윤병식
(Wireless Access Control Research Section, ETRI)
,
김준식
(Wireless Access Control Research Section, ETRI)
,
이숙진
(Wireless Access Control Research Section, ETRI)
,
김경희
(Wireless Train Control Section, KRRI)
,
김용규
(Wireless Train Control Section, KRRI)
,
박덕규
(Dept. of Information Comm. Eng., 21, Mokwon Univ.)
무선 통신 기술 발전을 통하여 철도환경에서 안정적인 무선 접속과 다양한 통신 기능 제공이 가능함에 따라 철도서비스 고도화의 기반이 마련되었다. 특히, 최근의 무선 통신 기술은 향상된 철도 승객서비스뿐만 아니라 효율적이고 안전한 철도 운영을 가능하게 한다. LTE 기반의 무선통신 기술은 다양한 경제적 혜택과 높은 통신 성능을 철도 산업에 제공 가능함에 따라 세계적으로 차세대 철도 통신 시스템의 후보 기술로 각광받고 있다. 그러나 철도 통신은 열차의 안전한 운행을 위하여 매우 엄격한 철도 통신만의 요구 사항도 존재한다. 본 논문에서는 미래의 철도 통신이 반드시 갖추어야 할 요구사항과 기능을 설명한다. 또한 LTE 무선 통신 기술이 철도 분야의 통신 요구사항을 만족하는지에 대해서도 서술한다. 마지막으로 최근 진행되고 있는 차세대 철도 통합무선망의 국내외 표준화 동향과 구축일정에 대하여 설명한다.
무선 통신 기술 발전을 통하여 철도환경에서 안정적인 무선 접속과 다양한 통신 기능 제공이 가능함에 따라 철도서비스 고도화의 기반이 마련되었다. 특히, 최근의 무선 통신 기술은 향상된 철도 승객서비스뿐만 아니라 효율적이고 안전한 철도 운영을 가능하게 한다. LTE 기반의 무선통신 기술은 다양한 경제적 혜택과 높은 통신 성능을 철도 산업에 제공 가능함에 따라 세계적으로 차세대 철도 통신 시스템의 후보 기술로 각광받고 있다. 그러나 철도 통신은 열차의 안전한 운행을 위하여 매우 엄격한 철도 통신만의 요구 사항도 존재한다. 본 논문에서는 미래의 철도 통신이 반드시 갖추어야 할 요구사항과 기능을 설명한다. 또한 LTE 무선 통신 기술이 철도 분야의 통신 요구사항을 만족하는지에 대해서도 서술한다. 마지막으로 최근 진행되고 있는 차세대 철도 통합무선망의 국내외 표준화 동향과 구축일정에 대하여 설명한다.
Mobile radio technologies have evolved in the railway industry offering seamless connectivity and various functionalities to improve railway service. Recently, advanced mobile communication technologies have enabled a new level of railway customer services with more efficient railway operation. Sinc...
Mobile radio technologies have evolved in the railway industry offering seamless connectivity and various functionalities to improve railway service. Recently, advanced mobile communication technologies have enabled a new level of railway customer services with more efficient railway operation. Since the LTE mobile communication technology offers many benefits and better performance for new railway services, it is considered to be a strong candidate for the future railway mobile telecommunication. However, communication networks in the railway sector are critical for secure operation and have stringent requirements for reliability and safety. In this paper, we explain the requirements for the future railway mobile telecommunication. The LTE, which would be the future railway mobile technology, is analyzed against these requirements. We also introduce the current state of standardization for the future railway mobile telecommunication and its implementation plan.
Mobile radio technologies have evolved in the railway industry offering seamless connectivity and various functionalities to improve railway service. Recently, advanced mobile communication technologies have enabled a new level of railway customer services with more efficient railway operation. Since the LTE mobile communication technology offers many benefits and better performance for new railway services, it is considered to be a strong candidate for the future railway mobile telecommunication. However, communication networks in the railway sector are critical for secure operation and have stringent requirements for reliability and safety. In this paper, we explain the requirements for the future railway mobile telecommunication. The LTE, which would be the future railway mobile technology, is analyzed against these requirements. We also introduce the current state of standardization for the future railway mobile telecommunication and its implementation plan.
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문제 정의
1절에서는 차세대 철도 통신망이 갖추어야 할 기술적 특징에 대해서 설명한다. 또한 이러한 기능과 성능을 분석하여 현재 차세대 철도 통합무선망으로 거론되고 있는 Long-Term Evolution(LTE) 통신방식에서의 지원 가능성을 검토한다. 본론 2.
