본 논문에서는 철도통신시스템을 위해 필요한 주파수 소요량을 계산하기 위한 방법을 제안한다. 철도통신시스템을 위한 주파수소요량 계산에 최적화된 방법을 유도하기 위하여, 먼저 기존의 일반 이동통신시스템의 주파수 소요량 측정에 사용되었던 방법인 ITU-R M.1390을 분석한 후, 차세대 철도통신시스템에서 요구하는 서비스들을 세분화하여 정의하고, 철도통신을 위해 수정된 주파수 소요량 프로세스를 제안한다. 그리고 실제 현장조사를 통해 습득된 장비정보들을 제안한 계산방법에 적용하여 현재, 5년 후, 10년 후 시점의 예상 주파수 소요량을 계산한다.
본 논문에서는 철도통신시스템을 위해 필요한 주파수 소요량을 계산하기 위한 방법을 제안한다. 철도통신시스템을 위한 주파수소요량 계산에 최적화된 방법을 유도하기 위하여, 먼저 기존의 일반 이동통신시스템의 주파수 소요량 측정에 사용되었던 방법인 ITU-R M.1390을 분석한 후, 차세대 철도통신시스템에서 요구하는 서비스들을 세분화하여 정의하고, 철도통신을 위해 수정된 주파수 소요량 프로세스를 제안한다. 그리고 실제 현장조사를 통해 습득된 장비정보들을 제안한 계산방법에 적용하여 현재, 5년 후, 10년 후 시점의 예상 주파수 소요량을 계산한다.
The Future Wireless Railway Communication System(FWRCS) has attracted attention for the various advantages of such a system like efficient management, precise periodicity of operation and speedy travel. Related to it, the area of bandwidth requirement estimation for the FWRCS is being researched act...
The Future Wireless Railway Communication System(FWRCS) has attracted attention for the various advantages of such a system like efficient management, precise periodicity of operation and speedy travel. Related to it, the area of bandwidth requirement estimation for the FWRCS is being researched actively because there is a great need for accurate bandwidth distribution. In this paper, sophisticated bandwidth requirement estimation method for FWRCS is proposed by modifying ITU-R M.1390. With this method, the expected frequency requirements for the present, for five years from now, and for 10 years from now can be calculated by applying the data gathered from the actual field.
The Future Wireless Railway Communication System(FWRCS) has attracted attention for the various advantages of such a system like efficient management, precise periodicity of operation and speedy travel. Related to it, the area of bandwidth requirement estimation for the FWRCS is being researched actively because there is a great need for accurate bandwidth distribution. In this paper, sophisticated bandwidth requirement estimation method for FWRCS is proposed by modifying ITU-R M.1390. With this method, the expected frequency requirements for the present, for five years from now, and for 10 years from now can be calculated by applying the data gathered from the actual field.
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문제 정의
철도통신을 위한 주파수 대역폭 산출을 위해서는 단일 셀 내에서 발생하는 트래픽의 양을 구해야 하는데, 일반적으로 사용자가 가장 밀집한 장소에서 발생하는 트래픽 양을 예측해야 한다. 따라서 본 논문에서는 국내에서 가장 열차가 밀집한 장소인 서울역을 기준으로 하여 트래픽 양을 산출한다. 현재 서울역을 지나는 철도 노선은 일반열차 3개 노선과 지하철 3개 노선으로 구성되어 있는데, 지상과 지하의 무선환경은 각각 차단되어 있기 때문에 일반노선과 지하철노선에서는 동일한 주파수 대역을 간섭영향 없이 사용할 수 있게 된다.
본 논문에서는 철도통합무선망의 주파수 소요량 산출을 위해 ITU-R M.1390에서 수정된 주파수 소요량 산출방법을 제안한다. 우선 2장에서는 일반적인 이동통신시스템의 주파수 소요량 산출에 사용되는 ITU-R M.
