측 및 기지국 설계에 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전파경로손실의 특성은 무엇인가?
이를 위해 고속철도에서의 전파환경에 따른 전파경로손실 및 수신신호강도를 예측할 수 있는 전파 모델을 개발할 필요가 있다[2]. 일반적으로 전파경로손실은 전파거리가 길어짐에 따라 증가하며, 사용 주파수 및 주변 환경, 지형적 조건 등에 따라 크게 변동하는 특성이 있다[3,4]. 그러나, 고속철도 열차무선시스템의 전파모델 및 경로손실에 대해서는 아직까지 충분한 연구가 이루어지지 않고 있으며, 자유공간 전파모델 또는 Okumura-Hata 모델을 이용하여 경로 손실을 산정하고 있으나 적용 대상 및 조건이 상이하기 때문에 오차가 크게 나타나고 있다[5-8].
일반적인 이동통신전파와 비교되는 고속철도에서의 열차무선전파의 특징은?
고속철도에서의 열차무선전파는 일반적인 이동통신전파와 달리 레일, 침목 및 자갈로 구성된 철로면 반사에 의해 불규칙적으로 수신되는 지면반사파의 영향을 받는다. 본 논문에서는 이와 같이 불규칙적으로 수신되는 철로면 반사파를 랜덤변수로 모의하고, 여기에 송수신간 직접 경로에 의한 직접파를 추가한 열차무선 전파모델을 제안하였다.
열차무선시스템의 역할은 무엇인가?
고속철도에는 열차와 지상간, 열차와 열차간 또는 지상 상호 간에 정보를 교환하여 열차운전 및 유지보수업무를 수행하기 위한 열차무선시스템이 구축되어 있다. 고속으로 주행중인 열차에서 지상관제센터, 역 및 기지 등과 교신할 수 있는 유일한 통신수단으로서, 사고상황 보고 및 대책 지시, 승객대피, 안내방송 등을 가능하게 하여 열차운행의 안전성을 확보해주는 주요 설비로 활용되고 있다[1].
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