이러한 환경을 극복하기 위해서는 차세대 철도 통신 분야의 국제 표준 기술 선도가 필요하다. 본 절에서는 현재 진행되고 있는 차세대 철도 통신망의 기술 및 표준화 동향에 대해서 서술한다.
제안 방법
2012년 국토 교통부는 “국가 철도망 구축 기본 계획”을 수립하여 LTE 기반의 차세대 철도 통신망 구축 안을 제시하였으며, 이에 대한 철도 전용 주파수 소요제기를 방통위에 신청하였다. 이에 따라 방통위는 현재 음성 영상뿐만 아니라 열차 제어와 각종 데이터를 전송하는 철도 통합무선망의 전용 주파수 타당성을 검토하였으며, 방통위 철도 전용 주파수 연구반에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 철도 통합무선망을 위한 무선통신 방식은 철도 환경에 대응 가능하고 향후 글로벌 철도 표준화가 예상되는 LTE 무선 통신 방식을 제안하였다.
이에 따라 방통위는 현재 음성 영상뿐만 아니라 열차 제어와 각종 데이터를 전송하는 철도 통합무선망의 전용 주파수 타당성을 검토하였으며, 방통위 철도 전용 주파수 연구반에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 철도 통합무선망을 위한 무선통신 방식은 철도 환경에 대응 가능하고 향후 글로벌 철도 표준화가 예상되는 LTE 무선 통신 방식을 제안하였다. 둘째, 철도 통합무선망 구축을 위한주파수 대역폭은 상·하향 각각 5MHz의 대역폭으로 검토되었다.
성능/효과
(2) 네트워크 및 커버리지 이중화 기능: 철도 통합무선망은 열차 위치, 열차 운행 제어 그리고 열차 운행 상태 모니터링과 같은 열차 안전에 중요한 정보를 송수신함에 따라서 무선통신 네트워크의 가용성이 일반 상용 통신보다 월등히 높아야 한다. 따라서 Fig.
(2) 철도전용 음성 통화 기능: 현재 LTE 규격에는 우선 선취, 그룹콜, 철도용 방송통화, 빠른 호설정 기능과 같은 철도 특성을 반영한 음성통화 및 호처리 기능을 지원하지 않는다. 따라서 LTE규격을 철도 통신망으로 사용하려면 철도 전용 음성 통화 기능이 반드시 지원되어야 한다.
(3) 고속 이동속도에서 무선 통신 기능: LTE에서는 최대 350km/h의 이동성을 지원할 수 있도록 무선 접속 규격이 설계되어있다. GSM-R의 망 설계 규격인 최소 20dB의 SNR 환경으로 셀커버리지를 구축된다는 가정을 할 경우, Fig.
(4) 높은 신뢰성 및 가용성(Network Reliability and Availability): 철도 운행의 안전을 위하여 전송되는 데이터의 정보가 충분히 안정적으로 전달되어야 하는 통신 신뢰성과, 다양한 장애가 발생하더라도 계속적 사용이 가능한 통신 가용성이 철도 통합무선망에서 제공되어야 한다.
(5) Quality of Service(QoS) 지원 기능: 최근 개발된 무선통신망은 서비스 혹은 트래픽의 종류에 따라 다양한 QoS를 지원한다. 철도 통합무선망은 열차 안전운행에 직결되는 열차 제어 정보와 일반적인 정보들이 혼재되어 있다.
(7) 공개 표준(Open standard): 미래의 철도 통신이 공개 표준 무선 통신 규격 기반으로 구축하였을 경우, 다른 산업 분야에서 이미 검증된 장비나 시스템을 이용할 수 있어 높은 안정성을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 대량 생산으로 인하여 네트워크 구축 비용을 줄일 수 있다. 또한 기술 수명이 길어 구축, 유지보수 등의 오랜기간 활용이 용이하며, 기존의 철도 통신망 혹은 타 분야의 통신 네트워크와 상호 호환이 가능하다.
8GHz 대역은 2013년까지 70MHz 대역폭이 추가로 확보되지만, 전세계적으로 이동통신용으로 선호도가 가장 높기 때문에 이동통신용으로 활용될 가능성이 매우 높다. 2.1GHz 대역은 위성/지상용 IMT-2000용으로 분배되었으나 현재 국내에서는 미사용 대역으로 주파수 확보가 용이하지만, 일본에서 위성통신망 활용에 이용할 경우 위성과의 간섭이 예상된다. 2.