본 절에서는 차세대 철도통신의 데이터 트래픽 예측을 위한 철도통신 서비스 요구사항에 대해 기술한다. 기본적으로 MODURBAN에서 제시한 철도통신 신뢰성과 유지보수를 위한 데이터 통신 시스템의 요구사항[7]에 차세대 철도통합무선망을 위한 서비스 요구사항[8]을 고려하여 상하향 링크별로 정리하였다.
가설 설정
LTE 망에서 패킷 전송을 통해 음성서비스를 제공하기 위한 VoIP기술과 VoLTE 기술을 적용 시, 기본적인 음성소스 데이터 위에 무선접속 기술을 위한 헤더정보를 추가하여 전송해야 하는데, Table 9는 VoLTE 서비스에 사용하는 고음질 보코더 기술인 AMR-WB(Adaptive Multi Rate WideBand) 코덱의 데이터 전송률을 나타낸다. 본 논문에서는 철도통합무선망 음성통신이 VoLTE 사용시 합리적인 비율의 헤더가 추가되는 AMR-WB 45.6kbps 전송포맷의 사용을 가정한다.
제안 방법
먼저, 지형 고려과정에서 환경타입은 일반적인 이동통신 환경과 다르게 철도서비스 환경을 역사 내부와 선로로 구분한다. 그리고 셀 모양은 타원형으로 놓고 지름을 고려하여 일차원적으로 셀 반경 내에 철도차량이 진입할 수 있는 최대치를 계산하였다. 시장 및 트래픽 고려단계에서는 서비스 타입을 철도통신에서 요구하는 음성통화, 데이터 통신, 영상의 3가지로 구분하고, 해당 서비스들을 Vital 서비스와 Non-Vital 서비스로 한번 더 세분화함으로써 최종 주파수 소요량 계산시 필수 요소와 비 필수 요소로의 구분을 용이하게 하였다.
셀 당 가입자 계산의 경우 철도 서비스에서 사용자는 열차, 설비, 역무원 등으로 역사 내와 선로 주변에서 명확히 그 수를 알 수 있으므로 통계적 요소가 반영된 인구밀도와 서비스 보급률을 산출하는 과정을 생략하였다. 그리고 특정 이벤트 시에만 데이터를 송수신하는 서비스들을 고려하여 Service Activity, Session Arrival Rate와 같은 파라미터들을 최번시 철도 운용상황에 부합하도록 적용하여 트래픽 발생량 산출 시 실제 발생량에 근접할 수 있도록 수정하였다.
다양한 철도 통합무선망 서비스 중 열차제어와 관련된 열차제어 전용 단말, 기관사 음성 전용단말, 기관사용 승강장 영상단말과 건널목 장치 단말에서 발생하는 트래픽은 모두 Vital로 구분하였다. 기관사 음성전용 단말기를 제외한 기타 음성단말 서비스의 경우 Non-Vital로 구분하였으나, 각 단말의 필요성에 따라 Vital 비율을 차등 적용하여 신속한 호 설정이 가능하도록 하였다. 5년 후 신설되는 신안산 노선, 10년 후 신설되는 수색-시흥 노선으로 인한 열차 편성수 증가는 2017년, 2022년 시점에 열차제어 전용 단말기, 기관사 음성전용 단말, 기관사용 승강장 영상 단말의 발생 트래픽 증가를 야기한다.
본 절에서는 차세대 철도통신의 데이터 트래픽 예측을 위한 철도통신 서비스 요구사항에 대해 기술한다. 기본적으로 MODURBAN에서 제시한 철도통신 신뢰성과 유지보수를 위한 데이터 통신 시스템의 요구사항[7]에 차세대 철도통합무선망을 위한 서비스 요구사항[8]을 고려하여 상하향 링크별로 정리하였다.
다양한 철도 통합무선망 서비스 중 열차제어와 관련된 열차제어 전용 단말, 기관사 음성 전용단말, 기관사용 승강장 영상단말과 건널목 장치 단말에서 발생하는 트래픽은 모두 Vital로 구분하였다. 기관사 음성전용 단말기를 제외한 기타 음성단말 서비스의 경우 Non-Vital로 구분하였으나, 각 단말의 필요성에 따라 Vital 비율을 차등 적용하여 신속한 호 설정이 가능하도록 하였다.