그 결과 동일한셀내 다른 사용자간 간섭이 커지고 시스템 성능이 저하될 수 있다. 결론적으로 LTE 기반의 철도통신에서 FDD 방식이 TDD 방식보다 유리하다고 할 수 있다.
셋째, 실시간 열차 운행 및 환승 정보 제공, 실시간 운영 및 유지 보수 제공, 열차 화물 추적 관리 등을 통한 열차 운행의 효율성 및 서비스 향상이 가능하다. 넷째, 관련 장비의 국내 자체 기술 개발을 통하여 외국산 장비에 의존하고 있는 국내 철도 산업이 해외 수출 경쟁력을 갖춘 고부가가치의 성장 동력으로 발전할 수 있도록 육성할 수 있다. 마지막으로 도로교통에 비하여 에너지 효율성이 14배 이상 높은 철도는 CO2 배출량도 8% 수준에 머물러 향후 2020년까지 30% 온실가스 감축하여야 하는 우리나라의 국가 비전에 적합할 뿐 아니라 미래의 녹색성장과 환경보호에 선도적 역할을 수행 할 수 있다[1].
첫째, 무선 통신기반 이동폐색을 통하여 더욱 조밀한 열차운행이 가능함에 따라 향후 증가하는 여객 수요에 추가 노선 구축없이 기존 노선으로 탄력적 대응이 가능하다. 둘째, 주행중인 열차 상태나 승객의 실시간 감시 및 진단을 통하여 사고 예방 및 장애 사전 차단을 수행함으로써 철도 운행의 안전성을 강화 할 수 있다. 셋째, 실시간 열차 운행 및 환승 정보 제공, 실시간 운영 및 유지 보수 제공, 열차 화물 추적 관리 등을 통한 열차 운행의 효율성 및 서비스 향상이 가능하다.
둘째, 철도 통합무선망 구축을 위한주파수 대역폭은 상·하향 각각 5MHz의 대역폭으로 검토되었다.
(7) 공개 표준(Open standard): 미래의 철도 통신이 공개 표준 무선 통신 규격 기반으로 구축하였을 경우, 다른 산업 분야에서 이미 검증된 장비나 시스템을 이용할 수 있어 높은 안정성을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 대량 생산으로 인하여 네트워크 구축 비용을 줄일 수 있다. 또한 기술 수명이 길어 구축, 유지보수 등의 오랜기간 활용이 용이하며, 기존의 철도 통신망 혹은 타 분야의 통신 네트워크와 상호 호환이 가능하다.
둘째, 주행중인 열차 상태나 승객의 실시간 감시 및 진단을 통하여 사고 예방 및 장애 사전 차단을 수행함으로써 철도 운행의 안전성을 강화 할 수 있다. 셋째, 실시간 열차 운행 및 환승 정보 제공, 실시간 운영 및 유지 보수 제공, 열차 화물 추적 관리 등을 통한 열차 운행의 효율성 및 서비스 향상이 가능하다. 넷째, 관련 장비의 국내 자체 기술 개발을 통하여 외국산 장비에 의존하고 있는 국내 철도 산업이 해외 수출 경쟁력을 갖춘 고부가가치의 성장 동력으로 발전할 수 있도록 육성할 수 있다.
둘째, 철도 통합무선망 구축을 위한주파수 대역폭은 상·하향 각각 5MHz의 대역폭으로 검토되었다. 셋째, 후보 주파수 대역으로는 현재 국내 주파수 점유 현황을 바탕으로 700MHz, 1.8GHz, 2.5/2.6GHz 대역이 적절한 것으로 판단하였고, 고속으로 이동하는 철도 환경을 고려하여 도플러 주파수 변이의 영향이 적은, 가능한 낮은 주파수 대역을 권고하였다. 이러한 제안을 바탕으로 2012년 하반기부터 2.
차세대 철도 통합무선망을 국내 철도에 구축하였을 경우, 향후 얻을 수 있는 다양한 기대효과는 다음과 같다. 첫째, 무선 통신기반 이동폐색을 통하여 더욱 조밀한 열차운행이 가능함에 따라 향후 증가하는 여객 수요에 추가 노선 구축없이 기존 노선으로 탄력적 대응이 가능하다. 둘째, 주행중인 열차 상태나 승객의 실시간 감시 및 진단을 통하여 사고 예방 및 장애 사전 차단을 수행함으로써 철도 운행의 안전성을 강화 할 수 있다.
후속연구
(2) 광대역 무선 전송기술: 미래 철도 통신에서는 다양한 승객 서비스뿐만 아니라, 무인 운전시 객실의 상황 등을 실시간 모니터링할 수 있는 영상 전송 기능이 포함될 예정이다. 따라서 대용량의 데이터를 실시간으로 전송할 수 있는 광대역 무선 전송기술이 요구된다.
향후, 2014년 마무리될 3GPP LTE Rel. 12 규격과 UIC에서는 현재 진행 중인 미래 철도 무선 통신 시스템 연구를 기반으로 2015년까지 차세대 철도 통신망 구조 결정, 차세대 철도 통신 규격 완료, 범 유럽용 철도 주파수 선정을 완료할 예정이다. 또한 UIC는 2017년까지 현재 유럽에 구축되어 있는 TDM(Time Division Multiplexing) 기반의 철도 통신 인프라를 IP 기반으로 전환 및 구축 완료할 예정이다.
최근 들어 LTE 통신에서 인접 기지국의 서브 캐리어 주파수의 간섭을 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔으며 이를 기반으로 하나의 주파수를 이용하여 이중화 할 수 있는 가능성은 열려 있다. 그러나 셀 가장자리에서 인접 기지국에서 송수신되는 서브 캐리어 주파수 간섭이 아닌 완전히 중첩된 철도 셀커버리지 구조에서 주파수 간섭 제어는 다양한 시뮬레이션과 필드 테스트를 통하여 충분히 연구하고 검증되어야 한다.
그러나 셀커버리지를 이중화하는 목적이 열차 운행에 핵심적인 열차 제어 신호를 신뢰성 있게 전송하기 위함이고 비교적 작은 데이터의 열차 제어 신호를 전송하기 위하여 전체 주파수를 이중화하는 것은 주파수 활용 측면에서 매우 비효율적이기 때문에 이 분야에 대한 연구가 진행되어야 한다. 최근 들어 LTE 통신에서 인접 기지국의 서브 캐리어 주파수의 간섭을 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔으며 이를 기반으로 하나의 주파수를 이용하여 이중화 할 수 있는 가능성은 열려 있다.
12 규격과 UIC에서는 현재 진행 중인 미래 철도 무선 통신 시스템 연구를 기반으로 2015년까지 차세대 철도 통신망 구조 결정, 차세대 철도 통신 규격 완료, 범 유럽용 철도 주파수 선정을 완료할 예정이다. 또한 UIC는 2017년까지 현재 유럽에 구축되어 있는 TDM(Time Division Multiplexing) 기반의 철도 통신 인프라를 IP 기반으로 전환 및 구축 완료할 예정이다. UIC는 CCBG 표준화 단체와 협력하여 CCBG에서 진행 중인 특수 목적의 자가통신망 표준 규격의 각종 기능을 참조하여 차세대 철도 통신 규격에 반영할 예정이다.
2013년 UIC는 차세대 철도 통신 솔루션 개발을 목표로 하는 Future Railway Mobile Telecommunication System(FRMTS) 프로젝트를 정식으로 출범시켰다[20]. 이 프로젝트에서 4개의 소분과를 조직하여 새로운 무선 통신 시스템 요구사항 정의, 주파수 재분배, 철도 전용 추가 기능에 대한 규격, 새로운 철도 통신 네트워크 구조, GSM-R로부터의 효율적인 전환 배치 연구, 패킷 기반 철도 신호 전송 등의 연구를 추진할 예정이다. 특히 UIC에서는 2013년부터 3GPP 표준화 단체와 더욱 협력 강화하여 차세대 철도 통합무선망 요구사항을 LTE 기반의 통신 규격에 반영할 수 있도록 노력할 예정이다.
이에 대한 대응 방안으로 2009년 UIC 기술 보고서를 통하여 LTE 통신 방식이 철도 통합무선망에 적용 가능한지를 검토한 결과를 발표하였다. 주요 내용은 LTE 방식이 미래의 철도 통신방식에 비교적 적합하며 철도에서 요구되는 다양한 요구 조건을 만족하지만 철도 통신만을 위한 추가적인 연구가 필요함을 언급하였다. 특히 철도 전용 음성 통화 기능, 열차 제어를 위한 QoS 제어, 350km/h 이상의 고속 이동에서의 무선통신 성능 등에 대한 검토가 필요하다고 언급하였다.