현재 서울역을 지나는 철도 노선은 일반열차 3개 노선과 지하철 3개 노선으로 구성되어 있는데, 지상과 지하의 무선환경은 각각 차단되어 있기 때문에 일반노선과 지하철노선에서는 동일한 주파수 대역을 간섭영향 없이 사용할 수 있게 된다. 따라서 본 논문에서는 일반 노선에 대한 주파수 소요량만을 고려한다.
하지만 현재 확보 가능한 서울역 내 1일 열차운행 횟수, 철도 기반시설물 설치 현황, 철도기반 시설물 발생 정보량과 같은 정보만으로는 최번시 트래픽을 산출할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 서울역 운행정보를 이용하여 최번시(13~14시 사이) 동안 서울역 내 열차 운행 수(경부선 및 경인선 33회, 인천공항노선 22회)를 조사하였다. 식 (8)은 앞에서 언급한 최번시 열차운행 수, 1일 열차운행횟수(280회)와 1일 열차운행시간 (18시간)을 기반으로 하여 유추한 최번시 트래픽 산출비율 계산 식을 나타낸다.
1390 방법론을 바탕으로 수정된 철도통합 무선망을 위한 주파수 소요량 산출방법론은 다음과 같다. 먼저, 지형 고려과정에서 환경타입은 일반적인 이동통신 환경과 다르게 철도서비스 환경을 역사 내부와 선로로 구분한다. 그리고 셀 모양은 타원형으로 놓고 지름을 고려하여 일차원적으로 셀 반경 내에 철도차량이 진입할 수 있는 최대치를 계산하였다.
열차제어 서비스는 관제에서 열차속도 제어명령을 실시간으로 전송하기 위해 데이터 전송률을 12kbps 실시간 전송으로 할당하였고, 첨단 영상 감지시스템을 활용한 안전 및 범죄예방 체계 구축서비스의 승강장 내 영상정보를 이용한 안전유지 서비스는 열차가 승강장에 진입하기 400m 전부터 승강장 영상정보를 수신해야 하므로 열차가 승강장에 접근할 시에만 2Mbps를 전송하는 것으로 할당하였다. 이후에 열차간격 제어명령이나 범죄예방과 같은 서비스를 제공할 수도 있으나, 본 논문에서는 고려하지 않는다.
열차제어 서비스는 실시간으로 제공되어야 하므로 트래픽 특성의 Session Arrival Rate와 Service Activity를 각각 1로 하였다. 열차가 셀에 진입할 때에 서비스 세션이 시작되는 차내승객 서비스, 건널목제어 및 정보시스템, 건널목 감시 시스템의 Session Arrival Rate는 1일 총 열차운행횟수를 최번시 초당 열차운행횟수로 다음 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다.
호 차단율은 각 사용자에게 제공되는 음성서비스의 QoS(Quality of Service)를 의미하고, Voice Activity는 전체 통화시간 중에서 실제 음성이 상향 또는 하향으로 전송되는 시간의 비율을 뜻한다. 요구 채널 수는 셀 내 단말기들에 의해 발생하는 음성 트래픽 양(Erlang)을 특정 호 차단율 이상의 QoS로 처리하기 위한 최소 채널수로서 셀 내 단말기에서 발생하는 음성 트래픽 양과 호 차단율을 Erlang B Table[9]에 대입하여 구하였다. 해당 Table의 2017년, 2022년 항목에서는 철도노선 수의 증가가 고려되어 2012년에 비해 셀 내 단말기 수가 증가하였기 때문에 요구 채널 수, 즉 음성서비스 데이터량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
건널목 장치단말 트래픽은 데이터 서비스인 건널목 제어 및 정보시스템 트래픽과 영상서비스인 건널목 감시시스템 트래픽을 포함한다. 중요도 구분 항목에서 Non-Vital로 구분된 서비스에는 Vital 트래픽과 Non-Vital 트래픽이 공존하므로 이를 Vital 비율에 따라 산출된 트래픽을 나누어 나타내었다.