(3) 짧은 통신 지연 시간: 유럽의 무선 열차제어 시스템인 European Train Control System(ETCS) 레벨 2의 경우 열차 제어를 위한 양단간 최대 통신 지연 시간을 500msec으로 규정하였다[5]. 향후 고속화될 열차 속도를 고려하면, 더욱 짧은 통신 지연 시간이 요구된다. 또한 긴급상황에서 음성 통화 연결시 1초 이내의 매우 짧은 음성 호설정 및 연결이 이루어져야 한다.
4와 같이 350km/h의 이동속도 시 정지상태와 비교하여 약 40%의 데이터 손실이 발생한다. 향후 열차의 최고 속도는 우리나라의 경우만 보더라도 430km/h 속도의 KTX-해무 상용화를 앞두고 있고 500km/h 속도가 넘는 자기 부상 열차의 실용화 가능성도 높음에 따라서 차세대 철도 통신에서는 500km/h 이상의 이동속도에서도 안정적인 무선 접속과 성능이 검증되어야 한다. LTE는 낮은 주파수 대역에서 최대 500km/h의 무선 접속을 보장한다고 하나 다양한 이동속도 및 주파수 변화에 따른 무선링크 성능을 검증할 필요가 있다[22-23].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차세대 철도 통합무선망을 국내 철도에 구축하였을 경우 얻을 수 있는 기대효과는?
차세대 철도 통합무선망을 국내 철도에 구축하였을 경우, 향후 얻을 수 있는 다양한 기대효과는 다음과 같다. 첫째, 무선 통신기반 이동폐색을 통하여 더욱 조밀한 열차운행이 가능함에 따라 향후 증가하는 여객 수요에 추가 노선 구축없이 기존 노선으로 탄력적 대응이 가능하다. 둘째, 주행중인 열차 상태나 승객의 실시간 감시 및 진단을 통하여 사고 예방 및 장애 사전 차단을 수행함으로써 철도 운행의 안전성을 강화 할 수 있다. 셋째, 실시간 열차 운행 및 환승 정보 제공, 실시간 운영 및 유지 보수 제공, 열차 화물 추적 관리 등을 통한 열차 운행의 효율성 및 서비스 향상이 가능하다. 넷째, 관련 장비의 국내 자체 기술 개발을 통하여 외국산 장비에 의존하고 있는 국내 철도 산업이 해외 수출 경쟁력을 갖춘 고부가가치의 성장 동력으로 발전할 수 있도록 육성할 수 있다. 마지막으로 도로교통에 비하여 에너지 효율성이 14배 이상 높은 철도는 CO2 배출량도 8% 수준에 머물러 향후 2020년까지 30% 온실가스 감축하여야 하는 우리나라의 국가 비전에 적합할 뿐 아니라 미래의 녹색성장과 환경보호에 선도적 역할을 수행 할 수 있다[1].
철도 통합무선망에 수반되는 특수 통신 기능에는 무엇이 있는가?
철도 통합무선망은 열차 운행에 관련된 여러 가지 특수 통신 기능을 수반하여야 하는데, 열차 관제를 위한 철도 전용 음성 통화 기능, 철도 전용 음성 호처리 기능, 열차 제어를 위한 망관리 기술 등이 그 예이다. 본론 2.
주파수 특성이 뛰어나다고 평가되어지는 범위는 얼마인가?
무엇보다도 가장 큰 난관은 이러한 차세대 철도 통신이 사용 가능한 전용 주파수 획득이다. 주파수 특성이 뛰어난 주파수 대역(700MHz~2.6GHz)은 육상 항공 해상 통신용으로 많은 주파수 대역을 이미 사용하고 있어 차세대 철도 통합무선망에서 필요한 10MHz 이상의 주파수 대역폭 확보가 매우 힘든 실정이다. 철도전용 GSM-R 주파수를 이미 확보하고 있는 유럽의 경우도 차세대 철도 통합무선망을 위한 추가적인 주파수 확보를 추진하고 있으며, 미국이나 일본의 철도 운영사들도 오래 전부터 철도전용 주파수 확보에 많은 노력을 기울여 왔다.
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