열차위치 정보전송 서비스는 5년단위로 감소하는 열차제동거리와 노선의 증가로 인한 열차편성수의 확대로 인하여 트래픽이 증가하는데, 트래픽이 실시간으로 제공되어야 하므로 Service Arrival Rate와 Service Activity는 각각 1로서 시간이 지나도 해당 특성은 변하지 않는다. 철도 기반시설 모니터링 서비스는 레일, 노반, 침목 기반시설의 상태를 순차적으로 체크하므로 Service Activity를 0.33으로 설정하였고, 철도 설비 모니터링 장치는 열차가 장치주변을 지날 때마다 정보의 송수신이 이루어지므로 Session Arrival Rate는 1일 총 열차 운행횟수를 최번시 초당 열차운행횟수로 나타내었다. 그 중 신호기 장치의 경우 일반 열차 외에 전동차 운행수치가 더해져 계산되었다.
철도 안전설비 실시간 모니터링 서비스는 안전설비의 상태를 장치에서 관제센터로 주기적으로 전송하는데, 본 논문에서는 철도 안전설비 실시간 모니터링 주기를 200ms로 설정하여 초당 5회의 정보전송이 발생하게 된다.
성능/효과
요구 채널 수는 셀 내 단말기들에 의해 발생하는 음성 트래픽 양(Erlang)을 특정 호 차단율 이상의 QoS로 처리하기 위한 최소 채널수로서 셀 내 단말기에서 발생하는 음성 트래픽 양과 호 차단율을 Erlang B Table[9]에 대입하여 구하였다. 해당 Table의 2017년, 2022년 항목에서는 철도노선 수의 증가가 고려되어 2012년에 비해 셀 내 단말기 수가 증가하였기 때문에 요구 채널 수, 즉 음성서비스 데이터량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
철도 안전설비는 철도 시설물의 안전한 동작을 위해 항상 정보를 수집하여 전송하므로 열차 통행의 유무와 상관없이 데이터 송수신 상태를 유지해야 한다. 현재 서울역 주변에는 철도 안전설비가 구성되어있지 않은 상태이지만 향후 차세대 철도통신시스템에서 운용될 예정이다.
차세대 철도통신망이 이슈로 떠오르면서 많은 관련연구들이 진행되고 있지만, 아직도 통신과 철도간의 융합부문은 블루오션에 해당하여 망 구성방법, 고속 이동성 지원, 철도 통신서비스 QoS 등 다양한 분야가 초기 연구과정에 머물고 있다. 활발한 연구가 지속되어 다양한 연구결과가 축적된다면 철도통신 또한 통신분야의 메인스트림 중 하나로 곧 자리잡을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
M.1390이란?
M.1390은 IMT-2000 시스템의 주파수 소요량 산출이 산출을 위해 개발된 방법으로, 단일 무선접속 기술로 무선데이터 트래픽을 처리하는 경우의 주파수 소요량 산출에 적합하고 평균 트래픽을 예측하여 소요량을 산출하므로 계산이 간단하다. 반면, M.
육상-이동서비스의 주파수 소요량 산출에는 일반적으로 어떤 방법론이 사용되는가?
일반적으로 육상-이동서비스의 주파수 소요량 산출에는 ITU-R 권고안 M.1390[4]과 M.1768[5] 방법론이 주로 사용된다. M.
국내에서 가장 열차가 밀집한 장소인 서울역을 기준으로 하여 트래픽 양을 산출한 이유는?
철도통신을 위한 주파수 대역폭 산출을 위해서는 단일 셀 내에서 발생하는 트래픽의 양을 구해야 하는데, 일반적으로 사용자가 가장 밀집한 장소에서 발생하는 트래픽 양을 예측해야 한다. 따라서 본 논문에서는 국내에서 가장 열차가 밀집한 장소인 서울역을 기준으로 하여 트래픽 양을 산출한다.
참고문헌 (11)
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Achieved at www.sis.pitt.edu/-dtipper/2110/erlang-table.pdf
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